Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологическая оценка, прогноз и управление изменениями геологической среды

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическая оценка, прогноз и управление изменениями геологической среды"

0-, .

к..'

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ . ОБЪЕДИНЕНИЕ «УЗБЕКГИДРОГЕОЛОГИЯ» ИНСТИТУТ ГИДРОГЕОЛОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ имени О. К. ЛАНГЕ

1

На правах рукописи Шубин Михаил Алексеевич,

УДК 624.131.1

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА, ПРОГНОЗ И УПРАВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯМИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЬ!

Специальность 04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Ташкент — 1988

\

Работа выполнена в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор В. Т. Трофимов;

доктор геолого-минералогических наук, профессор И. П. Зелинский; доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Э. В. Мавлянов.

Ведущее предприятие — Сектор гидрогеологии и инженерной геологии АН ГССР.

Защита состоится «............».....................................................................1989 г.

в .................. час. .................. мин. на заседании специализированного совета

Д 071.01.01 при Институте гидрогеологии и инженерной геологии им. О. К. Ланге ПО «Узбекгидрогеология» по адресу: 700041, Ташкент, ул. Морозова, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ученый секретарь специализированного совета Р. А. Якубова

'.Ъ'кГ®* г»?

... ОГД!!^

Общая характеристика работы

Новый качественный уровень инженерной геологии как науки о свойствах и динамике геологической среды (Сергеев, 1979; Бондарик, 1981), их ¡изменениях в процессе строительства и эксплуатации сооружений (Ломтадзе, 1984) ставит перед ней задачи анализа и оценки изменений геологической среды, прогнозирования этих изменений и управления

ИМИ.

Решение проблем рационального использования природных ресурсов л охраны геологической среды, имеющее важное социально-экономическое значение, основывается на конструктивной разработке концепции литомониторинга (Епи-шин, Трофимов, 1985). В первую очередь необходима методологическая, теоретическая и практическая проработка различных аспектов программирования литомониторинга. Это требует применения новых методологических подходов, в частности геосистемного и программно-целевого, новых категорий, понятий, языков и других методологических средств. В то же время о дальнейшем развитии нуждаются традиционные методы инженерной геологии, используемые для познания закономерностей изменений геологической среды и разработки средств по ее защите. Решению этих проблем и посвящена данная диссертационная работа.

Целью работы являются исследование закономерностей природно-техногенных изменений геологической среды и конструктивная разработка концепции литомониторинга.

Основные защищаемые положения и научная новизна работы. Автором выносятся на защиту следующие основиые положения геосистемной концепции литомониторинга, обладающие научной новизной:

1. Методологической основой разработки литомониторинга являются геосистемный и программно-целевой подходы, комплексируемые на пяти иерархических уровнях: глобальном, межрегиональном (национальном), региональном, локальном, элементарном.

2. Объектами литомониторинга являются геосистемы соответствующих уровней — от глобального до элементарного. Декомпозиция геосистем осуществляется в трех существенно независимых аспектах: геологическом, климатическом, техногенном.

3. Эмпирической базой программирования литомониторинга служит инженерно-геологический анализ геосистем, проводимый по разработанной методике. Основой анализа является комплексная интегративная оценка изменений геологической среды: комплексная — по всем ее компонентам, интегративная — по .всем параметрам процессов и уровням геосистем.

4. Основные пространственно-временные закономерности изменений геологической среды определяются суммарным воздействием трех групп факторов — техногенных, геологических и климатических, соотношение которых формирует определенный тип геосистемы. Каждому типу геосистемы отвечают соответствующие по структуре, масштабу и интенсивности изменения геологической среды, отражаемые на специально разработанном комплексе макетов, легенд и экспликаций карт в системе литомониторинга.

5. Управление изменениями геологической среды осуществляется на основе стратегии защиты, включающей: 1) методологические подходы и принципы; 2) стадии и методы защиты; 3) комплексирование методов по стадиям защиты; 4) контроль эффективности защиты геологической среды.

Актуальность выполненных исследований. Резкое увеличение масштабов и интенсивности освоения территорий требуют комплексной интегративной оценки и прогноза изменений геологической среды, разработки средств и методов ее защиты. Анализ достижений и перспектив дальнейшего развития инженерной геологии (1985) указывает на необходимость первоочередного решения методологических проблем .взаимодействия человека с геологической средой и углубления разработки концепции литомониторинга. Задание на составление национальной программы литомониторинга, выданное Министерством геологии СССР, подчеркивает актуальность и практическую значимость выполненных исследований.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось путем выполнения комплекса полевых, методических п теоретических исследований закономерностей развития геологических процессов на территории Средней 2

Азии, Закавказья, Нижнего Поволжья, а также в Сахаре и северной части Алжира. Исследования включали: программирование региональных и локальных систем литомонито-ринга; оптимизацию состава и размещения наблюдательной сети, совершенствование методики стационарных наблюдений за развитием геологических процессов и методики их прогнозирования; разработку методики инженерно-геологического анализа и комплексной интегративной оценки техногенных изменений геологической среды; разработку стратегии, тактики и техники защиты геологической среды.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений обеспечивается обобщением и обработкой обширного фактического материала многолетних стационарных наблюдений за развитием геологических ¡процессов. Выполненные различными методами прогнозы развития геологических процессов оценены статистически с установлением величины ошибки прогноза. Результаты теоретических и методических разработок апробированы при составлении программ литомониторинга и реализованных проектов защитных мероприятий.

Внедрение полученных результатов в производство. Диссертационная работа частично выполнялась в производственной организации (Нижне-Волжской гидрогеологической и инженерно-геологической партии Министерства геологии РСФСР), где и были внедрены .в производство многие результаты работы. Здесь введена в эксплуатацию подсистема натурных режимных наблюдений и информационная подсистема регионального литомониторинга, являющаяся практической реализацией составленной при участии автора комплексной целевой программы работ по изучению ЭГП на территории Нижнего Поволжья ('па период 1979—1985 гг.). Направлен в производство «Отчет по региональному изучению экзогенных геологических процессов в Нижнем Поволжье» с анализом и оценкой изменений геологической среды.

Результаты выполненных исследований и разработок используются в первую очередь исполкомами областных н городских Советов народных депутатов, а также местными организациями Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР, Госстроя РСФСР, Министерства сельского хозяйства РСФСР, в частности: для корректировки генерального плана г. Волгограда и схем районной планировки; при разработке и реализации Генеральной схемы берегоукрепи-

тельных и противооползневых работ в г. Волгограде; при разработке мероприятий по эффективной эксплуатации прибрежных территорий ,в составе схемы улучшения технического состояния Волгоградского водохранилища; для повышения эффективности контроля и оценки мелиоративного состояния орошаемых земель и т. п.

Теоретические и методические результаты выполненных исследований и разработок могут быть использованы при программировании региональных, национальных и глобальной систем литомониторинга.

Научная апробация и публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ. Основные /результаты работы изложены на Международном симпозиуме «Проблемы инженерной геологии в гидротехническом строительстве» (Тбилиси, 1979), Всесоюзных совещаниях по .вопросам: строительства на набухающих грунтах (Ростов-на-Дону, 1972), прогнозирования повышения уровня грунтовых вод на застроенных территориях и борьбы с их подтоплением (Белгород, 1972), динамики берегов водохранилищ, их охраны и рационального использования (Черкассы, 1979), режимных инженерно-геологических и гидрогеологических наблюдений в городах с целью повышения эффективности рационального использования 'И охраны геологической среды (Сочи, 1983), научных основ оптимизации, прогноза и охраны природной среды (Москва, 1986), применения системного подхода в геологии (Москва, 1986), мелиоративной географии (Ровно, 1986), инженерной геологии городов (Одесса, 1987); Республиканском совещании «Оползни и борьба с ними» (Кишинев, 1974); региональных межотраслевых конференциях «Рациональное использование и охрана подземных вод Волгоградской области» и «Воздействие хозяйственной деятельности на геологическую среду Нижнего Поволжья» (Волгоград, 1977, 1984); заседаниях Московского общества испытателей природы (И Волгоградского филиала Географического общества СССР (1983—1987 гг.).

Объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех частей и заключения, имеет объем 370 страниц машинописного текста, в том числе 32 таблицы, 58 рисунков, список литературы из 337 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Волгоградском комплексном отделе Волжского научно-исследовательского

института гидротехники и мелиорации, руководству которого автор весьма признателен.

Автор всегда хранит в памяти имя своего учителя — профессора Николая Васильевича Коломенского.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ЛИТОМОНИТОРИНГА

Глава 1.1. Методологические подходы к разработке концепции литомониторинга

Проблеме рационального использования ресурсов земной коры и ее защите посвящены исследования многих советских и зарубежных ученых. Уже ® 20—30-е годы изучение влияния техногенеза на литосферу стало новым направлением геологической науки, которое разрабатывалось нашими ведущими учеными В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, А. П. Павловым, Ф. П. Саваренским, Г. Н. Каменским, В. А. Приклон-ским, а позднее Е. М. Сергеевым, А. В. Сидоренко, А. Л. Яншиным. Проблеме изучения изменений геологической среды посвящены труды Л. Г. Бадаева, Г. К. Бондарика, Г. А. Го-лодковской, И. П. Зелинского, И. С. Комарова, Ф. В. Котло-ва, Н. И. Кригера, В. В. Кюнтцеля, В. Д. Ломтадзе, Г. А. Мавлянова, С. Ш. Мирзаева, Ю. Б. Осипова, Г. И. Тер-Степаняна, В. Т. Трофимова, П. Ф. Швецова. Крупные региональные работы в этом направлении выполнены И. М. Буачидзе, К. И. Джанджгавой, В. Ф. Краевым, Э. В. Мав-ляновым, А. М. Монюшко, Р. А. Ниязовым, Э. И. Ткачук, Г. А. Сулакшиной, А. С. Хасаисвым, А. Н. Султанходжаевым и др. В последние годы трудами В. К. Епишина и В. Т. Трофимова разрабатывается проблема литомониторинга, отдельные аспекты которой отражены в работах Ю. Ф. Захарова, И. П. Лазаревой, Г. Л. Коффа, А. И. Шабанова, В. Н. Эк-зарьяна и др. По заданию Министерства геологии СССР разработку программы литомониторинга СССР выполняет -коллектив отдела ВСЕГИНГЕО, возглавляемый А. И. Шеко.

В главе основное внимание уделено двум важнейшим в аспекте разработки литомониторинга методологическим подходам — программно-целевому и геосистемному. Обзор дан в ориентации на комплексирование этих двух подходов в инженерно-геологических исследованиях и разработках.

1.1.1. Программно-целевой подход

Программно-целевой подход к организации, руководству и управлению человеческой деятельностью в современном мире приобрел важное значение, особенно при выработке и реализации решений по крупномасштабным, долгосрочным, наиболее сложным проблемам комплексного характера, к числу которых несомненно относится разработка литомониторинга.

Основным преимуществом программно-целевого подхода является то, что он обеспечивает территориалыно-отраслевую увязку целей и задач развития множества локальных объектов литомониторинга ¡в рамках единой территории. Кроме того, он дает возможность согласованного выбора путей, средств и сроков достижения стратегических целей, включая выбор организационных структур литомониторинга и процедур управления изменениями геологической среды. Наконец, на программно-целевом подходе базируются территориальные комплексные схемы охраны природы (ТерКСОП), с которыми должны увязываться программы регионального литомониторинга. Все это заметно выделяет указанный подход из ряда традиционно применяемых в инженерной геологии и обусловливает целесообразность его применения к .разработке литомониторинга как системы контроля и управления изменениями геологической среды.

В разделе дан критический анализ отечественного и зарубежного опыта программирования, накопленного в 60—80-х годах. Итогом анализа явилось построение типологических рядов комплексных целевых программ (КЦП) и определение границ унификации средств и методов программирования. Типы программ различаются: по целям (назначению) — социально-экономические, научно-технические, экологические и т. п.; по масштабам — глобальные, национальные, региональные; по отношению ко времени — бессрочные (непрерывные), долгосрочные, оперативные и т. п.

На базе типологии КЦП сформулированы задачи построения особой методики программирования 1В сфере инженерно-геологических изысканий и литомониторинга в частности (гл. 1.2).

1.1.2. Системный подход

Системное мышление и системный подход к исследованию человеческой деятельности являются характерной чертой 6

науки второй половины нашего века. В обзоре, охватывающем весь период развития системного подхода, начиная с работ А. А. Богданова и Л. фон Берталанфи, разработана типология систем в аспектах уровней, способов, типов, языков описания, а также моделирования систем. В целях дальнейшего использования .в диссертации критически сопоставлены основные типы конструирования систем: параметрический, структурно-функциональный, иерархический. Наиболее разработанной областью параметрического подхода является теория системных параметров. Параметры (характеристики) геосистем задаются в работе в виде матриц или векторов первичных показателей оценок изменений геологической среды, формируемых затем в комплексную дантегративную оценку. Изучение структуры и функционирования геосистем является содержанием их комплексного инженерно-геологического "анализа, которому посвящены ч. 2 и 3 диссертации.

К числу конструктивных разработок системного подхода в инженерной геологии следует -в первую очередь отнести работы Г. К. Бондарика, В. К. Епишина, И. С. Комарова, М. В. Рана, В. Н. Экзарьяна и других.

Глава 1.2. Методика программирования литомониторинга

1.2.1. Процедуры программирования

Система литомониторинга требует разработки комплекса программно-проектных документов, главнейшими из которых являются: 1) программа разработки и ввода в эксплуатацию литомониторинга (и организационный проект реализации этой программы); 2) программа функционирования литомониторинга, т. е. контроля и управления геосистемами; 3) программа развития (реконструкции) системы литомониторинга. Вторая — программа функционирования — является основной, базовой. В рамках трех программ, особенно на глобальном и национальном уровнях, могут существовать подпрограммы развития сети натурных режимных наблюдений, разработки автоматизированных информационных систем, организации межпредметной и межотраслевой деятельности, разработки новых методологических средств и т. п.

Несмотря на специфику программирования, во всех перечисленных случаях методологическая основа программирования едина и представляет собой итеративный процесс:

I) темагизации; 2) ситуационного анализа; 3) целеобразо-.ваиия; 4) проблематизации; 5) перевода проблем в задачи, т. е. разработки новых средств мышления и деятельности; 6) планирования работ (Епишин, 1985). В диссертации изложено содержание всех шести процедур применительно к инженерно-геологическим аспектам проблемы контроля , и защиты геологической среды.

Соответственно в структуру документа программы литомониторинга должны быть включены шесть разделов, что существенно расширяет ее содержание по сравнению с традиционно разрабатываемыми программами (а по существу — проектами) изучения геологических процессов. В этих проектах темагизация практически отсутствует, ситуационный анализ ограничивается констатацией распространения м активности геологических процессов и состава наблюдательной сети, цели рассматриваются лишь по отношению к объекту исследований и т. д.

Важно отметить, что унификация методики программирования является необходимым условием разработки системы глобального литомониторинга.

1.2.2. Понятие геосистемы

Ориентация на комплексирование геосистемного и программно-целевого подходов позволяет существенно упростить геосистемную концепцию, изложенную в «Теоретических основах инженерной геологии. Социально-экономические аспекты» (1985), и редуцировать понятие геосистемы.

Под геосистемой мы будем понимать часть геологической среды с операционально фиксированными пространственно-временными границами, которой поставлен в соответствие упорядоченный набор множеств:

Г-<С7М;Ф> с»

где С — структура;

М — материал;

Ф — функционирование геосистемы Г; <> — знак эмерджеитности.

Геосистема рассматривается как природно-техническая система (ПТС), актуальная или потенциальная и только поэтому она является контролируемой и управляемой — за счет искусственного (технического) компонента — в системе литомониторинга. 8

Структура С геосистемы Г .включает множество подсистем и элементов Э геосистемы и отношений (связей) О между.ними

С*<э7.0) (2)

Декомпозиция геосистемы, т. е. разделение ее на подсистемы и элементы, выполняется в трех, существенно независимых аспектах: геологическом, климатическом и техногенном.

Материал М геосистемы Г содержит множество компонентов К геосистемы и их свойств С:

М = <К;С> (3)

Подлежащие защите в системе литомониторинга компоненты геосистемы типологизированы: выделены три типа — вещественных, энергетических и — особый — «пространственных» компонентов. К первым принадлежат горные породы и почвы, подземные (и поверхностные) воды; ко вторым — гелиО- и геофизические (энергетические) поля: гравитационное, геоэлектрическое, геомагнитное, геотермическое, радиоактивности, механических напряжений и т. п. К третьему типу компонентов геосистем отнесены: «недра» (3-мерные), «территории» (2-мерные), «трассы» (1-мерные).

Функционирование Ф геосистемы Г можно представить как множество процессов П и их параметров Р:

Ф=(П7Р) (4)

При анализе единый процесс (функционирование Ф геосистемы Г) подразделяется «а подпроцессы 1-го, 2-го,п-го порядка; подпроцесс на п-ом уровне считается элементарным.

1.2.3. Комплексирование программно-целевого и геосистемного подходов

Комплексирование программно-целевого и геосистемного подходов осуществляется в виде процесса, в ходе которого рамка программирования наполняется геосистемным содержанием конкретного региона через структуру, материал и функционирование. Схематически соединение этих подходов можно представить на двух ортогональных плоскостях: орга-низационно-деятельностной, в которой изображаются рамки программирования (КЦП), и объектной, где изображается геосистема (рис. 1).

Итогом является построение комплексной целевой программы литомониторинга, в которой теоретически существующий геосистемный подход реализуется в конкретном материале на всех уровнях процедур программирования — от тематизации до планирования.

Глава 1.3. Концепция глобального литомониторинга 1.3.1. Структура литомониторинга

Понятие литомониторинга как системы контроля и управления геологической средой можно представить в схеме трех пространств: организационно-деятельностного (программного), объектного л методического (рис. 2).

В правом, организационно-деятельностном пространстве изображена схема функциональной структуры литомониторинга в виде куба: а) на правой стороне — программа литомониторинга, включающая упорядоченный набор процедур программирования; б) на лицевой стороне — основные рабочие блоки литомониторинга: система натурных режимных наблюдений (НРН); системы комплексных интегративиых. оценок (КИО), комплексных интегративиых прогнозов (КИП) и прогнозных оценок (КИПО) изменений состояния геологической среды; блок управления, включающий организацию, руководство и управление (ОРУ), КЦП литомониторинга и проект защиты геосистемы; в) на верхней стороне — автоматизированная информационная система (АИС).

В нижнем, объектном пространстве дан объект контроля и управления в литомониторннге •— геосистема.

В левом, методическом пространстве схематически изображены средства управления геосистемой и стратегия защиты геологической среды, включающая методологические подходы и принципы, стадии и методы защиты.

В диссертации приняты пять иерархических уровней разработки программы литомониторинга: глобальный, межрегиональный, региональный, локальный и элементарный, которые различаются, в частности, линейными размерами. Утверждается, что только при одновременном рассмотрении концепции литомониторинга на всех этих уровнях можно, с одной стороны, достаточно полно, детально и конкретно охарактеризовать геосистему посредством КИО, КИП и КИПО, а с другой — обобщить и генерализовать эти оценки на унифицированной основе.

1.3.2. Комплексная интегративная оценка техногенных изменений геологической среды

В концепцию литомониторинга введена в качестве центральной комплексная интегративная оценка (КИО) техногенных изменений геологической среды: комплексная — по всем компонентам среды К/, где 1 = 1, 2, ...,п, и интегративная — по всем параметрам Р/ процессов П геосистемы Г, где ] = 1, 2, ...,т.

В самом общем виде «первичная» КИО записывается так:

121] $22/ • • -/ {1Г2Р1 / В2(Р1 +1)/ ■ ■ V 32Рг1 ■' V

Л/И? ^ПЯ] 3Ф 3ЛЯ/ •■■/

с*

В матрицу (5) должны входить все характеристики (параметры) процессов, исследуемых в данной геосистеме. Характеристики получают путем полевых, лабораторных, дистанционных измерений, а затем генерализуют различными способами. По столбцам матрицы подчеркнута неоднородность параметров процессов, по строкам перечислены все компоненты геологической среды, с которыми связаны изучаемые процессы. Полнота оценки всех изменений геологической среды геосистемы Г по всем ее компонентам К характеризует комплексность КИО.

Если понятие комплексности оценки техногенных изменений геосистемы является довольно простым, то понятие ин-тегративности оценки требует дальнейшего развертывания, для чего необходимо воспользоваться средствами типологического подхода. Оценки в первичной матрице (5) подразделяются в аспектах: 1) характера оценок — количественные (измеренные), качественные (обычно экспертные оценки);

2) пространственном — объемные, площадные, «в точке»;

3) временном — статические, динамические; 4) субстратном — вещественные, энергетические; 5) опосредования — абсолютные, относительные (в том числе балансовые); 6) общности — общие, частные; 7) математическом — детер-

.13

минированные, стохастические, небулярные. Типология оценок аналогична по форме классификации инженерно-геологических прогнозов Г. К. Бондарика (1972), что в -принципе позволяет увязать оценки с прогнозами и задать единую систему КИО геосистемы в статике и динамике.

В понятие интегративности входят также процедуры обобщения и генерализации оценок, осуществляемые различными способами: одни показатели можно заменить их статистически обобщенными оценками, вместо комплекса других показателей можно взять коррелируемый с ними показатель и т. д. Например, различные параметры экзогенные геологических процессов могут быть замещены разработанным во ВСЕГИНГЕО показателем «геодинамического потенциала» геосистемы, а их воздействие — «коэффициентом норажен-ности» территории парагенетнческим комплексом этих процессов.

В итоге можно выйти на верхний уровень КИО, которая представляется многомерным вектором оценок, выписанных в строчку, или даже каким-либо одним показателем. Следует отметить, что выход на единый показатель может быть осуществлен лишь на основе полного анализа первичной матрицы КИО в виде некоторой экспертной оценки, сложный алгоритм построения которой должен быть предварительно обоснован.

Конкретный пример построения комплексной интегрйтив-ной оценки изменений геологической среды приведен при анализе национальной геосистемы СССР.

Глава 1.4. Стратегия защиты геологической среды

Содержательная схема организации защиты геологической среды изображена на рис. 3.

Среди основных принципов защиты, разрабатываемых в экологическом мониторинге (Епишин, 1982), можно выделить, конкретизируя их для литомониторинга, принципы: гомеостазиса, своевременности и специализации защиты по видам техногенных воздействий на среду, стадийности, Комплексности и оптимальности защиты, контроля эффективности защиты, геологического заповедника (заказника).

Следующий крупный блок стратегии составляют стадии и методы защиты, которые (разрабатываются и типологизи-руются с целью дальнейшего комплексирования методов защиты по стадиям. 14

Стадии защиты геологической среды определяются этапами: предстроителшым (П), строительным (С), эксплуатационным (Э) и ликвидационным (Л). Предстроительный этап включает подстадии программирования, планирования и проектирования. Строительный этап подразделяется на стадию подготовки, куда, в частности, могут входить мероприятия по восстановлению нарушенных территорий, и собственно строительную. Стадии эксплуатации и ликвидации сооружения (комплекса сооружений) соответствуют одноименным этапам. Особая роль и значение в аспекте литомониторинга принадлежит рекультивации геологической среды на стадиях строительства, эксплуатации и ликвидации.

Среди методов защиты геологической среды можно выделить типы: инженерной, технологической, физико-химической защиты; мелиорации грунтов; горнотехнической, гидротехнической, агролесомелиоративной, биологической рекультивации; дезактивации горных пород и почв; литоэкологической защиты.

Важнейшей частью стратегии является комплексирование защитных мероприятий по стадиям защиты на основе критериев выбора. В работе приведена кодированная матрица комплексирования мероприятий по стадиям.

Наконец, третий блок стратегии включает контроль эффективности защиты геологической среды, требующий оценки защитных мероприятий по критериям: общей эффективности защиты (для геосистемы в целом); специальной эффективности защиты (для конкретных видов техногенных воздействий) ; эффективности комплексирования методов защиты; эффективности защиты во времени (в ¡кратко- и долгосрочной перспективе); экономической эффективности (оптимальности); эстетичности защиты. При необходимости в защитный комплекс на основе данных режимных наблюдений вносятся коррективы на соответствующих стадиях. Именно здесь и возникают отдельные моменты, связанные уже с управлением изменениями геологической среды.

ЧАСТЬ 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕГИОНАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Во второй части работы выполнен анализ глобальной, национальной и региональной геосистем. Глобальный уро-16

вень задается в виде «рамки» для геосистем низших рангов. Национальный (межрегиональный) уровень геосистемы СССР позволяет разрабатывать теоретические и методические вопросы ситуационного анализа и комплексной интегра-тивной оценки изменений геологической среды. Региональная геосистема рассматривается на примере Нижнего Поволжья.

Глава 2.1. Геосистема глобального уровня

Структура глобальной геосистемы рассматривается в геологическом, климатическом и техногенном аспектах, что дает возможность в общем виде оценить изменения теосреды Земли под влиянием деятельности человека (табл. 1).

Таблица 1

Геотектонические структуры

Климатические зоны Платформы Орогены

Индустриальные Аграрные Неос поенные Ипду-стри-аль-ные . Аграрные Неосвоенные

Криолнтозона: сплошная островная Зона талых пород: гумидная аридная

Итого (тыс. км2)

2 —

400 700

2500 1400 4302

5800 6700 13200

26500 12800

15000 25000 79300

1

200

800 1700 2701

300

2600 4100 7000

12000 13000

2500 15000 42500

В работе приведена карта-схема и графовая модель структуры. Масштаб схемы позволяет выделить лишь наиболее крупные структурно-тектонические элементы земной коры, основные климатические зоны, а также техногенные системы по преобладающим типам хозяйственной деятельности: индустриальные и аграрные. По существу, табл. 1 является частотной характеристикой типов техногенных воздействий на геологическую среду (глобальную геосистему). Даже простейшие балансовые расчеты дают важную информацию для программирования глобального литомониторинга и территориальных критериев размещения материально-технических средств международных организаций.

Глава 2.2. Геосистема национального уровня

Структура геосистемы СССР представлена в работе картографической схемой с легендой и экспликацией, а также графовой моделью. Для деления геосистемы в геологическом аспекте принят? схема инженерно-геологического районирования территории СССР (1978), в климатическом аспекте — схема зонально-климатического районирования территории СССР (1983).

Техногенные комплексы типологизированы в функциональном аспекте на горнодобывающие (ГДК), градопромыш-ленные (ГПК), гидротехнические (ГТК) и агромелиоративные (АМК), а также лесохозяйственные (ЛХК),. линейно-транспортные (ЛТК) и рекреационные (РК). Воздействие пересекающихся по площади эксплуатируемых техногенных комплексов на геологическую среду можно охарактеризовать посредством комплексной интелративной оценки (КИО), в качестве которой принят 23-мерный вектор, построенный по принципу избыточности — некоторые показатели (переменные) являются зависимыми между собой (табл. 2). Частные количественные оценки, как и общие по ПТС, являются непосредственно измеряемыми. Интегративная экспертная оценка строилась следующим образом. По каждой из оценок Хз, Х4, ..., Хгз было проведено соответствующее ранжирование. Затем была разработана программа разбиения всего набора векторов Хз, X*, ..., Х2з, составленных для каждой области СССР, на группы. В результате машинной обработки массива векторов он был разбит на 7 групп, получивших интегративную оценку Х[ от 7 (наиболее интенсивные изменения) до 1 (наименьшие изменения). Семи группам КИО были поставлены в соответствие семь типов техногенных изменений национальной геосистемы, закартированных в масшабе 1 : 10000000.

Затем осуществлено взаимное наложение картографических схем национальной геосистемы, построенных а техногенном, геологическом и климатическом аспектах.

& итоге каждый элемент геосистемы получает выход на характеристику ее функционирования. Основываясь на разработанных различными авторами классификациях инженерно-геологических процессов, можио представить функционирование геосистемы как изменения основных — в аспекте программирования литомониторинга — компонентов геологической среды в следующем виде (табл. 3).

Вектор оценок X = (X,, х2, хз, ..., х8, Хд, ..., Х28)

Тип оценки Содержание оценки

Экспертная X, интегративная экспертная оценка

Балльная Х2 балльная экспертная оценка

Количественная, общая по ПТС Хз х4 х5 Х6 Х7 х8 — плотность энергопотребления, т. кВт • чел/км2 суммарная плотность инфраструктуры, км/1000 км2 •плотность населения, чел/км2 период инженерно-хозяйственного освоения, лет денудационно-аккумулятивный баланс, км3/км3 энергетический баланс, Дж

гдк Х9 Хю х„ Хи — относительная площадь нарушенных зе. мель, % объемы перемещенных пород, млн мЗ/Ю-4 км2 объемы добытых жидких (газ.) ископаемых, млрд мЗ глубина разработки ОТКРЫТ0Й. м подземной, км

ГПК Х13 Х,4 — относительная площадь городских территорий, % плотность городского населения, чел/км2

ная, частная по техногенным подсистемам ГТК Х15 Х16 х„ Х18 — относительная площадь затопленных земель, % объем перемещенных пород, млн м3 величина переработки берегов, м3/пог. м относительная площадь развития подпора, %

АМК Х19 Х20 Х21 — относительная площадь мелиорированных земель, % относительная площадь земель с неудовлетворительным мелиоративным состоянием, % относительная площадь подтопленных территорий, %

ЛТК Х22 Х23 — плотность железных дорог, км/1000 км2 плотность шоссейных дорог, км/ЮОО км2 19

Компоненты Техногенные изменения Позицион-

геосреды геологической среды ный код

Горные породы (талые)

Горные породы (мерзлые)

Разуплотнение пород 100000

Искусственный литогенез 100000

Гравитационное уплотнение пород ЮОООО

Просадки лессовых пород ЮОООО

Обвально-оползневые и эрозигашо- ЮОООО абразионные деформации склонов и

откосов________

Техногенный карст, суффозия ОЮООО

Морозное пучение пород 010000

Формирование искусственных нале- О'ЮООО дей

Осадка оттаявших пород ОЮООО

Термокарстовые просадки 010000

Течение оттаявших пород ОЮООО

Термоэрозия (гермоабразия) пород_ОЮООО

Подземные воды

Подтопление и заболачивание тер- ООЮдО риторий

Понижение уровня подземных вод 001000

Изменение режима подземных вод 001000

Истощение запасов подземных вод 001000

Прорывы плывунов и подземных вод 001000

Загрязнение подземных вод_001000

Рельеф

Оседание поверхности ООО 100

Нивелирование рельефа 000100

Создание искусственных отрицатель- ООО 100 ных форм рельефа Создание искусственных положитель- ОООЮО ных форм рельефа

Формирование искусственного мик- 000100 рорельефа

Изменение рельефа склонов и отжо- ОООЮО сов

Почвы Эрозия почв 000010

Изменение механического состава ООООЮ

почв

Изменение структуры почв 000010

Рассоление почв ООООЮ

Засоление почв ООООЮ

Искусственное почвообразование ООООЮ

Энергетические поля

Изменение гравитационного поля 000001

Изменение геоэлектрического поля 000001

Изменение геомагнитного поля 000001

Изменение геотермического поля 000001

Изменение поля' радиоактивности 000001

Изменение сейсмических напряжений 000001

Использование табл. 3 в качестве ключа к позиционному коду позволяет -перейти к составлению общей типологии техногенных изменений геологической среды, выраженной в цифровом коде (табл. 4). Она позволяет нам,- во-первых, получить балльную оценку (Х2). изменений геологической среды для "различных типов геосистем. Во-вторых, она содержит прогнозную информацию, поскольку составлена «по максимуму». Прогнозирование развития тех или иных инженерно-геологических процессов на планируемых к освоению территориях осуществляется по методу аналогии. В-третьих, анализ типологич'еских рядов таблицы позволяет установить фиксированное количество типо^ геосистем СССР, каждому из которых соответствует определенный по составу и структуре парагенетический комплекс геологических процессов. Наконец, можно оценить интенсивность изменений геологической среды для различных геосистем: например, максимальные изменения связаны с градопромышленным -и горнодобывающим комплексами, действующим]! в зоне островной мерзлоты.

Полученные в результате анализа геосистемы СССР материалы являются основой для программирования национального литомониторинга, а также для государственного планирования и финансирования мероприятий по 'защите геологической среды. ' -

Перевод результатов натурных режимных наблюдений в балльные оценки ' изменений геологической среды является частным,- но важным случаем генерализации КИО. Единая для всех иерархических уровней типология геосистем по при-родно-техногенным характеристикам включена как фундаментальная в концепцию литомониторинга.

Глава 2.3. Геосистема регионального уровня

Анализ, и оценка изменений, геологической среды выполнены «а примере региона Нижнего Поволжья, территория которого характеризуется весьма сложными инженерно-геологическими условиями, требующими детального изучения этой крупной природно-техннческой системы (ПТС).

Структура ПТС рассматривается по 5 геологическим, климатическим и техногенным признакам (табл. 5), которые отражены на картографической схеме и графовой модели.

Общая типология техногенных изменений геологической среды

(в цифровом коде)

Природные Платформы Орогены

и техноген- Криолитозона Талая зона Криолитозона Талая зона

ные подсистемы Сплошная (Островная Гумидная Аридная Сплошная | Островная Гумидная Аридная

Градопро- MiMOl Id 1101 101101 101101 111101 Ш101 101101 Ю'1'101

мышлен- 111/101 111101 101101 101,101 111101 111101 101.101 101101

ный ком- 111101 lili 101 101101 10M01 111101 111 ЮГ 101101 101101

плекс 0Г1101 111101 001101 101101 01.M01 M:MOI OOMOl 101101

ОМ 101 11.1101 ЮГ 101 101101 011101 01 1101 101101 101101 2Ó8

011110 27 1111 ю 30 101110 23 101110 24 orino 27 .111110 30 101110 23 101110 24

Горнодо- 110101 110101 100101 100101 110101 Г10101 100101 100101

бывающий 1М0М 11 1011 101011 101011 111011 1110М 101011Г 10101,'1

комплекс 1 ШИН 11Ш1 1011 м 101111 МММ 11111.1 10 Ш1 101111

011101 Г11101 oomoi 101101 011101 111101 001101 lOlilOl

1111001 Ш001 101001 10Ю01 111001 11100)1 101001 101001

ооию 26 ionio 28 101110 22 ÍOMIO 23 ООП ir 27 ЮМ ы 29 ЮН 11 23' ■101111 24 202

Гидротех- Ш001 llllOOl 101001 101001 111101 111101 101101 101101

нический 11010(1 110101 100101 100101 110101 110100 100100 lOOlOlí

комплекс ll'lilOO 111.100 101100 101100 гшоо 1.11100 101100 10110Ó

010101 110101 OOOllOl 100101 010101 110101 000101 100101

Ol'OlOO MOOOO 100000 100000 010100 110000 100000 100000

OlililOO 20 111100 22 101100 15 101)100 16 011101 22 шюг 23 101101 16_ 101101 18 152

Агромелио- M0010 M0010 1000-Ю 101010 110Q10 110010 100010 101010

ративный : 011110 011110 OOllilO 000110 011110 011110 0011,10 000110

комплекс 001010 001010 001010 001010 001010 001010 001010 001010

010001 .MOOlH 000001 .100011 010001 Í10011 000001 100011

010100 010110 ооогоо 0001И0 OIOIOO 010110 000100 000110

001010 1'5 001010 18 101010 12 101010 15 001010 15 001010 18 101010 12 101010 15 120

Итого 88 98 72 78 91 юо 74 81

Аспекты декомпозиции Иерархические уровни деком'позиции Аспектизированные подсистемы и элементы ПТС Позиционный код

1 9 3 4

Структурно-тектонический (уровень ¡) Волго-Уральскзя аитеклиза Воронежская аитеклиза Приволжское поднятие Прикаспийская синеклиза Скифская плита 1000020000 30000 40000 50000

Регион ал ь-но-геологи-чсскпй Фор мац ионный (уровень 2) Терригенная красноцвет-ная формация, Pst Терригенная сероцветная формация, 1г.з — Ki Мергельно^меловая формация, Кг Терригенная формация, Р — N, Континента льно-морские отложения, N2 — Q 01000 02000 ОЭООО 04000 05000

Гидрогеологический (уровень 3)

Волго-Камский артезиан- 00100 ский бассейн

Сурско-Хоперский арте- 00200 зианский бассейн

Прикаспийский артезиан- 00300 ский бассейн

Донецко-Донской арте- 00400 зианский бассейн

Ергенинский артезиан- 00500

ский бассейн

Восточно-Предкавкавский 00600 артезианский бассейн_

Зонально-климатический

Ландшафтно-кли-матический (уровень!)_

Лесостепная зона 00010 Степная зона 00020 Полупустынная зона_00030

Техногенный

Техногенный (уровень 1)

Горнодобывающий комплекс

Гидротехнический комплекс

Градопромышленный комплекс

Агр о м ел и ор атвв ны й ком -плекс

Лесохозяйственный комплекс

Линейно-транспортный комплекс

00001 00002 •

00003

00004

00005

Здесь все многообразие природных и техногенных ¡взаимодействий территориально сведено к выделению 73 типологизи-рованных районов, представленных в компактной матричной форме, которая легко расшифровывается по табл. 5. Например, код 15113 означает: 1 — Волго-Уральокая антеклиза, 5 — плиоцен-четвертичные отложения, 1 — Волго-Камский артезианский бассейн, 1 — лесостепная зона, 3 — градопромыш-ленный комплекс. Кодирование информации позволяет алгоритмизировать ее использование с помощью ЭВМ.

Каждый из районов на основе данных о развитии геологических процессов может быть охарактеризован балльной оценкой по табл. 4. К примеру, изменения геологической среды в районе 15113 оцениваются в 24 балла, в районе 35422 — 1В 16 баллов и т. д.

Комплексная интегратнвная оценка по вектору (табл. 2) изменения геологической среды в регионе относит к типу 5. Частные количественные оценки приведены в табл. 6.

Анализ функционирования ПТС Нижнего Поволжья позволил выявить недостатки как в организации, размещении и составе сети режимных наблюдений за развитием геологических процессов, так и в осуществлении защитных мероприятий. На ликвидацию этих ¡недостатков и была направлена составленная в 1978 году «Программа работ по изучению экзогенных геологических процессов на территории Нижнего Поволжья» (автором разработана инженерно-геологическая часть программы). Реализация ее дала возможность оптимизировать наблюдательную сеть, унифицировать методику наблюдений и способы обработки информации, комплексиро-вать противооползневые и берегоукрепительные мероприятия по стадиям технологического цикла.

Таблица 6

Тип оценки Содержание оценки, единица измерения Кол-во

I 2 3

Общие Плотность энергопотребления, т кВт-ч • чел/км2 Суммарная плотность инфраструктуры, км/1000 км Плотность населения, чел/км2 157,00 120,00 30,00

Относительная площадь нарушенных земель, % 0,13

Продолжений таб. 6

2 3

Объемы перемещенных пород, 2,00 млн м3/104 км2

ГДК Объемы добытых жидких (газообраз- 440,00 пых) полезных ископаемых, млн м3 Глубина разработки:

открытой, м 30,00

подземной, км 5,60

Частные

Относительная площадь городских 0,5*8

ГПК территорий, % 20,00

Плотность городского населения,

чел/км2

Относительная площадь затопления 1,30

земель, %

Объем перемещенных пород, млн м3 490,00

ГТК Величина переработки берегов, м3/пог. м 32,00

Относительная площадь развития 2,60

подпора-, %

Относительная площадь орошаемых 4,20

земель, %

Относительная площадь земель с 16,00

АМК неудовлетворительным мелиоративным состоянием, %

Относительная площадь подтопленных 0,15 _территорий, %_

Плотность железных дорог, 12,00 ЛТК км/1000 км2

Плотность шоссейных дорог, 80,00 км/1000 км2

ЧАСТЬ 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Анализ и оценка локальных геосистем выполняются по конкретным техногенным комплексам и целиком построены на результатах режимных наблюдений. Описание всех техногенных комплексов Нижнего Поволжья проводится в работе по единой схеме, включающей'- детальный анализ развития геологических процессов; характеристику эксплуатируемой (н проектируемой) сети натурных режимных наблюдений; выбор и ранжирование показателей оценок изменений геосреды; кодирование подсистем и элементов; построение

легенды, картографической схемы локальной геосистемы и экспликации к ней; построение графа структуры геосистемы; комплексную интегративяую оценку техногенных изменений геологической среды и требования к ее защите.

Глава 3.1. Гидротехнический комплекс (ГТК)

Инженерно-геологический анализ геосистемы ГТК основывается на учете фактических характеристик процессов формирования берегов водохранилища и подпора грунтовых вод. Эти процессы активно развиваются на протяжении ряда лет. При этом не наблюдается прогнозированного затухания размыва левого берега, сложенного хвалынскими глинами. Величина переработки здесь на отдельных участках превысила 200 м при высоте берегового уступа 1—3 м. Это привело к уничтожению огромных площадей наиболее ценных земель, переносу населенных пунктов, что имеет отрицательные социально-экономические последствия.

Величина подпора подземных вод в Заволжье, распространенного на расстоянии до 20—30 км от уреза, -местами достигает 18 м, что при осуществлении широкомасштабного орошения земель приводит к смыканию инфильтрующих поливных и грунтовых вод, выходу из эксплуатации цепных угодий.

Результаты многолетних режимных наблюдений обработаны методами корреляционного и регрессионного анализа, что позволило выявить степень влияния каждого из факторов процесса переработки берегов, водохранилища (Экзарьян, 1975). Информативность и выбор факторов определялись с помощью количественной оценки их влияния на процесс формирования берегов по каждому наблюдательному створу. Затем нами проведено ранжирование характеристик факторов и процесса формирования берегов (табл. 7).

Результаты анализа геосистемы ГТК Волгоградского водохранилища приведены в работе на картографической схеме масштаба. 1 : 10000, экспликации к ней с характеристикой наблюдательной сети, оценок и защиты геологической среды, а также на графе структуры ГТК-

С помощью кодирования участков выделены их типы по 5 признакам. Например, код 42352 несет следующую информацию об участке: 4 — величина абразии (В) 50—70 м; 2 — коэффициент размываемости пород (Кр) 0,0030—0,0010 м3/Дж; 3 — энергия волнения (Е) 1500—2250 кДж; 5 — высота аб-26

разионного уступа (Н) 7—10 м; 2 — величина подпора грунтовых вод (Н„) 5—10 м.

Таблица 7

Содержательная характеристика типа участка (элемента геосистемы) Ранжирование показателя Позиционный код

Величина абразии за период наблюдений В, м Менее 10 10—30 30—50 50—70 70—100 Более 100 10000 20000 ЗОООО 40000 50000 60000

Коэффициент размываемости пород К,, , мЗ/Дж 0,0065—0,0030 0,0030—0,0010 0,0010—0,0005 Менее 0,0005 01000 02000 03000 04000

Энергия волнения Е, кДж 250—750 750—1500 1500—2250 . 2250—3000 3000-3750 3750—4500 00100 00200 00300 00400 00500 00600

Высота абразионного уступа Н, м 0—1 1—3 3—5 5—7 7—10 10—20 Более 20 00010 00020 . 00030 00040 ; 00050 00060 00070

Величина подпора грунтовых вод Нв, м 0^5 5—10 10—15 15—20 Более 20 00001 00002 00003 00004 00005

Такая типологизация позволила установить пространственную изменчивость факторов процессов и оценить некоторые параметры их развития (табл. 8).

Оценки изменений

Код участка

Величина абразии, м

Объем размытых пород, м3/м

Величина подпора, м

Прогноз переработки берегов на 1971—1990 гг., м

1(1211 1Э1Э1 22243 22262 22352 23242 23351 31253 42233 52224

6 4 12

13

14 18 11 40 62 97

16 20 61 156 172 108 165 560 372 485

0—5

0-5

0—5

0-5

0—5

О—5

0—5

5-10

5—10

5—10

20 20 20 20 20 20 20 21—35 36—50 65

Она может быть проведена как для какой-либо зоны водохранилища, так и для Волжского или любого другого каскада. С помощью цифрового кода легко можно заложить информацию об участках, обработать и получить ее, применяя ЭВМ. Выделенные при этом участки являются необходимыми элементами для организации сети локального лито-мониторинга с целью наблюдений, , прогнозирования, а в дальнейшем и управления процессом формирования берегов водохранилищ.

Глава 3.2. Градопромышленный комплекс (ГПК)

Оценка изменений геологической среды ГПК Волгограда базируется на анализе результатов режимных наблюдений за развитием оползней, эрозии, подтопления, осадок сооруг жений.

В работе приведен обширный фактический материал, отражающий техногенные изменения рельефа, горных пород, гидрогеологических и геодинамических условий. Этот материал обработан на базе разрабатываемых нами теоретических построений.

Анализ ПТС Волгограда выполнен с учетом функциональной структуры города и геологических факторов (табл. 9). 28

Результаты анализа, по аналогии с ГТК, представлены в форме графа.

Таблица 9

Содержательная характеристика декомпозиции

Подсистемы ПТС

Позиционный код

Вид функционального использования

Селитебная зона: одноэтажная многоэтажная Промышленная зона: с «мокрой» технологией с «сухой» технологией Коммунально-складская зона Зона внешнего транспорта Рекреационная зона

1 ООО

2000

3000 4ЙОО 5000 6000 7000

Геолого-геоморфологическое строение

Склон Приволжской возвышенности 0100

Абразионная терраса 0200

Аккумулятивная терраса ОЗОО

Волго-Ахтубинекая пойма 0400

Глубина уровия грун- 0—3 м 0010

товых вод 3—10 м 0020

Свыше 10 м 0030

Геологические про- Осадка сооружений 0001

цессы Оползни 0002

Эрозия 0003

Просадка 0004

Подтопление 0005

Отдельные количественные оценки изменений геологической среды приведены в табл. 10.

Установлены некоторые закономерности развития геологических процессов. Так, на территории Волгоградского ГПК выявлена взаимосвязь процесса подтопления как с природными факторами (литология, рельеф и др.), так и техногенными факторами, в частности, с типом застройки. Выявлены закономерности пространственного размещения оползней в связи с положением подошвы хвалынских глин относительно уреза р. Волги и развитием процесса подтопления в майкопских глинах. Установлено возрастание эрозии берегов р. Волги после создания водохранилища, хотя предполагалось ослабление этого процесса в связи с зарегулированием стока. В то же время вдвое снизилась эрозионная расчлененность города в связи с замывом оврагов.

Компоненты геологической среды

Показатель изменения

Кол-по

Горные породы

Выемки горных пород, млн м3 30,00 Отвалы пород, насыпи, дамбы, млн м3 12,00

Гравитационное уплотнение (на пло- 130,00 щади), км2

Просадки под застройкой (на пло- 6,00 щади), км2

Эрозйонло-оползневые процессы; км2 28,00

Подземные воды

Подтопление территории, км2 80,00

Максимальный подъем УГВ, м 18,00

Изменение режима и загрязнение 300,00 подземных вод, км2

Рельеф

Модуль эрозионной расчлененности:

30-е годы 1,57

80-е годы 0,87 Модуль дреннрованности:

30-е годы 38,08

80-е годы 20,01

Энергетические поля

Техногенная тепловая энергия, 106

Дж/м2-год

Плотность искусственного электриче- 4

ского 'ПОЛЯ, А/м2

Обобщенные (в системе КИО) оценки изменений геологической среды города приведены в работе по типам участков, выделенным на основе учета как геологических, так и техногенных факторов. Такой анализ дает возможность корректировки и дальнейшего развития программы литомонито-ринга ПТС Волгограда как составной части региональной программы контроля и защиты геологической среды.

Глава 3.3. Агромелиоративный комплекс (АМК)

Анализ и оценка функционирования оросительных систем региона осуществляется по аналогии с другими техногенными комплексами. Декомпозиция геосистем АМК выполнена в аспектах, характеризующих дренированность территории, режим подземных вод, геофильтрационную схему, уровень и минерализацию грунтовых вод.

По типам элементов геосистемы проведена оценка изменений геологической среды в границах АМК (в параметрических величинах и в баллах) в зависимости от способа по-

лива, водоподачи, состава сельскохозяйственных культур, наличия дренажа и других техногенных характеристик. Для территории Волгоградского Заволжья, где выделяются сла-бодренированная песчаная гряда (тип элемента III) и бессточная хвалынская равнина (тип элемента V), генерализованная оценка изменений представлена в табл. 11.

Таблица 11

Способ полива

Интенсивность изменений, баллы

Тип 111 Тип V

Дождевание .3 '5'

Поверхностный полив -5 7

Затопление лиманов — , 6

Аэрозольное орошение 0 ' 2

ЧАСТЬ 4. ПРОГНОЗЫ ИЗМЕНЕНИЙ И ЗАЩИТА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Глава 4.1. Прогнозирование изменений геологической среды

Функции и место прогнозов в структуре литомониторинга (рис. 2) существенно изменили их характер и значение. Конечная цель литомониторинга — управление состоянием геологической среды — позволяет в некоторых случаях свести процедуру прогнозирования до минимума, ибо выполненная по полному алгоритму КИО позволяет эффективно проектировать комплекс защитных мероприятий. Значение прогнозов возрастает в направлении от глобального к локальному и элементарному уровням.

Выполненные по региону прогнозы включают геодинамическое картирование всей площади ПТС Нижнего Поволжья по методу ВСЕГИНГЕО (1976), а также локальные прогнозы развития оползней, эрозии, переработки берегов водохранилищ, подъема грунтовых вод. В работе приведены разработанные автором прогнозные стохастические модели оползневых процессов и выполненные совместно с В. К. Цветковым (1979) прогнозные расчеты изменения коэффициента запаса устойчивости оползневых склонов. Кроме того, использованы прогнозы переработки берегов и подъема грун-

товых вод ¡при орошении, разработанные по региону другими авторами. На основе фактических данных режимных наблюдений установлена различная степень оправдываемости сост авленных прогнозов.

В общем виде алгоритм прогнозирования в системе лито-мониторинга выглядит следующим образом:

1) определение целей, сроков и точности прогнозов;

2) построение содержательной модели процесса, выбор прогнозируемых параметров и характеристик факторов ¡процесса;

3) обработка данных наблюдений и построение прогнозной математической модели процесса;

4) нахождение с помощью ЭВМ явного вида функции прогнозного уравнения на заданный период;

5) получение на основе этого уравнения численных результатов прогноза на требуемый срок;

6) систематическая корректировка прогнозного уравнения по мере поступления результатов наблюдений, в том числе по сходимости прогнозных и фактических данных;

7) корректировка численных результатов прогноза на требуемый срок на основе нового прогнозного уравнения;

8) оперативная выдача численных прогнозов на любой срак с необходимой точностью прогноза.

Глава 4.2. Программа регионального литомониторинга

Основными направлениями изучения региональных изменений геологической среды в Нижнем Поволжье являются изучение механизма и динамики оползней, формирования берегов водохранилищ, эрозии, подтопления территорий и других процессов на базе развития сети и состава режимных наблюдений, а также создание автоматизированной информационной системы (АИС) литомониторинга. В работе приведено описание методики наблюдений за развитием геологических процессов и основные характеристики АИС.

Для разработки в полном объеме программы литомониторинга как системы контроля и управления региональной ПТС, помимо объектных, необходимо решить также органи-зационно-деятельностные задачи. К ним относятся: типоло-гизация основных предметно-дисциплинарных и профессиональных позиций в системе литомониторинга; поиски и организация кооперативных и коммуникативных связей между позиционерами; комплексная организация научных исследований 33-

и планирования (изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации и ликвидации техногенных комплексов), контроля и управления изменениями геологической среды; системная организация руководства и управления проектируемыми, строящимися и эксплуатируемыми ПТС.

Полное развертывание. системы регионального литомони-торинга требует также унифицировать методику и стандартизировать оборудование для НРН, запроектировать каналы информационной связи, а также реализовать стратегию защиты геологической среды в регионе.

Глава 4.3. Примеры защитных мероприятий

В этом разделе работы даны оценка эффективности и критический анализ мероприятий по защите геологической среды.

Одной из крупнейших в регионе является Генеральная схема берегоукрепительных и противооползневых работ в г. Волгограде, охватывающая правый берег р.-Волги от Волгоградской ГЭС до Волго-Донского судоходного канала : им. В. И. Ленина. Схема является 'комплексной и учитывает разработку противооползневых мероприятий в комплексе.с береговым укреплением на участках береговой полосы, подверженных активным оползневым деформациям и интенсивному размыву в нижнем бьефе Волгоградского водохранилища.

Кроме того, в границах городов и важных инженерных сооружений ведется борьба с процессами переработки берегов, подпора грунтовых вод и овражной эрозией, осуществляются дренажные работы, рекультивация земель,, защитные мероприятия по трассам и другие, технология и эффективность которых рассмотрена на конкретных примерах.

К основным недостаткам существующей защиты геологической среды относятся-' отсутствие единой стратегии, тактики и техники защиты; нарушение основных принципов защиты; несовершенство комплексности и стадийности защиты; несвоевременность и высокая стоимость защиты; недостаточная эффективность защиты (по комплексу критериев); неполнота защиты; отсутствие профилактических мероприятий; недостатки организационно-деятельностной структуры (ведомственность, территориальность и т. п.). Все это делает неотложной задачу введения региональной системы литомоииторинга по полной программе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге выполнения диссертационной работы получены следующие теоретические, методические и практические результаты разработки геосистемной концепции контроля и защиты геологической среды:

1. Для обоснования концепции литомониторинга осуществлено комплексирование программно-целевого и геосистемного подходов на пяти иерархических уровнях: глобальном— межрегиональном (национальном) — региональном — локальном — элементарном.

2. Разработана методика программирования литомониторинга и структура комплексной целевой программы контроля и управления изменениями геологической оредьг.

3. Разработана концепция комплексной интегративной оценки природно-техногенпых изменений геологической среды: комплексная — по всем защищаемым компонентам геологической среды, интегративная — по всем параметрам процессов и уровням геосистем. Это позволяет объективно сопоставлять масштабы и интенсивность воздействия техногенных комплексов в различных геолого-климатических условиях и целенаправленно программировать работы по контролю и защите геологической среды.

К практическим результатам работы относится выполненная автором оценка природно-техногенных изменений геологической среды на примере конкретных геосистем — глобальной (в общем виде), национальной, региональной (по территории Нижнего Поволжья) и локальных природно-техниче-ских систем градопромышленного, гидротехнического и агромелиоративного комплексов.

4. Выполнен инженерно-геологический, анализ геосистем различных иерархических уровней в геологическом, климатическом и техногенном аспектах. Полученные при этом документы — макеты, легенды, экспликации карт, графы, коды — являются машинно-ориентированными и могут непосредственно использоваться в работе АИС.

5. На основе разработанной общей типологии техногенных изменений геологической среды установлены основные закономерности этих изменений, отражающие зависимость состава и структуры парагенетического комплекса геологических процессов от типа геосистемы, формируемого суммарным воздействием техногенных, геологических и климатических факторов.

Детально охарактеризованы региональные закономерности развития оползней, эрозии, формирования берегов водохранилищ, подтопления населенных пунктов и орошаемых земель.

6. Разработана стратегия защиты геологической среды,

базирующаяся на геосистемных картах и включающая: 1) методологические подходы и принципы, 2) стадии и методы защиты, 3) комплектование методов по стадиям, 4) контроль эффективности защиты геологической среды.

Таким, образом, в диссертации впервые методологически разработана и доведена до практического использования концепция литомониторинга как системы контроля и защиты геологической среды.

Теоретические и методические положения, разработанные в диссертационной работе, могут быть использованы: в сфере геологии при разработке национальной программы «Литомониторинг СССР», региональных и локальных программ'."контроля и защиты геологической среды;

в сфере мелиорации для повышения эффективности контроля и оценки мелиоративного состояния орошаемых и осушаемых земель и разработки защитных мероприятий; • центральными и местными планирующими органами при разработке национальных и региональных комплексных схем рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды;

при разработке программы глобального литомониторинга, которая должна выполняться в кооперации с международными организациями.

Кроме того, основные результаты теоретических исследований и программно-целевых разработок могут быть использованы в учебных курсах по соответствующим специальностям.

Наконец, результаты выполненных исследований и разработок могут применяться специалистами по экологическому и другим подсистемам мониторинга окружающей среды, работающими в кооперации и соорганизации с программистами литомониторинга.

Список публикаций, отражающих содержание диссертации

1. Влияние набухания хвалынских глин на возникновение оползней в г. Волгограде: Строительство на набухающих грунтах. М„ 1972. С. 134—135.

2. Деформации берегового склона р. Волги в связи с про- цессом подтопления территории г. Волгограда: Проблемы

прогнозирования повышения уровня грунтовых вод на застроенных территориях и борьбы с их подтоплением. Белго-" род, 1972. С. 83—85. -

3. Районирование территории Волгограской области по условиям формирования режима подземных вод и инженерно-геологических процессов//Труды ВСЕГИНГЕО, вып. 78. М,: 1974. С: 17—21.

4. Методика прогнозирования оползней, овязанных с речной эрозией: Оползни и борьба с ними. Кишинев: Штиинца, 1974. С. 80—83.

5. Основные закономерности формирования оползней в хвалынских" глинах и их прогнозирование: Автореф. дисс. канд. геол.-мин. наук. — М.., 1974. С. 26.

6. Прогнозирование оползневых процессов в хвалынских глинах: Вопросы изучения режима подземных вод и инженерно-геологических процессов//Труды 'ВСЕГИНГЕО, выи. 103. М., 1975: С.: 63—68.

7. Направление изменений . инженерно-геодинамических условий г. Волгограда: Вопросы изучения режима подземных вод и инженерно-геологических процессов//Труды

' ВСЕГИНГЕО, вып. 108. М„ 1976. С. 77—81.

8. Инженерно-геологические системы//Известия ВУЗов.— Геология и разведка, 1977, № 10. — Деп, ,в ВИНИТИ, рег:.№ 2425—77 от 22 июня 1977. С. 12.

'9. Влияние деятельности человека на режим подземных вод: Рациональное использование и охрана подземных вод Волгоградской области. Волгоград, 1977. С. 36—39 (в соавт).

10. Инженерно-геологическая оценка техногенных изменений геосреды//Известия ВУЗов. — Геология и разведка, 1977, № 10. — Деп. в ВИНИТИ, per. № 2424—77 от 22 июня

1977. С. 13.

11. К вопросу о самоподтоплении Волгограда: Вопросы инженерной геологии, проектирования и строительства оснований и фундаментов в Волгоградском Поволжье. Волгоград,

1978. С. 74—77.

12. Инженерно-геодинамические процессы в Нижнем Поволжье, их прогнозирование и защитные мероприятия//Известия ВУЗов,-— Геология и разведка, 1978, № 3. — Деп. в ВИНИТИ, per. № 334—78 от 30 января 1978. С. 52.

13. Изучение изменений инженерно-геологических и гидрогеологических условий застроенных территорий: Инженерно-36

строительные изыскания // Сб. статей № 4/52. М.: Стройиздат, 1978. С. 3—11.

14. Принцип системности в инженерно-геологическом прогнозировании//Экспресс-информация ВИЭМС. Гидрогеология и инженерная геология, вып. 6. М., 1979. С. 1—8.

15. Изменения геосреды при создании водохранилищ: Размещение и перспективы создания новых водохранилищ. Водохранилища и окружающая среда. Черкассы, 1979. С. 97—100.

16. Изучение и прогноз .изменения гидрогеологических условий застроенных и осваиваемых территорий Нижнего Поволжья: Инженерно-строительные изыскания//Сб. статей № 1. М.: Стройиздат, 1979. С. 23—27 (в соавт.).

17. Опыт расчета устойчивости оползневых склонов с учетом коэффициента бокового распора//Экспресс-информация ВИЭМС. Гидрогеология и инженерная геология, вып. 5. М., 1980. С. 1—9 (в соавт.).

18. Литомониторинг городских агломераций Нижнего Поволжья: Режимные инженерно-геологические и гидрогеологические наблюдения в городах. М.: Наука, 1983. С. 83 (в соавт.).

19. Системный анализ глобальных изменений геологической среды//Известия ВУЗов. Геология и разведка, 1984, № 2. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 5241—83 от 20 сентября

1983. С. 17.

20. Инженерная геодинамика осваиваемых территорий: Воздействие хозяйственной деятельности на геосреду Нижнего Поволжья. Волгоград, 1984. С. 12—-16.

21. Концептуальная модель региональной природно-техни-ческой геосистемы//Известия ВУЗов. Геология и разведка,

1984, № 5. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 119—84 от 3 июля 1984. С. 16.

22. Воздействие инженерных мероприятий на подземные воды в Нижнем Поволжье: Воздействие хозяйственной деятельности на геосреду Нижнего Поволжья. Волгоград, 1984. С. 68—71.

23. Оптимизация сети и методики наблюдений за изменениями геосреды на орошаемых территориях: Информ. листок ЦНТИ. Волгоград, 1985. С. 3.

24. Взаимодействие гидромелиоративного комплекса и геологической среды (к методике изучения)// Гидротехника и мелиорация, 1985, № 2. С. 25—27.

25/Методика поисков подземных вод в Центральной Сахаре //Бюлл. МОИП, отд. геол., т. 60, вып. 3. М„ 1985. С. 147.

26. Декомпозиция и синтез геосистем для оценки и прогнозирования изменений геологической среды // Инженерная геология, 1985, № 3. С. 124—129.

27. Методические аспекты разработки литомониторинга // Известия ВУЗов. Геология и разведка, 1985, № 4. — Деп. в ВИНИТИ, per. № 1761—85 от 11 марта 1985. С. 27.

28. Принципы гидрогеологического районирования для целей охраны геологической среды // Известия ВУЗов Геология и разведка, 1985, № 12. С. 69—73.

29. Комплексное изучение природно-технических геосистем: Оптимизация, прогноз и охрана природной среды. М., 1986. С. 82—84.

30. Системно-аксиологическая концепция глобального литомониторинга'- Системный подход в геологии (теоретические и прикладные аспекты). Ч. III. М., 1986. С. 659—661 (в соавт.).

31. Охрана природы — наш долг//Проблемы защиты геосреды в Нижнем Поволжье. Волгоград: Н.-Волжское кн. нзд-во,- 1986 С. 142.

32. Контроль изменений геосреды при мелиорации земель: Проблемы мелиорации в связи с оптимизацией природопользования в условиях Нечерноземья Европейской части СССР. Л., 1986 (в соавт.).

33. Методологические основы программирования литомониторинга II Инженерная геология, 1987, № 6. С. 15—27.

34'. Мелиоративный мониторинг — система защиты окружающей среды//Мелиорация и водное хозяйство, 1988, № 6. С. 58—60.

35. Hydrotechnical construction and protection of the geological environment//Bull. IAEG, 20. Krefeld, 1979. P. 292—293.