Кошляков А.Е.,
Киевский национальный университет имени Т. Шевченко, Киев, Украина
Мониторинг и оперативное управление водно-ресурсными системами должны предусматривать, в частности, возможность оценок экологического состояния гидродинамических систем подземных вод. В первую очередь это относится к гидродинамическим системам грунтовых вод, поскольку именно грунтовые воды являются наиболее динамичным и незащищенным компонентом геологической среды. В этом аспекте состояние потока грунтовых вод можно рассматривать как индикатор состояния геологической среды на определенной территории.
М.Д.Гродзинский и П.Г. Шищенко (1) предлагают оценивать экологическое состояние какой-либо природной системы с позиций реакции этой системы на внешние воздействия. Предполагается, что система имеет запас стойкости к внешним воздействиям. Воздействия до определенного уровня существенно не сказываются на характеристиках и поведении природной системы. В этом случае система находится в состоянии экологического равновесия, которое сформировалось на протяжении длительной истории развития этой системы. Такое состояние системы можно считать экологически безопасным. Если внешние воздействия превышают определенный уровень (уровень интенсивности и/или продолжительности влияния), система выходит из устойчивого состояния, и начинается переходный период ее развития. Переходной период заканчивается тем, что система либо адаптируется к воздействию, то есть достигает состояния экологического равновесия в новых условиях (если внешние воздействия сохраняются), либо возвращается в начальное устойчивое состояние (если внешние воздействия прекращаются). В первом случае происходит разрушение существующего состояния системы, что следует рассматривать как нарушение экологической безопасности.
С учетом такого подхода автором разработана методика оценки экологического состояния гидродинамических систем подземных вод.
Методы исследований включали анализ научных публикаций, использование геоинформационных систем для обобщения информации о состоянии гидродинамических систем подземных вод, гидрогеологическое математическое детерминированное моделирование геофильтрации и вероятностно-статистическую обработку результатов. В качестве объекта исследований выбраны гидродинамические системы подземных, в первую очередь, грунтовых вод г. Киева.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Классическая теория и методология изучения гидродинамической составляющей геологической среды базируется на применении гидрогеологического математического детерминированного моделирования потоков подземных вод (2,3). Современный подход предполагает использование постоянно действующих гидрогеологических математических моделей (3,4). Но собственно гидрогеологическое математическое детерминированное моделирование не дает возможность количественно оценить экологическое состояние гидродинамической составляющей потоков подземных вод. Это объясняется тем, что при таком подходе не учитывается энергетическое состояние гидродинамической системы, хотя устойчивость гидродинамической системы подземных вод к внешним воздействиям и ее реакция на воздействия зависят от того, как эти воздействия изменяют ее существующее энергетическое состояние.
В свою очередь, устойчивость и экологическое состояние системы могут быть охарактеризованы распределением энергии в потоке подземных вод. В этом случае вероятность перехода системы в новое энергетическое состояние вследствие изменения величины или появления нового фактора воздействия на систему можно рассматривать как риск потери устойчивости системы (риск, который характеризует экологическую безопасность гидродинамической системы).
Как известно, характеристикой энергетического состояния системы подземных вод является распределение в системе гидродинамических напоров. Анализируя это распределение, можно оценить экологическое состояние гидродинамической системы с учетом риска при изменениях ее энергетического состояния. Само распределение гидродинамических напоров в гидрогеологии представляется в виде карт гидроизогипс или пьезоизогипс. С математической точки зрения наглядным способом представления распределения напоров является гистограмма. Поэтому для оценки экологического состояния конкретной гидродинамической системы подземных вод целесообразно использовать сравнительный анализ гистограмм (5), полученных для разных периодов времени. Наложение гистограмм и расчет вероятности их схожести позволяет в количественном отношении оценить, насколько изменилось состояние гидродинамической системы. Гистограммы строят на одинаковых интервалах в той их части, где они обе отличны от нуля. Сумма общих относительных частот в процентах рассматривается как схожесть состояний. Соответственно разность между 100% и суммой общих относительных частот в процентах характеризует процент изменений состояния системы. Для сравнительного анализа распределений также можно использовать известные статистические критерии, например, критерий Колмогорова-Смирнова, при этом мерой риска является доверительная вероятность, которая используется при сравнении (6).
Теоретически в качестве исходных данных для построения гистограмм можно использовать информацию, полученную непосредственно в точках мониторинговых наблюдений. На практике существующая плотность сети точек мониторинга довольно редкая, поэтому данных слишком мало. Это не позволяет достоверно построить гистограммы, что делает нецелесообразным их дальнейший сравнительный анализ. Другим источником исходных данных могут служить карты гидроизогипс (пьезоизогипс), построенные по результатам наблюдений в точках мониторинга, но и в этом случае возникают существенные проблемы. Дело в том, что достаточно объективное построение таких карт невозможно осуществить из-за той же редкой сети точек мониторинга, поэтому полученные карты содержат изрядную долю субъективных оценок составителя. Существующая в настоящее время тенденция к формальной автоматизации построения карт способом изолиний по имеющимся точкам наблюдений только ухудшает ситуацию. Получение же новых данных с помощью дополнительных полевых исследований является проблематичным, особенно на территориях промышленно-городских агломераций. Во-первых, размещение тут точек наблюдений часто определяется не столько гидрогеологическими соображениями, сколько организационными возможностями (застройка территории, наличие коммуникаций, охранные зоны и т. д.). Во-вторых, проведение самих полевых работ может вызвать или активизировать нежелательные с экологической точки зрения процессы (изменение инженерно-геологических характеристик грунтов, проседание поверхности, загрязнение подземных вод). Таким образом, практическая реализация методики оценки экологического состояния гидродинамической системы по распределению гидродинамических напоров требует решения проблемы достоверного построения карт гидроизогипс (пьезоизогипс) по имеющимся данным.
Для решения этой проблемы предлагается вначале создать математическую детерминированную геофильтрационную модель системы, обосновав ее достоверность с помощью эпигнозного моделирования (2). Для создания такой модели следует использовать всю имеющуюся геологическую, в первую очередь инженерно-геологическую информацию (полученную ранее при проектировании зданий и сооружений). Поскольку упомянутая информация обычно разнородна, ее сначала следует упорядочить в пространстве и времени с помощью геоинформационных систем. Наиболее узким местом при создании геофильтрационной модели является определение фильтрационных параметров. Имеющаяся по инженерно-геологическим скважинам информация, как правило, содержит величины коэффициентов фильтрации для каждого из инженерно-геологических элементов (ИГЭ). Опыт показывает, что эта информация не всегда соответствует действительности, поскольку получена в лабораторных условиях на образцах грунта, как правило, нарушенной структуры. Выходом из ситуации может быть использование на стадии схематизации в первом приближении диапазона возможных изменений коэффициента фильтрации пород, исходя из их литологического описания (7). При дальнейшем эпигнозном моделировании коэффициенты фильтрации корректируются в пределах возможного диапазона с учетом информации по инженерно-геологическим элементам (8).
После создания математической детерминированной геофильтрационной модели, полученные в ее узлах данные по гидродинамическим напорам можно использовать для построения гистограмм. В таком случае количество исходных данных значительно увеличится, а достоверность полученной гистограммы повысится. Кроме того, с помощью геофильтрационной модели можно получить гистограммы не только для существующих, но и для прогнозных условий (с учетом различных вариантов возможного внешнего воздействия).
Для увеличения количества исходной информации и автоматизации процесса построения гистограммы целесообразно использовать возможности геоинформационных систем, а именно построение GRID-поверхности гидродинамических напоров средствами ГИС (9), рис. 1.
Рис 1. Пример использования геоинформационной системы для построения гистограммы
Изложенный подход к оценке экологического состояния гидродинамических систем подземных вод успешно реализован на отдельных участках территории г. Киева.
Сравнительный анализ гистограмм распределения гидродинамических напоров в системе грунтовых вод для территории, которая примыкает к Киево-Печерской Лавре, показал следующее. С 1950 по 1980 год под влиянием техногенных факторов состояние гидродинамической системы грунтовых вод изменилось на 45%, что привело к потере ее экологической устойчивости и адаптации системы к новым условиям, рис. 2.
Рис 2. Гисторгаммы распределения абсолютных отметок уровня грунтовых вод по состоянию на 1950 и 1980 годы
Приблизительно с 1980 года система находится в стабильном состоянии (схожесть состояний 1980 и 2005 годов составляет 90%), рис. 3.
Рис 3. Гисторгаммы распределения абсолютных отметок уровня грунтовых вод по состоянию на 1980 и 2005 годы
(по горизонтали – абсолютные отметки уровня грунтовых вод, м; по вертикали – относительные частоты распределения)
Математическое моделирование развития процесса искусственного длительного водопонижения с целью строительства в системе грунтовых вод района Голосеевской площади и дальнейший сравнительный анализ выборок гидродинамических напоров свидетельствует, что с вероятностью 95% через 200 суток после начала водопонижения система грунтовых вод утратит существующее экологически устойчивое состояние. После завершения строительных работ потребуется 5 лет для того, чтобы система стабилизировалась в новых условиях.
ВЫВОДЫ
Оценку экологического состояния гидродинамической системы подземных вод целесообразно осуществлять на основе изучения изменений гидродинамических напоров в системе. Получить количественные характеристики изменений гидродинамических напоров можно путем сравнительного анализа гистограмм распределения гидродинамических напоров на разные периоды времени. Для сравнительного анализа распределений также можно применить известные статистические критерии, например критерий Колмогорова-Смирнова. В качестве исходных данных для построения гистограмм следует использовать данные, полученные в узлах специально созданной гидрогеологической математической детерминированной модели, а для увеличения количества исходной информации и автоматизации процесса построения гистограмм – возможности геоинформационных систем. При создании гидрогеологической модели предлагается использовать всю имеющуюся геологическую, в первую очередь инженерно-геологическую информацию, полученную ранее при проектировании зданий и сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Методи геоекологічних досліджень (1999) / За ред. М.Д.Гродзинського та П.Г.Шищенка. ВЦ “Київський университет”, Київ, Україна.
- Гавич И.К. Теорія и практика применения моделирования в гидрогеологии (1980). – М.: Недра.
- Коносавский П.К., Соловейчик К.А.. Математическое моделирование геофильтрационных процесов (2001). СПб.: Изд- во СПбГТУ
- Постоянно действующие гидрогеологические модели интенсивно осваиваемых территорий Украинской ССР (1991) / Огняник Н.С.; Отв. ред. Ситников А.Б.,Наукова думка, Киев, Украина.
- Жуков М.Н. Статистичний аналіз геологічних даних (1995). Київ: ІСДО, Украина.
- Кошляков О.Є. (2006). Оцінка екологічного стану природних гідродинамічних систем на основі розподілу енергії в потоці підземних вод та комп’ютерного моделювання. У зб. наук. праць: Енергетика Землі, її геолого-екологічні прояви, науково- практичне використання. ВПЦ “Київський університет”, Київ, Україна, сотр.137-139.
- Жернов И.Е. Динамика подземных вод (1982). Вища школа, Киев, Украина.
- Кошляков О.Є., Мандрик Б.М. (2005). Особливості моделювання ґрунтових потоків для територій міських агломерацій (на прикладі району Голосіївської площі в м. Києві). У Вісн. Київ. ун-ту, Геологія. Вип. 34. Київ, Україна, стор. 53-55.
- Іщук О.О., Коржнев М.М., Кошляков О.Є. Просторовий аналіз і моделювання в ГІС (2003) / За ред. Акад. Д.М.Гродзинсько- го. ВПЦ “Київський університет”, Київ, Україна.