Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние урбанизации на изменение строения и свойств геокриологической среды в Центральном Забайкалье

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние урбанизации на изменение строения и свойств геокриологической среды в Центральном Забайкалье"

На правах рукописи

Васютич Людмила Александровна

ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В ЦЕНТРАЛЬНОМ ЗАБАЙКАЛЬЕ (НА ПРИМЕРЕ Г. ЧИТА)

Специальность 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

2 5 I .АР 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Якутск - 2015

005561117

005561117

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения РАН (ИМЗ СО РАН) и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»).

Научный руководитель: Шестернёв Дмитрий Михайлович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Чеснокова Ирина Васильевна,

доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт водных проблем»

Хилимонюк Ванда Здиславовна,

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, доцент кафедры геокриологии, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт геоэкологии им. Е. М. Сергеева Российской академии наук» (ИГЭ РАН), г. Москва.

Защита диссертации состоится Л2015 г. в Стасов на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

Автореферат разослан чУЗу> марта 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолош-минералогических наук ' Н. А. Павлова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Экономическое развитие и хозяйственное освоение криолитозоны Центрального Забайкалья - два взаимообусловленных процесса, в результате которых за последние два столетия на его территории возникли и получили развитие несколько десятков городов. Территория наиболее крупного из них - г. Чита - 534 км2, население — более 330 тыс. человек. Анализ урбанистического развития территории города показывает, что на фоне несомненных достижений отмечаются случаи, когда непредвиденное изменение состава, строения и свойств геологической и геокриологической сред существенно снижает эффективность и безопасность использования элементов современной инфраструктуры города. В связи с этим выявление причин и закономерностей этих изменений, разработка мероприятий по их ликвидации актуальны, имеют научное и практическое значение.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных исследований РАН № 77: Проект ИМЗ СО РАН 77.2.4. «Криогенные и физико-химические процессы промерзающих и протаивающих пород и их воздействие на формирование и функционирование природно-технических систем криолитозоны в условиях изменения климата и техногенной нагрузки»; госбюджетными темами Забайкальского государственного университета: «Оценка антропогенных воздействий на геоэкологические условия урбанизированных территорий южной криолитозоны (на примере г. Чита)», государственный регистрационный № 01201066651; «Оценка влияния антропогенных воздействий на геологическую среду урбанизированных территорий южной криолитозоны в условиях глобального изменения климата (на примере г. Чита)», государственный регистрационный № 01201351117; государственным контрактом Минприроды Забайкальского края «Геолого-экологическое исследование на территории г. Чита с целью оценки антропогенного воздействия на окружающую среду», государственный регистрационный № 76-10-32.

Объект исследования: геокриологическая среда урбанизированной территории городского округа «Город Чита» в Забайкальском крае.

Предмет исследования: состав, строение и свойства геокриологической среды, тепловое и химическое загрязнение геологической и геокриологической сред на урбанизированной территории городского округа «Город Чита».

Цель исследования: изучение влияния урбанизации на изменение строения и свойств геокриологической среды для обеспечения технической и экологической безопасности функционирования инженерных объектов на урбанизированной территории (на примере г. Чита).

В соответствии с проблемой объектом, предметом и целью исследования определены постановка и решение следующих задач:

1) выявить влияние воздействий урбанизации на изменение состава, строения и свойств геокриологической среды (ГКС — часть геологической среды с отрицательными температурами) на территории городского округа «Город Чита»;

2) оценить влияние трансформации ГКС на формирование постгеокриологической среды (ПГКС), а также ее влияние на техническую надежность и экологическую безопасность природно-технических систем;

3) разработать мероприятия для обеспечения технической и экологической безопасности процессов урбанизации на основе инженерно-геологического районирования городского округа «Город Чита».

Научная новизна. В диссертационной работе на основе комплексного исследования получены следующие научно обоснованные положения, обладающие новизной:

1) выявлены и научно обоснованы три этапа формирования и трансформации ГКС г. Чита, расположенной в южной области криолитозоны, ретроспективно связанные с возрастающими темпами урбанизации территории и обусловленные изменением параметров, входящих в структуру радиационно-теплового баланса;

2) выявлен новый тренд изменения среднегодовых температур воздуха с конца XIX по начало XXI вв. для г. Чита, позволивший синхронизировать выделенные этапы урбанизации с периодами потепления климата;

3) на урбанизированной территории г. Чита для среднепериодическо-го климатического ритма (1976 — 2012 гг.) выполнена оценка взаимозависимости изменений температуры воздуха и температуры на подошве слоя сезонного оттаивания и промерзания грунта, характеризующаяся трендом (¿сгЛ): /сгА =0,064х-44,38 (где х - год), который позволяет с вероятностью 0,99 и коэффициентом корреляции 0,63 прогнозировать изменения температуры геологической среды;

4) установлено, что изменение климата и воздействие урбанизации на территории г. Чита обусловливают увеличение существующих и формирование новых путей транзита теплового и химического загрязнения подземной гидросферы, что увеличивает темпы трансформации геокриологической среды в постгеокриологическую;

5) выполнена оценка пригодности инженерно-геокриологических условий для развития территории городского округа «Город Чита»; разработана система рекомендаций и приемов управления состоянием и свойствами геокриологической среды для эффективного планирования и управления жизнедеятельностью на урбанизированной территории.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в возможности использования полученных закономерностей формирования и трансформации ГКС для обеспечения рационального функционирования урбанизированных территорий, расположенных в природных условиях, близких к природным условиям Центрального Забайкалья. В практическом отношении полученные результаты можно применять для обеспечения технической и экологической безопасности природно-технических систем (ПТС) путем разработки управляющих воздействий для предупреждения, управления или ликвидации причин снижения безопасности жизнедеятельности в ходе трансформации строения и свойств ГКС.

Результаты исследований переданы в Министерство природных ресурсов и экологии Забайкальского края для использования при разработке «Стратегии территориального планирования и градостроительного развития Забайкальского края с учетом особого периода 2009 — 2012 гг.». Картографическая модель «Инженерно-геологическое районирование городского округа "Город Чита" (масштаб 1:25 ООО)», разработанная с участием автора, использовалась ОАО «ЧитаАрхпроект» и ОАО «ГИПРОГОР» (г. Москва) при разработке «Генерального плана развития городского округа "Город Чита" на период до 2050 г. Теоретические положения и методические разработки диссертации используются в учебном процессе в Забайкальском государственном университете по направлению 130101 «Прикладная геология», специализация «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания».

Фактический материал и методы исследования. Диссертационная работа написана по результатам 10-летних исследований вещественного состава, строения и свойств геологической среды (ГС) урбанизированных территорий южной криолитозоны Забайкалья. В работе использованы собранные и систематизированные автором результаты наблюдений на метеостанциях Чита (№ 30758); Нерчинского Завода (№ 30879); Борзи (№ 30965); Хилка (№ 30844), а также имеющиеся сведения о ГКС г. Чита, содержащиеся в фондовых материалах ГУП «Забайкалгеомониторинг», ОАО «ЗабайкалТИСИЗ», ФГУГП «Читагеолсъемка».

Для реализации поставленных задач использовались современные экспериментальные (полевые и лабораторные исследования свойств грунтов), аналитические (статистическая оценка параметров, регрессионный анализ, корреляционяный анализ, построение поверхностей тренда) и камеральные методы. Их применение было направлено: на получение количественной и качественной информации, характеризующей изменения состава, строения и свойств ГКС; составление картографических моделей ГКС; разработку статистических моделей изменения температур воздуха

и грунтов; установление закономерностей изменений геокриологической среды и оценку их воздействия на элементы природно-технических систем.

Положения, выносимые на защиту.

1. История развития, степень урбанизации территории и изменение климата во взаимодействии являются ведущими факторами, определившими изменение состава, строения и свойств геокриологической среды на территории городского округа «Город Чита».

2. Наряду с известными интенсивными и экстенсивными факторами, влияющими на геокриологическую среду, пространственное размещение и типы природно-технических систем на каждом этапе урбанизации обусловливали соответствующее видоизменение поверхностной и внутригрунто-вой транспортировки теплового и химического загрязнения, определивших степень трансформации геокриологической среды, кинетику формирования постгеокриологической среды, влияние на надежность и экологическую безопасность природно-технических систем.

3. Инженерно-геологическое районирование городского округа «Город Чита», учитывающее региональные особенности трансформации геокриологической среды, позволило предложить методическую схему организации мониторинговых инженерно-геокриологических исследований и обосновать мероприятия для обеспечения технической и экологической безопасности процессов урбанизации.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяются:

- представительными объемами лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов, выполненных в сертифицированной лаборатории ОАО «ЗабайкалТИСИЗ»;

-эксшого-геохимическими исследованиями, выполненными на 530 пробах депонентов природной среды в сертифицированных лабораториях (ОАО Лабораторно-исследовательского центра по изучению минерального сырья; ФГУ «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Сибирскому федеральному округу»; «Центра лабораторного анализа и технических измерений по Восточно-Сибирскому региону»; Аналитического сертификационного испытательного центра Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН; ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Забайкальском крае»; ФГУ «Фонд гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций»);

— применением статистических методов обработки массивов инженерно-геологической, геокриологической и гидрогеологической информации, полученных по результатам мониторинговых исследований изменения окружающей среды на урбанизированной территории г. Чита;

- результатами мониторинговых исследований изменений гидродинамических и гидрогеохимических условий подземных вод на территории г. Чита в период 1957 - 2012 гг.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации апробированы на российских и международных конференциях, совещаниях и симпозиумах: «Кулагинские чтения» (г. Чита, 2005 -2014 гг.); «Гидрогеология, инженерная геология, геокриология и геоэкология Забайкалья и сопредельных территорий» (г. Чита, 2008 г.); «Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (г. Москва, 2008 г.); «Подземные воды востока России» (г. Тюмень, 2009 г.); «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (г. Мирный, 2011 г.); «Комплексные проблемы гидрогеологии» (г. Санкт-Петербург, 2011, 2013 гг.); «Экологические проблемы недропользования. Наука и образование» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); «Малышевские чтения» (г. Старый Оскол, 2013 г.); «Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование и практика» (г. Москва, 2013 г.); «III Всероссийский научный молодежный геокриологический форум» (г. Якутск, 2013 г.); «Безопасность жизнедеятельности предприятий в про-мышленно развитых регионах» (г. Кемерово, 2013 г.); «Развитие научных идей академика Е. М. Сергеева на современном этапе» (годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (г. Москва, 2014 г.); X Международный симпозиум по инженерному мерзлотоведению «Инженерно-геокриологические проблемы адаптации природно-технических систем к изменению климата» (г. Харбин, Китай, 2014 г.).

По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, защищаемые положения отражены в 6 статьях в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Фактический материал для написания диссертационной работы получен при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, в ходе которых выполнена оценка: комплексного влияния изменения климата и интенсивности урбанизации территории на трансформацию ГКС; пригодности территории для перспективного развития урбанизации г. Чита. Для 44 инженерно-геологических участков г. Чита получены данные по основным физико-механическим характеристикам фунтов. Автором обобщены сведения об изменении температуры воздуха в период с 1890 по 2012 гг. и фунта за период с 1976 по 2012 гг. по метеостанции г. Чита и получены статистические модели для оценки влияния интенсивности урбанизации на ГС. Аналогичные модели для оценки влияния урбанизации на среднегодовые температуры воздуха получены для слабоурбанизированных территорий (с. Нерчинский Завод, г. Борзя, г. Хилок). Анализ изменения гидродинамических, гидрогеохимических условий по 54 режимным скважинам позволил выявить источники и виды

техногенных воздействий на подземную гидросферу г. Чита. Анализ фактического материала выполнен автором лично.

Структура работы. Диссертационная работа объемом 154 страницы состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка литературы из 155 наименований, содержит 9 таблиц, 35 рисунков и 8 приложений.

Автор благодарит сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ЗабГУ, лаборатории инженерной геокриологи ИМЗ СО РАН, ОАО «ЗабайкалТИСИЗ», ГУП «Забайкалгеомониторинг» за консультационную помощь при проведении диссертационного исследования. Автор выражает свою искреннюю признательность докторам геолого-минералогических наук Ю. В. Павленко и Ф. И. Еникеву, замечания которых способствовали улучшению работы, а также научному руководителю, доктору технических наук, профессору Д. М. Шестернёву, постоянное внимание которого позволило завершить диссертационную работу.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Критический анализ современного состояния вопроса

исследования

Освоение территорий, расположенных в криолитозоне, имеет более чем 100-летнюю историю. По результатам геокриологических исследований опубликовано огромное количество теоретических, методических и учебных трудов. Теоретические вопросы теплового, химического и механического взаимодействия инженерных сооружений в криолитозоне изучались М. И. Сумгиным, П. И. Мельниковым, В. А. Кудрявцевым,

A. В. Павловым, Н. А. Цытовичем, Э. Д. Ершовым, В. И. Осиповым, JI. Н. Хрусталевым, В. В. Докучаевым, Б. А. Савельевым, И. А. Тютюно-вым, С. М. Фотиевым, Д. М. Шестернёвым, И. И. Железняком, Г. П. Пус-товойтом, JI. Т. Роман, О. М. Языниным и др.

Анализ и обобщение опыта освоения урбанизированных территорий в криолитозоне даны в работах Н. И. Быкова, Р. М. Каменского, П. Д. Бондарева, Р. В. Чжана, В. Р. Алексеева, Ю. А. Александрова, Г. Ф. Биянова, Ю. М. Велли, Г. В. Порхаева, В. А. Орлова, В. П. Солоненко, M. М. Шаца,

B. Н. Макарова, П. И. Сальникова, И. И. Железняка, Г. В. Крылова, Д. Д. Шестернёва и др. Все авторы указывают на изменения температурного и влажностного режимов многолетнемерзлых грунтов под влиянием различных видов освоения территории. С переходом мерзлых пород в талое состояние изменяются их свойства, прочность и несущая способность, что приводит к недопустимым деформациям зданий и сооружений. Проектирование, строительство, эксплуатация инженерных сооружений в

криолитозоне базируются на представлениях о закономерностях формирования и развития геокриологической обстановки территории освоения.

Изучению формирования геологической и геокриологической сред для обеспечения безопасности функционирования урбанизированных территорий посвящены работы Е. М. Сергеева, В. И. Осипова, В. Т. Трофимова, П. И. Мельникова, В. П. Мельникова, Э. Д. Ершова, В. А. Королева, Г. К. Бондарика, JI. С. Гарагули, Г. А. Голодковской, Ф. В. Котлова, В. Н. Макарова, JI. Н. Хрусталёва и многих других исследователей. Ими внесён основополагающий вклад в разработку методологических и методических основ изучения и анализа изменения названных сред, выявление влияния ГС и ГКС на функционирование урбанизированных территорий и элементов их структуры. Однако участившиеся случаи деформации зданий и сооружений, снижение экологической безопасности урбанизированных территорий криолитозоны, происходящие на фоне изменения климата и увеличения техногенного прессинга на природную среду, обосновывают необходимость продолжения этих исследований. Особенно это относится к выявлению влияния урбанизации на изменения состава, строения и свойств ГКС, от которых зависит эффективность использования элементов инфраструктуры урбанизированных территорий.

Комплекс нерешенных вопросов по обеспечению эффективности функционирования урбанизированных территорий в условиях южной криолитозоны позволил сформулировать цель и основные задачи диссертационной работы, решения которых актуально, имеет научное и практическое значение.

Глава 2. Методика исследования геокриологической среды

на урбанизированной территории в Центральном Забайкалье

Методологической основой диссертационного исследования являлся системный подход, в основе которого лежит исследование геокриологической среды г. Чита как сложноорганизованной системы. Надсистемой является криолитозона восточной части Читино-Ингодинской впадины, системой I уровня - криолитозона в границах урбанизированной территории, система II уровня - криолитозона в границах функциональных зон (ФЗ) и система III уровня - криолитозона в границах ПТС. Каждая система определяется как совокупность структурообразующих ее элементов. Структура системы определяется соотношением и взаимодействием ее элементов в пространстве и времени ГКС и динамикой основных термодинамических параметров. Результатом этого взаимодействия является трансформация геокриологической среды.

Методика комплексной оценки урбанизированной территории г. Чита реализована на основе карты инженерно-геологического районирования для разработки генерального плана городского округа «Город Чита»

(масштаб 1:25 ООО), составленной под руководством Д. М. Шестернёва при участии автора диссертации. Исследования физико-механических свойств фунтов выполнялись в соответствии с нормативными требованиями в лабораторных условиях. Статистическая обработка результатов исследований выполнена автором с использованием программ Microsoft Excel.

Разработанная методика исследований, направленная на реализацию цели и задач диссертационного исследования, базировалась на применении комплекса известных методов и учитывала особенности объекта исследования. Она может применяться для решения аналогичных задач изучения закономерностей формирования ГКС на урбанизированных территориях с учетом региональных особенностей. Необходимым условиям является получение количественной и качественной информации изменений параметров ГКС с применением инженерно-геокриологического мониторинга.

Глава 3. Влияние урбанизации на формирование и трансформацию геокриологической среды

Начало урбанизации на территории исследования связано с началом строительства в 1890 г. Транссибирской магистрали. Уже в тридцатые годы XX в. численность населения города достигла 64 тыс. человек при площади 99 км2, к 1990 г. площадь города увеличилась до 400 км2, число жителей — до 376 тыс. В настоящее время численность населения составляет 335 тыс. человек, площадь города - 534 км2. В этот период изменялись и основные климатические параметры, наиболее важным из которых для трансформации геокриологических условий является среднегодовая температура воздуха. Аппроксимация тренда показывает, что с 1890 по 2012 гг. достаточно четко выделяются три этапа: первый - 1890 -1926 гг.; второй - 1926 - 1960 гг.; третий - с 1960 г. по настоящее время (рис. 1, 2). Изменения температуры воздуха, синхронизированные с интенсивностью процесса урбанизации, позволили выделить три этапа урбанизации с различной длительностью и интенсивностью, оценить их воздействие на трансформацию ГКС.

На современном этапе развития урбанизированных территорий средние годовые температуры воздуха по сравнению с периодом относительно слабой урбанизации выше примерно в два раза.

Еще более существенно влияние температуры воздуха на сезонномерз-лые грунты. Интегральным показателем влияния техногенной нагрузки на ГКС является повышение температуры грунта на глубине 3,2 м. Возросшее влияние теплового загрязнения сказалось и на изменении свойств и строения ГКС. Здесь и далее под тепловым загрязнением ГКС понимается сток тепла непосредственно в ГКС от зданий и сооружений (интенсивное воздействие) и влияние техногенной среды через изменение параметров, входящих в структуру радиационно-теплового баланса на верхней границе

Рис. 1. Ход изменения среднегодовой температуры воздуха в период с 1890 по 2012 гг., 0 С

ГКС (экстенсивное воздействие), определяющих верхние граничные условия существования криолитозоны.

В период с 1890 по 1926 гг. начали функционировать первые ПТС «Читинские главные железнодорожные мастерские» и «Черновские копи». Уже на этапе I в их пределах отмечалось существенное суммарное воздействие на ГКС, увеличение среднегодовых температур воздуха, количества атмосферных осадков и теплового загрязнения (интенсивного и экстенсивного). Для этого периода урбанизации характерно увеличение мощности сезонноталого слоя, источники загрязнения ГКС были локальны и приурочены только к сфере взаимовоздействия техногенной и геокриологической сред (см. рис. 2).

Второй этап урбанизации (1926 — 1960 гг.) характеризуется началом массовой малоэтажной застройки. В этот период в инфраструктуре г. Чита четко обозначались селитебная, промышленная, рекреационная, сельскохозяйственная зоны, сформировался транспортный внутригородской каркас автомобильных дорог. На этом этапе отдельные здания и сооружения, селитебные и промышленные территории еще не представляли на урбанизированной территории единую систему трансформации ГКС. Тем не менее в промышленной зоне уже формировались локальные транспортные (наземные и подземные) магистрали, по которым за пределы ПТС выносились загрязняющие вещества. Например, в пределах «Черновских копий», в связи с увеличением глубины отработки пластов угля, обогрева шахтных выработок и проведением их осушения, деградация ГКС наблюдалась за их пределами.

Селитебная часть: застройка одноэтажными деревянными зданиями

Промышленная: начало функционирования ПТС: транспортной, угледобывающей

5 I

Массовая застройка малоэтажными деревянными. каменными зданиями; начало застройки пятиэтажными зданиями

Интенсивное и экстенсивное воздействие в пределах оснований грунтов ПТС

^ ¿5

Начало функционирования ПТС: машиностроительной. строительной, пи-шевой и легкой поомытленности

Построены МКР Сосновый бор, Северный, КСК, ГРЭС, застройка пяти- и девяти этажными зданиями 1<у-

Интенсивное и экстенсивное воздействие в пределах границПТС

(Т)

Ф)нкционированис ПТС: машиностроительной. транспортной, строительной.теплоэнергетической. пищевой и легкой промышленности

Массовая и точечная застройка девяти ! шестнадцатиэтажными зданиями

Функционирование ПТС транспортной, строительной, теплоэнергетической, пищевой промышленности

Интенсивное и экстенсивное воздействие в пределах функциональных зон

ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА

Локальны е изменения мощности (Н). площади (в) и температуры

Изменение.мощности, плошали, температуры

формирования пост геокриологической среды в границах ПТС

Изменение мощности, плошали, температуры

ф ормировання постгеокриологлческой среды в границах уроани зированной территории

Этап I 1Ч,= -4Д...-3 "с х=300... 350 мм 5=1,5...2,5 м Н-50...70М 8>70 %

Этап II I ср= -2,8...-3 °С х-3 50...340мм 4=2,0...3,0 м Н=30...50м в>70 %

ЭтапШ

Подэтап 1 !ч,= -2.8...-1, 1 "С х =340...360 мм с=3,0...3.5 м Н=10...30 м 5=30...50%

Рис. 2. Основные этапы трансформации геокриологической среды в ходе урбанизации и изменения климата:

< - среднегодовая температура воздуха; х - среднегодовое количество атмосферных осадков; Ц— мощность слоя сезонного промерзания (оттаивания) грунтов

На третьем этапе урбанизации (с 1960 г. по настоящее время) на фоне интенсивного повышения значений средних годовых температур воздуха (см. рис. 1, 2) выделены два подэтапа: первый (1960 - 1995 гг.) характеризовался стремительным ростом экстенсивно развивающихся промышленной и селитебной зон; второй (с 1995 г. по настоящее время) -практически полной стагнацией функционирования промышленной зоны, за исключением теплоэнергетического комплекса.

В период первого подэтапа созданы и функционировали ПТС машиностроительной, транспортной, строительной, теплоэнергетической, пищевой и легкой промышленности. Это стимулировало интенсивный рост населения и расширение компактно застроенных селитебных территорий в отдельные микрорайоны. Все это способствовало тому, что микроклимат территории промышленной и селитебных зон г. Чита существенно изменился, а источниками интенсивного теплового загрязнения стали промышленно-гражданские и гидротехнические сооружения. В результате мерзлые грунты основания зданий в микрорайоне «Зенитка», построенных по Принципу I, деградировали, что привело к развитию недопустимых деформаций.

В связи со значительной деградацией ГКС на предыдущем подэта-пе значительно возросло техногенное воздействие на криолитозону и подземную гидросферу, что обусловило формирование постгеокриологической среды (ПГКС). Площадь комплексного загрязнения ПГКС, распространяющегося в юго-восточном направлении, занимает не менее 10-12 км2. Отбор подземных вод и загрязнение ГС на данном этапе урбанизации, с учетом изменения климатических и микроклиматических условий, увеличения плотности застройки, сыграли главную роль в изменении строения и свойств ГКС, обусловили ее трансформацию в селитебных и промышленных зонах г. Чита в ПГКС.

Таким образом, первое защищаемое положение: история развития, степень урбанизации территории и изменение климата во взаимодействии являются ведущими факторами, определившими изменение состава, строения и свойств ГКС на территории городского округа «Город Чита».

Глава 4. Анализ и оценка влияния природных и технических факторов на трансформацию геокриологической среды

Формирование особенностей и закономерностей изменений строения и свойств грунтов на различных этапах урбанизации определяется величиной и кинетикой экстенсивных (внешних) и интенсивных (внутренних) факторов. Первые факторы влияют на параметры верхних граничных условий воздействия теплообмена на ГКС путем изменений значений параметров в структуре радиационно-теплового баланса, вторые - на интенсивность и транспортировку теплового и химического

загрязнений при строительстве и эксплуатации ПТС. Геокриологическая среда, с одной стороны, подвержена активному преобразованию в результате глобального изменения климата, с другой - является основанием или вмещающей средой для большинства объектов городского хозяйства - фундаментов зданий и подземных коммуникаций (табл. 1).

Таблица 1. Изменения геокриологической среды, основных типов природно-технических систем функциональных зон (ФЗ) г. Чита

ФЗ Типы ПТС Механизмы воздействия наГКС Результат воздействия на ГКС

Селитебная Кварталы зданий 5 - 9 эт. и выше Площадные интенсивная и экстенсивная формы воздействия. Механическое уплотнение Трансформация ГКС в ПГКС. Многолетняя осадка грунтов

Кварталы 2 - 4 эт. зданий Трансформация ГКС в ПГКС. Многолетние или сезонные пучения и осадка грунтов

Зоны одноэтажных зданий Точечные интенсивная и экстенсивная формы воздействия. Механическое уплотнение Локальная трансформация ГКС в ПГКС. Сезонные и многолетние пучения и осадка грунтов

Промышленная Теплоэнергетический комплекс Точечные интенсивная и экстенсивная формы воздействия. Механическое уплотнение Локальная трансформация ГКС в ПГКС. Многолетняя осадка грунтов

Площадная интенсивная форма воздействия. Тепловое, механическое и геохимическое воздействия Трансформация ГКС в ПГКС. Изменение фильтрационных свойств грунтов, загрязнение гидросферы и наледообразование

Водохозяйственный комплекс Интенсивная форма воздействия. Гидродинамическое воздействие Трансформация ГКС в ПГКС. Загрязнение и изменение режима подземных вод

Горно-промышленный комплекс Площадная интенсивная форма механического и гидродинамического воздействия Трансформация ГКС в ПГКС. Подтопление и заболачивание

Комплекс транспортной инфраструктуры Линейная экстенсивная форма воздействия. Механическое уплотнение Трансформация ГКС в ПГКС. Формирование локальной транспортной системы загрязнения ГС. Осадка, пучение, наледи

Коммунальный комплекс Экстенсивная форма воздействия. Химическое, биологическое загрязнение Локальная трансформация ГКС в ПГКС. Загрязнение подземной и поверхностной гидросферы

Сельскохозяйственная « Экстенсивная форма воздействия. Разуплотнение, орошение Изменение физико-механических свойств почв, тепловое и химическое загрязнение почв

Для центральной части Читино-Ингодинской впадины (озерно-аллювиальная равнина, максимально урбанизированная территория) выделено 23 микрорайона (МКР); на северных склонах отрогов хр. Черского - 7 МКР, на юго-восточных склонах хр. Яблонового - 13 МКР. Оценка интегрального влияния комплекса факторов, с учетом разработок ИМЗ СО РАН и кафедры геокриологии МГУ, дала возможность определить воздействие интенсивной урбанизации (при прочих равных условиях) для каждого из выделенных микрорайонов в период с начала урбанизации по настоящее время. На начало этого периода ГКС занимала до 70% территории озерно-аллювиальной равнины, ГС распространялись только в МКР А6, А12, А14 и А21 (рис. 3, а), на склонах северо-западной экспозиции - 100% (рис. 3, б), юго-восточной экспозиции - до 30% (рис. 3, в).

ш р к <

И960 год ■ 2002 год

11960 год ■ 2002 год

Рис. 3, а, б, в. Изменение температуры грунтов в пределах МКР г. Чита на втором (1960 г.) и третьем этапах урбанизации (2002 г.)

В настоящее время картина распространения ГКС резко изменилась. В пределах озерно-аллювиальной равнины площадь криолитозоны сократилась до 20%, ГКС практически полностью трансформировалась в ПГКС.

Таким образом, глобальные изменения климата и процессы урбанизации обусловили на исследуемой территории формирование криолитозоны деградационного типа. Средняя годовая скорость изменения температур фунта на подошве слоя сезонного оттаивания и промерзания в пределах ландшафтных районов урбанизированной территории колеблется в следующих интервалах температур, °С: озерно-аллювиальная равнина - 0,01 - 0,04; склоны хребтов Черского - 0,02 - 0,05 и Яблонового - 0,01 - 0,02. Сокращение площади распространения многолетнемерз-лых пород привело к деградации криогенного водоупора, что обусловило поступление ранее накопленных загрязняющих веществ в водоносные комплексы, используемые для питьевых целей.

В зависимости от функциональных особенностей сооружений и направленности естественного хода изменений природных условий, а также техногенных воздействий геокриологическая среда (при строительстве сооружений по Принципу I) и геологическая среда (при строительстве по Принципу II) может иметь два основных варианта трансформации (рис. 4).

Рис. 4. Основные направления трансформации геологической и геокриологической сред ПТСурбанизированных территорий Центрального Забайкалья

Первый вариант возможен при понижении температуры воздуха до значений, достаточных для начала промерзания геологической среды в основаниях сооружений. Это способствует возникновению и длительному существованию ГКС. Второй вариант характерен для трансформации ГКС в условиях повышения температуры до положительных значений в основаниях сооружений. Этот вариант наиболее развит в пределах юга Забайкалья. Его особенность и опасность для сооружений заключается в том, что после деградации вечной мерзлоты формируется ПГКС.

Согласно второму защищаемому положению доказано, что наряду с известными интенсивными и экстенсивными факторами, влияющими на геокриологическую среду, пространственное размещение и типы ПТС на каждом этапе урбанизации обусловливали соответствующее видоизменение поверхностной и внутригрунтовой транспортировки теплового и химического загрязнений, определивших степень трансформации геокриологической среды, кинетику формирования постгеокриологической среды, влияние на надежность и экологическую безопасность природно-технических систем.

Глава 5. Диагностика и управление трансформацией геокриологической среды - основа эффективного развития урбанизации

По степени пригодности для планирования и строительства участки ГС, ГКС и ПГКС объединены в три группы (рис. 5). Каждая из которых выделена определенным цветом. Группа А (зеленый) - участки, пригодные для любого вида строительства без ограничений; группа Б (желтый) - участки, на которых при строительстве требуются значительные работы по инженерной подготовке территории и мероприятия по усилению фундамента, и В (красный)-участки, на которых при строительстве требуются максимальные затраты на инженерную подготовку территории, а сплошная городская застройка экономически нецелесообразна. Выполненное инженерно-геологическое районирование территории г. Чита показывает, что 20% территории пригодно для любого вида строительства без ограничений; 33% - пригодно с ограничениями, обусловленными развитием островной криолитозоны, а также наличием склонов крутизной более 8-12 градусов; 23% - территории города, на которых строительство промышленно-гражданских сооружений проблематично; 24% - слабоизученные территории. Выбор приемов управления свойствами ГКС и ПГКС является строго индивидуальным в каждом конкретном случае и определяется особенностями функциональных зон ПТС и полученными результатами диагностики состояния геокриологической среды при проведении мониторинга (табл. 2).

Рис. 5. Распределение территорий по пригодности для строительства в пределах административных районов ПТС г. Чита:

I - Центральный; 2 - Ингодинский; 3 - Железнодорожный; 4- Черновский. СИТ - слабоизученные территории

Таблица 2. Структура мониторинга природно-технических систем функциональных зон урбанизированной территории Центрального Забайкалья

№ п/п Объект мониторинга Параметры, необходимые для управления ГКС

1 ПТС теплоэнергетического комплекса Температура грунта, водно-физические свойства грунтов, условия фильтрации и стока подземных вод; физические свойства и температура подземных вод, дебит источников

2 ПТС водохозяйственного комплекса Температура грунта: уровень подземных вод, химический состав, физические свойства и температура подземных вод; санитарное состояние территории, соблюдение регламента хозяйственной деятельности, потенциальные антропогенные источники загрязнений

3 ПТС горнопромышленного комплекса Температура грунта, расходы и уровни подземных и поверхностных вод, их химический состав, физические свойства и температура

4 ПТС автомобильных дорог Температура грунта; расходы и уровни водотоков; перемерзание и пересыхание; наледный сток

5 ПТС овощеводческих хозяйств Температура грунта; расход инфильтрующейся воды, химический состав, физические свойства инфильтрующейся воды, ее температура

6 ПТС селитебных зон Температурный режим грунтов, температура приземного воздуха, температура дневной поверхности, температура поверхности зданий и сооружений, цвет сооружений и дневной поверхности

Теоретические основы управления изменением геокриологических условий, разработанные В. А. Кудрявцевым, Э. Д. Ершовым и другими исследователями, широко используются для обеспечения эффективной эксплуатации линейных сооружений в пределах южной криолитозоны. С учетом этих работ предложены группы приёмов управления свойствами ГКС (табл. 3).

Таблица 3. Классификация групп приемов управления свойствами геокриологической среды на урбанизированной территории (по В. А. Кудрявцеву, Э. Д. Ершову (1975) применительно к территории исследований*)

№ п/п Наименование группы

I Группа приемов, регулирующих внешний теплообмен в геокриологической среде через изменение параметров радиационно-теплового баланса

II Группа приёмов, регулирующих теплообмен в геокриологической среде путём изменения состава и свойств грунтов, её составляющих

III Группа приёмов трансформации грунтов геокриологической среды с использованием дополнительных источников и стока тепла

IV* Группа приемов, регулирующих изменение процессов тепломассобмена на верхней и нижней границах геокриологической среды

Высокую эффективность использования ГС и ГКС можно достичь лишь при постоянной диагностике их состояния, умении его прогнозировать и при необходимости принимать эффективные управленческие решения, направленные на обеспечение комфортной и экологически безопасной жизнедеятельности города.

Инженерно-геологическое районирование городского округа «Город Чита», учитавающее региональные особенности трансформации ГКС, позволило предложить методическую схему организации мониторинговых инженерно-геокриологических исследований и обосновать мероприятия для обеспечения технической и экологической безопасности процессов урбанизации, что является третьим защищаемым положением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена важная научно-практическая задача повышения технической и экологической безопасности функционирования инженерных объектов на урбанизированной территории путем научного обоснования и разработки мероприятий по управлению изменениями свойств геокриологической среды. Наряду с этим, получены важные научно обоснованные результаты:

1) выявлены и научно обоснованы три этапа формирования и трансформации ГКС г. Чита, расположенной в южной области криолитозоны, ретроспективно связанные с возрастающими темпами урбанизации территории и обусловленные изменением параметров, входящих в структуру радиационно-теплового баланса;

2) выявлен новый тренд изменения среднегодовых температур воздуха в интервале - конец XIX - начало XXI вв. для г. Чита, позволивший синхронизировать выделенные этапы урбанизации с периодами потепления климата;

3) на урбанизированной территории г. Чита для среднепериодическо-го климатического ритма (1976 - 2012 гг.) выполнена оценка взаимозависимости изменений температуры воздуха и температуры на подошве слоя сезонного оттаивания и промерзания грунта, характеризующаяся трендом (/сгЛ): =0,064х-44,38 (где х - год), который позволяет с вероятностью 0,99 и коэффициентом корреляции 0,63 прогнозировать изменения температуры геологической среды;

4) установлено, что изменение климата и воздействие урбанизации на территории г. Чита обусловливают повышение интенсивности существующих и формирование новых путей транзита теплового и химического загрязнений подземной гидросферы, что активизирует трансформацию геокриологической среды в постгеокриологическую;

5) выполнена оценка пригодности инженерно-геокриологических условий для развития территории городского округа «Город Чита»;

6) разработана система рекомендаций и приемов управления свойствами геокриологической среды для эффективного планирования и управления жизнедеятельностью на урбанизированной территории.

Полученные результаты диссертационного исследования используются для решения практических задач по: 1) оценке экологического состояния урбанизированной территории ГУП «Забайкалгеомониторинг»; 2) по разработке рекомендаций для проектирования зданий и сооружений в ОАО «ЗабайкалТИСИЗ» и ООО «Релиз».

Перспективными направлениями исследований диссертант считает:

1) проведение на урбанизированных территориях натурных и лабораторных исследований кинетики изменений физико-механических и теплофизических свойств грунтов в постгеокриологической среде;

2) изучение изменений экологических условий для выявления основного каркаса внутригрунтовых транспортных путей при трансформации ГКС в ПГКС.

3. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Васютич, Л. А. Особенности современного техногенного воздействия на качество подземных вод читинской агломерации / Л. А. Васютич // Вестник ЗабГУ. - Чита. -2013. -№ 01. - С. 19-26.

2. Верхотуров, А. Г. Ресурсы и экологическое состояние питьевых подземных вод Забайкалья / А. Г. Верхотуров, Л. А. Васютич // Недропользование - XXI в. - 2008. - № 3. - С. 79-81.

3. Шестернёв, Д. М. Исследование влияния антропогенных воздействий на изменение геоэкологических условий урбанизированных территорий южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Д. М. Шестернёв, Л. А. Васютич // Вестник ЧитГУ (ЗабГУ). - Чита. - 2011. - № 6. - С. 117-121.

4. Шестернёв, Д. М. Тепловое загрязнение геологической среды криолитозоны урбанизированных территорий Забайкалья (на примере г. Чита) / Д. М. Шестернёв, Л. А. Васютич // Вестник ЧитГУ (ЗабГУ). -Чита.-2012.-№ 1.-С. 43-51.

5. Шестернёв, Д. М. Криогенная геологическая среда и ее состояние на территории г. Чита / Д. М. Шестернёв, Л. А. Васютич // Вестник ЗабГУ. - Чита. - 2013. - № 7. - С. 12-20.

6. Шестернёв, Д. М. Трансформация геолого-геокриологической среды в процессе урбанизации г. Чита / Д. М. Шестернёв, Л. А. Васютич // Вестник ЗабГУ. - Чита. - 2014. - № 3. - С. 57-67.

В других научных изданиях

7. Васютич, Л. А. Геокриологические проблемы эксплуатации автомобильных дорог юга криолитозоны (на примере Читинской обл.) / Л. А. Васютич // Вестник ЧитГУ. - Чита. - 2004. - Вып. 37. - С. 200-204.

8. Васютич, Л. А. Антропогенное воздействие на гидрогеологические условия Читинского месторождения подземных вод / Л. А. Васютич // Кулагинские чтения : X Междунар. науч.-практ. конф. - Чита : ЧитГУ, 2010.-Ч. 1.-С. 178-181.

9. Васютич, Л. А. Антропогенные воздействия на качество питьевых вод урбанизированных территорий южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич И Проблемы инженерного мерзлотоведения : мат. IX Межд. симп. (г. Мирный, 3-7 сентября 2011 г.). - Якутск : Изд-во ИМЗ СО РАН, 2011. - С. 429-432.

10. Васютич, Л. А. Исследование влияния антропогенных воздействий на качество питьевых вод урбанизированных территорий (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Комплексные проблемы гидрогеологии :

тез. докл. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, 27-28 октября 2011 г.). - СПб.: Санкт-Петерб. ун-т, 2011. - С. 39-41.

11. Шеетернёв, Д. М. Воздействие теплового загрязнения на геологическую среду г. Чита / Д. М. Шеетернёв, Л. А. Васютич // Кулагинские чтения: XI Междунар. науч.-практ. конф. - Чита: ЗабГХ 2011. - Ч. III. - С. 123-125.

12. Васютич, JI. А. Изменения геологической среды урбанизированных территорий Забайкалья (на примере г. Чита) / JI. А. Васютич // География, история и геоэкология на службе науки и инновационного образования : материалы Всерос. с международным участием науч.-практ. конф. (г. Красноярск, 19-20 апреля 2012 г.). - Красноярск: Краснояр. гос. пед. ун-т, 2012. - С. 79-81.

13. Шеетернёв, Д. М. Изменение климата и окружающая среда урбанизированной территории г. Чита / Шестернев Д. М., Васютич JL А. // Кулагинские чтения : XII Междунар. науч.-практ. конф. - Чита : ЗабГУ,

2012.-Ч. 4.-С. 30-32.

14. Васютич, JI. А. Оценка состояния окружающей среды городских агломераций южной криолитозоны (на примере г. Чита) / JI. А. Васютич // Экологические проблемы недропользования. Наука и образование : материалы пятой международной науч. конф. (19-24 ноября 2012 г.). - СПб.: Санкт-Петерб. ун-т, 2012. - С. 56-59.

15. Васютич, JI. А. Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий южной криолитозоны (на примере г. Чита) / JI. А. Васютич // Актуальные эколого-географические и социально-экономические проблемы Байкальского региона и сопредельных территорий : материалы Всерос. науч.-практ. конф. (г. Улан-Удэ, 28-29 марта 2013 г.). - Улан-Удэ : БГУ, 2013. — С. 47-50.

16. Васютич, Л. А. Инженерно-геологические особенности урбанизированных территорий южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Малышевские чтения : материалы Всерос. науч. конф. (г. Старый Оскол, 24 апреля 2013 г.) в 2-х т. - Старый Оскол : Кирилица,

2013.-С. 102-106.

17. Васютич, Л. А. Особенности техногенного воздействия на состояние подземных вод Читинской агломерации в условиях глобального изменения климата / Л. А. Васютич // Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование и практика: материалы междунар. науч. конф. (Москва, 22-24 мая 2013 г.) - М.: МГУ, 2013. - С. 375-380.

18. Васютич, Л. А. О влиянии антропогенных воздействий на геологическую среду урбанизированных территорий южной криолитозоны / Л. А. Васютич, Д. М. Шеетернёв // Современные проблемы и будущее геокриологии : тезисы докладов III Всерос. науч. молодежного геокриологического форума. - Якутск : Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2013.-С. 50-51.

19. Васютич, JI. А. Организация мониторинга подземных вод на урбанизированных территориях южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Комплексные проблемы гидрогеологии : тез. докл. науч. конф. (Санкт-Петербург, 23-25 октября 2013 г.). - СПб. : Санкт-Петерб. ун-т, 2013. - С. 19-21.

20. Васютич, Л. А. Техногенные факторы формирования геокриологических условий и природно-технических систем на территории г. Чита / Л. А. Васютич // Кулагинские чтения : XIII Междунар. науч,-пракг. конф. - Чита : ЗабГУ, 2013. - Ч. 5. - С. 104-108.

21. Васютич, Л. А. Инженерно-экологические особенности функционирования природно-технических систем на урбанизированных территориях южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : материалы X Междунар. науч.-практ. конф. (г. Кемерово, 28-29 ноября 2013 г.). - Кемерово : КузГТУ, 2013. - С. 302-305.

22. Васютич, Л. А. Особенности трансформации геологической среды южной криолитозоны (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Сергеевские чтения. Вып. 16 : мат. годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва, 21 марта 2014 г.). - М.: РУДН, 2014. - С. 377-380.

23. Васютич, Л. А. Особенности организации инженерно-геокриологического мониторинга на урбанизированных территориях (на примере г. Чита) / Л. А. Васютич // Кулагинские чтения: техника и технология производственных процессов : сб. ст. XIV Междунар. науч.-практ. конф. -Чита : ЗабГУ, 2014. - Ч. 1. - С. 329-334.

24. Шестернёв, Д. М. Геокриологические условия урбанизированной территории г. Чита / Д. М. Шестернёв, Л. А. Васютич // Кулагинские чтения: техника и технология производственных процессов : сб. ст. XIV Междунар. науч.-практ. конф. - Чита : ЗабГУ, 2014. - Ч. 1. -С. 324-328.

25. Shesternev D.M., Vasyutich L.A. Influence of urbanization on engineering properties of soils in the geocryological environment under climate change and tech technical loading // Journal of Engineering of Heilongjiang University. Vol. 5 No. 3, 2014. P. 78-90.

Людмила Александровна Васютич

ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В ЦЕНТРАЛЬНОМ ЗАБАЙКАЛЬЕ (на примере г. Чита)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

ИД 05324 от 09 июля 2001 г. Подписано в печать 16.02.2015. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 11.

Издательство и типография ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН. 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН.