Учение о техногенных процессах, тепломассообмене и техногенезе

В теоретических основах экологической гидрогеологии учение о техногенных процессах, тепломассообмене и техногенезе занимает особое место. Под техногенными процессами следует понимать процессы, формирующиеся в верхней части земной коры под влиянием хозяйственной деятельности человека, и направленной на использование природных ресурсов. Сюда следует отнести техногенные гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические, биогеохимические и другие процессы, проявляющиеся в районах эксплуатации месторождений полезных ископаемых и гидротехнических сооружений, на участках строительства градопромышленных центров и систем, крупных групповых водозаборов и др.

Хозяйственное и инженерное воздействие на геологическую среду вызывает различные негативные последствия, такие как:

1. Формирование геохимических техногенных ландшафтов при сбрасывании кислых шахтных вод на эксплуатируемых сульфидных месторождениях, что приводит к изменению в геологической среде окислительно-восстановительных условий и интенсивному загрязнению вообще окружающей среды (Тетюхе, Зыряновское и др.);

2. Истощение естественных запасов твердых полезных ископаемых, в связи с их добычей (КМА, СУБР и др.);

3. Истощение естественных запасов подземных вод, в том числе наиболее ценных пресных подземных вод, в связи с необходимостью осушения горных разработок в стадию эксплуатации месторождения (Яковлевское месторождение КМА, СУБР и др.);

4. Вторичное засоление почв, заболачивание территорий под влиянием орошаемого земледелия (Сев.Казказ, Заволжье, Зап.Сибирь);

5. Техногенное подтопление основания сооружений в результате аварийных утечек из водонесущих коммуникаций (застраиваемые и застроенные территории);

6. Суффозионно-карстовые деформации (провалы) при выщелачивании карбонатных пород под сооружениями (Урал, Кавказ, Поволжье);

7. Деформации пород основания сооружений осадки-просадки, набухание, усадки и др. (Северный Кавказ, Поволжье, Черноземье);

8. Оползневые деформации пород на склонах и откосах (Кавказ, Черноземье, Поволжье);

9. Оседание земной поверхности под влиянием процессов вторичной консолидации осушенных рыхлых пород (Мосбасс, КМА и др.);

10. Формирование и развитие в криолитозоне криогенных процессов (морозное пучение, наледи, солифлюкция и др.).

В техногенных процессах прослеживаются тесно взаимосвязанные между собой комплексные гидрогеологические, инженерно-геологические и гидрохимические признаки. Так, осушение водоносного пласта связано с отбором из него подземных вод – типичный гидрогеологический процесс. В тоже время в рыхлых водовмещающих породах формируются инженерно-геологические процессы в виде уплотнения пород (вторичной их консолидации). Подобный механизм комплексного развития техногенных процессов наблюдается при искусственном орошении земельных массивов, когда формируются гидрогеохимические процессы, обуславливающие повышение общей минерализации подземных вод, вторичное засоление почв, а также инженерно-геологические процессы, ухудшающие качество геологической среды.

В механизме техногенных процессов важнейшим показателем является тепломассообмен, происходящий как внутри геологической среды, так и во взаимосвязи с другими компонентами окружающей среды. По характеру и направленности тепломассообмена Н.И. Плотников выделяет следующие три группы техногенных процессов.

Первая группа процессов связана с отбором водных растворов вместе с твердым и газовым веществом из литосферы (осушение объекта). При этом тепломассоперенос направлен из геологической среды в сторону внешней окружающей среды. Влияние техногенных процессов первой группы проявляется в частичном истощении запасов подземных вод, деформациями (просадок, провалов) земной поверхности и др. (Мосбасс, КМА, Черноземье и др.).

Вторая группа процессов связана с эксплуатацией обводнительных и водохозяйственных объектов. Тепломассообмен направлен в сторону геологической среды. Влияние техногенных процессов второй группы проявляется в заболачивании и подтоплении застраиваемых территорий, загрязнении подземных вод и др. (Поволжье, Зап. Сибирь и др.).

Третья группа – сложные техногенные процессы, формирующихся в условиях взаимодействия обводнительных и осушительных объектов, а так же одновременной разработке группы месторождений твердых полезных ископаемых (например, КМА, СУБР и др.). Направление тепломассопереноса в этих условиях взаимодействия различно. Механизмы этих процессов изучены пока слабо.

Рассмотренные группы техногенных процессов приводят к изменению как естественных гидрогеологических, геокриологических, гидрохимических условий, так и биосферы в целом.

Так негативное воздействие первой группы процессов на геологическую среду происходит при: 1. интенсивной эксплуатации подземных вод системой крупных водозаборных сооружений (г.Москва, Белгород и др.); 2. осушении водоносных горизонтов при освоении рудных и угольных месторождений (КМА, Мосбасс, СУБР), а также эксплуатации крупных подземных сооружений (метрополитена, подземных хранилищ и др.); 3. разработке месторождений нефти (Зап. Сибирь, Поволжье и др.); 4. осушении заболоченных земель (Кубань, Черноземье и др.).

При этом изменение биосферных условий проявляется в ухудшении: 1. биогеохимической обстановки в породах зоны аэрации; 2. истощении в недрах естественных запасов подземных вод; 3. загрязнении подземных и поверхностных вод; 4. дренировании влаги на значительной площади (в зоне гидрогеологического влияния осушительных сооружений); 5. ухудшении геоморфологического ландшафта в целом и др.

Вторая группа процессов происходящих при: 1. орошении земель (Сев. Кавказ, Заволжье); 2. фильтрационных потерях из каналов, водохранилищ и др. (Сев. Кавказ, Серноземье и др.); 3. искусственном восполнении запасов подземных вод (Кубань, Сев. Кавказ и др.); 4. закачке вод в нефтяные платы и на других месторождениях полезных ископаемых с целью интенсификации их добычи (Кубань, Зап. Сибирь и др.); 5. подземном захоронении жидких промстоков в глубокие горизонты геологической среды (Западная Сибирь, Кубань и др.).

Изменение биосферных условий над влиянием техногенных процессов второй группы происходят в виде: 1. вторичного засоления почв и заболоченности территории на площади орошения земель (Сев. Кавказ, Черноземье и др.); 2. загрязнения подземных вод под действием ядохимикатов и химических удобрений (Черноземье); 3. загрязнения подземных вод на участках хранилищ промстоков (Поволжье, Урал и др.); 4. подтопления и заболоченности территорий в зоне влияния равнинных водохранилищ (Черноземье, Сев. Кавказ и др.); 5. подтопление основания сооружений в результате потерь из водонесущих коммуникаций (г.Москва, Тула и др.).

Наиболее сложные техногенные процессы третьей группы формируются в геологической среде при одновременной эксплуатации взаимодействующих осушительных и обводнительных объектов. Такие техногенные процессы интенсивно проявляются в пределах крупных городов (Москва, Санкт-Петербург) с мощными подземными коммуникациями, метрополитеном и др. сложными сооружениями, а также в стадию эксплуатации нефтяных месторождений, применяющих внутриконтурное и законтурное заводнение и др. (Зап. Сибирь, Кубань и др.).

Обитание и инженерная деятельность человека в индустриальных городах оказывает существенное загрязнение, как компонентов окружающей среды, так и биосферных условий.

Совокупность геохимических, гидрогеологических, биогидрогеохимических, инженерно-геологических, геокриологических и других техногенных процессов, протекающих в верхней части литосферы, и приводящие к изменению свойств геологической среды и биосферных условий, получило название техногенеза.

Выявление общих закономерностей формирования техногенеза, оценка его влияния на изменение свойств геологической и окружающей среды, а также биосферных условий на жизнедеятельность человека и разработки в связи с этим, эколого-гидрогеологических основ защиты биосферы, снижающих негативное влияние техногенеза, определяют основные задачи экологической гидрогеологии.

В связи с этим следует особо отметить ведущую роль подземных вод в развитии техногенных процессов, биосферных условий и человека. Как следует из основных аспектов учения о геологической среде, техногенных процессах, техногенезе в целом, подземных водам земной коры принадлежит ведущая роль в изменении свойств окружающей среды, существовании и развитии биосферы и прежде всего, человека особенно в обстановке экологически кризисной ситуации. При этом роль и влияние подземных вод на изменение биосферных условий происходит в результате их взаимодействия с окружающей средой. Пресные подземные воды вносят основополагающий вклад в систему формирования ландшафтов, среды обитания растений, животных, человека. К числу гидрогеологических факторов, влияющих на экологию и, прежде всего, на изменения биосферных условий, следует отнести химический состав подземных вод, их соленость, содержание специфических биоактивных компонентов, темпе­ратуру и др. Все это вместе определяет одно из ключевых теоретических положений экологической гидрогеологии.

Известная роль в развитии об­щества принадлежит также минеральным, термальным и промыш­ленным подземным водам. Так, с помощью, например, тер­мальных вод в энергетических целях в нашей стране создаются первые объекты безотходной технологии — биотермальные элек­тростанции, что благоприятно сказывается на экологической, обстановке и развитии биосферных условий (Камчатка и др.). Применение в России минеральных подземных вод в бальнеологических целях создает возможность для поддержания здоровья человека, а промышленных вод для получения ценных компонентов (Y, Br, Li и др.).

Однако ведущая роль в существовании и развитии биосферы и прежде всего, человека принадлежит все же пресным подземным водам, об­ласть распространения которых в земной коре характеризуется активным подземным стоком и совпадает со сферой активной инженерной и хозяйственной деятельности человека. В суще­ствовании и развитии биосферных условий пресные подзем­ные воды играют двоякую роль.

С одной стороны рациональная эксплуатация и использова­ние ресурсов пресных подземных вод для хозяйственно-питье­вого водоснабжения и орошения приводит к процветанию био­сферы в целом и прежде всего, человека. Поэтому рациональное использование и охра­на пресных подземных вод от загрязнения и истощения, особенно в засушливых районах России, имеет принципиальное значение для развития биосферы и производительных сил в целом.

С другой стороны следует учитывать, что подземные воды являются одним из основных компонентов геологической сре­ды. Изъятие подземных вод из недр земли системой крупных групповых взаимодействующих водозаборов, как это осуществляется в настоящее время в России, приводит к фор­мированию техногенных процессов, негативно влияющих на изменение свойств геологической среды, к нарушению связи под­земных и поверхностных вод, дренированию влаги на площади гидрогеодинамического влияния водозаборных и дренажных си­стем, формированию техногенных процессов вторичной консо­лидации осушенных рыхлых пород, суффозионно-карстовых процессов при осушении карбонатных пород, деформации поверхности и поверхностных сооружений, деформациям оползневых склонов и откосов и др. Все это обуславливает существенные изменения состояния биосферных условий той или иной территории.

При этом необходимо иметь в виду, что отбор подземных вод недр практикуется не только для водоснабжения и орошения, но и для осушения горных выработок во время эксплуатации рудных и угольных месторождений, что приводит к истощению естественных запасов подземных вод и осушению водоносного горизонта.

Экологические последствия истощения естественных запасов состоят в том, что эти процессы уменьшают участие подземных вод в водном балансе ландшафта, их биосферных элементах, приводят к общему сокращению водообеспеченности территории.

Истощение естественных запасов пресных подземных и сброс сточных вод горнообогатительных комбинатов в открытые водотоки приводит к острому дефициту питьевой воды, к деградации географичес­ких ландшафтов, загрязнению почв и других компонентов окружающей среды. (КМА, Мосбасс, Кузбасс и др.).

При одновременной эксплуатации группы близко располо­женных месторождений полезных ископаемых негативное из­менение состояния биосферы носит региональный характер, охватывая значительные площади, где также часто происходит деградация биосферы. Такие региональные негативные биосферные изменения отмечаются в районах эксплуатации железорудных месторождений Курской магнитной аномалии, в уголь­ных месторождениях Кузбасса и др. Как показывает опыт, сложные техногенные изменения свойств геологической и окружающей среды в целом происхо­дят при осушении трасс метрополитена, построенных в крупных промышленных городах (Москва, Санкт-Петербург и др.).

Оценивая роль подземных вод при горных разработках, сле­дует отметить одно важное положение. В свете современных требований, при разработке месторождений обязательным условием является комплексное использование всех полезных компонентов геологической среды, кроме основных рудных и угольных залежей. Эти требования приобретают большой практический смысл в связи с тем, что за последние годы в России в промышленное освоение рудных месторождений вовлекались объекты со сложными и весьма сложными гидрогеологическими условиями и большой обводненностью горных выработок, при осушении которых рудничные и шахтные воды накапливались в подземных насосных станциях и затем сбрасывались на поверхность в открытые водоемы, загрязняя окружа­ющую среду. В последние годы технология осушения горных разработок на рудных объектах была направлена на практическое использование рудничных вод для хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения. В этом отношении показательным примером является производственного водоснабжения технология "осуше­ния—водоснабжения", внедренная на СУБРе. Здесь перехват перед выработками подземных вод системой внешних дренажных узлов, состоящих из буровых скважин, решает три проблемы: 1. перехватывается перед горными разработками до 50% шахтных водопритоков для хозяйственно-питьевого водоснабжения; 2. используются дренажные воды хорошего качества; 3. осуществляется охрана окружающей среды от сброса загрязняющих подземных вод.

На объектах месторождений Курской магнитной аномалии, при осушении железорудных карьеров, дренажные воды ис­пользуются для производственного водоснабжения обогатитель­ных фабрик.

Подземные воды играют большую роль в коренном улучшении биосферных условий на заболоченных территориях. Это обеспечивается созданием схемы определенного технологического режима грунтовых вод. Как показала практика, осушение значительно ниже глубины залегания корневой системы растительного покрова при интенсивном понижении уровня грунтовых вод под влиянием ветровой эрозии приводит к формированию таких техногенных процессов, как "торфяные бури". Это снижало роль подземных вод в эффективности биосферных условий на вновь осваиваемых территориях. Поэтому была разработана и внедрена в практику новая технология осушения заболоченных земель по схеме: двойное регулирование техногенного режима уровня грунтовых вод. Эта схема заключается в сооружении на горизонтальных дренах специальных устройств для регулирования подземного стока (режима уровня грунто­вых вод), с помощью которых уровень грунтовых вод поддерживается, примерно, на глубине корневой системы растительного покрова. Такая схема осушения заболоченных земель дала весьма положительные результаты.

Убедительным доказательством ведущей роли и значения пресных подземных вод в развитии биосферы является их естественная географо-гидрогеологическая зональность. Эта зональность базируется на распространении трех широт­ных провинций (по О.К.Ланге), изменяющихся в направлении с севера на юг по различному агрегатному состоянию грунтовых вод, глубине их залегания, изменению химического со­става, режиму и др. На территории России в этом направле­нии выделяются следующие провинции: 1) северная — гидро­криогенная(вечная мерзлота); 2) центральная — гумидная (влажная); 3) южная — аридная (сухая). Как следует из этойзональности биосфера по-разному раз­вивается и существует в перечисленных выше провинциях.

Наиболее благоприятные гидрогеологические условия для развития биосферы, в том числе и для социально-организо­ванного общества, имеет гумидная провинция. Пре­сные грунтовые воды залегают здесь неглубоко от поверхнос­ти, создавая благоприятные условия для развития самых раз­личных форм биомассы.

В условиях гидрокриогенной и аридной провинциях отмечается «угнетенное" развитие биосферы. Техногенные загрязнения химического состава пресных подземных вод, особенно в региональном плане, всегда оказывают негативное влияние на ухудшение биосферных условий той или иной тер­ритории и в первую очередь на жизнедеятельность человека. Техногенные химические загрязнения подземных вод весьма стойки, способны сохраняться длительное время и мигриро­вать на большие расстояния.

В этих процессах большое влияние на качество пресных подземных вод оказывает техногенное загрязнение так называемых почвогрунтов под влиянием "кислотных дождей", выб­росов токсичных отходов, внесения удобрений и пестицидов.

Экологические последствия техногенного загрязнения пре­сных подземных вод выражаются в увеличении общей их ми­нерализации, общей жесткости, содержания сульфатов, хло­ридов, нитритов, органических соединений (особенно углево­дородных, фенолов), тяжелых токсичных металлов (меди, цин­ка, ртути, свинца), а также специфических веществ, связан­ных с промышленными отходами того или иного производ­ства. Эти процессы наиболее активно проявляются в первой зоне техногенеза. Как отмечалось выше, в области деятельности горно-рудных предприятий под влиянием сброса рудничных вод, инфильтра­ции промстоков и хвостохранилищ, окисления на поверхности рудной минерализации в отвалах пустых пород и бедных руд происходит химическое загрязнение подземных вод и природ­ной среды и формирование своеобразных геохимических техно­генных ландшафтов, что ухудшает общие биосферные условия территории.

Техногенные геохимические ландшафты с ухудшением био­логического качества окружающей среды формируются и в области орошаемого земледелия, где загрязнение подземных вод происходит под влиянием сложных гидрогеохимических процессов за счет миграции агрохимикатов, инфильтрации жидких отходов животноводческих ферм, бытовых сточных вод и др. Техногенное загрязнение подземных вод при этом носит региональный характер, существенно нарушая биосферные ус­ловия: примером является Каракалпакия где площадное техногенное загрязнение питьевых вод привело к образованию экологической кризисной ситуации с питьевой водой.

Негативное влияние на биосферные условия, и прежде всего на условия жизнедеятельности человека происходит при техногенном загрязнении пресных подземных вод на действующих водозаборах, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, когда по этой причине подземные воды на каптажном сооружении теряют питьевое качество. Известны примеры из практики, когда техногенное загрязнение питьевых вод на действующих водозаборах приводило к кризисной экологической ситуации крупных городов (например, загрязнение фенолами подземных вод на водозаборе г. Уфы).