5.2. Техногенные воздействия на геологическую среду и их классификация

5.2.1 Виды техногенных воздействий

Исследование вопросов, связанных с оценкой устойчивости геологической среды, невозможно без анализа техногенных воздействий на рассматривае­мой территории, без их типизации и классифицирования. Масшта­бы проявления техногенных воздействий человека на геологическую среду, их структура и интенсивность формировались и изменялись одновременно с развитием общества и достигли наивысшего разви­тия в современный период, который характеризуется возникнове­нием опасности полных необратимых негативных изменений геологической среды и ее глобальных изменений в целом. В связи с этим в инженерной геологии огромное внимание уделяется вопросам систематизации, классифицирования и типизации техногенных воздействий 22, 25, 42, 44, 64, 65, 86, 91, 123, 140, 143 и др..

Вопросы систематизации техногенных воздействий на геологическую среду начали разрабатываться с 50-60-х годов нашего сто­летия. В настоящее время предложено много как общих, так и частных, классификаций техногенных воздействий, построенных по разным признакам деления, однако ни одна из них не является об­щепринятой, и ни одна из них не является всеобъемлющей в смысле охвата воздействий разных категорий. Отсутствуют и нормативные документы по их типизации и терминологии, связанной с ними. Более того, во многих классификациях техногенные воздействия ото­ждествляются с источниками воздействия, видами хозяйственной деятельности или даже их последствиями, что вносит сильную пу­таницу в понятия.

Анализ существующих схем типизации техногенных воздействий показывает, что их разработка ведется в трех направлениях: 1) по видам хозяйственной деятельности; 2) по набору определенных воз­действий на конкретный компонент геологической среды; 3) по ком­плексу параметров, отражающих природу воздействия.

Одна из первых попыток типизации техногенных воздействий по комплексу признаков была сделана в 1967 г. Ф.В. Котловым 66. Им выделены категории техногенных воздействий по времени действия, направленности, площади и другим признакам. Кроме того, по воз­действию на определенный компонент геологической среды им вы­делено три вида воздействий на: 1) напряженное состояние пород; 2) тепловое состояние пород и подземных вод; 3) режим поверхност­ных и подземных вод. В дальнейшем Ф.В. Котлов увязал типизацию техногенных воздействий с классификацией вызванных ими процес­сов, а затем с изменением природных физических полей. Близ­ка к этой систематизации и схема М. Арну (1984), а также схема выделения признаков типизации, предложенная Е.М. Сергеевым и В.Т. Трофимовым (1985) 64.

Разрабатывая это направление, А.Д. Жигалин 44, 86 пред­ложил подробную классификацию источников и типов техногенного воздействия. Источники воздействия классифицируются им по типам, периодичности, интенсивности, по форме, размерам, поло­жению относительно объекта воздействия. По виду оказываемого источниками воздействия они подразделяются на источники физи­ческого, химического, биологического и геологического воздей­ствия, на подвиды — по воздействующим факторам. Однако многие техногенные воздействия в этой классификации не были учтены.

Многими авторами предложены частные схемы типизации техно­генных воздействий на геологическую среду применительно к опре­деленному виду деятельности: например, для горнодобывающей промышленности или гидротехнической деятельности, для АЭС, для городского строительства и т.д. При этом авторами во многих слу­чаях под понятием "техногенное воздействие" понимались вид хо­зяйственной деятельности и те процессы, которые возникают как результат этой деятельности. Частные классификации техноген­ных воздействий, учитывающие источник, характер и результаты воздействия для некоторых видов деятельности, были разработаны Г.А. Голодковской и Ю.Б. Елисеевым 24.

Характер и интенсивность техногенного воздействия на геологиче­скую среду зависят от особенностей функционирования хозяйствен­ных объектов. В реальной обстановке воздействия от отдельных источников часто накладываются, суммируются, подавляются и ви­доизменяются. Это вызывает определенные трудности как при вы­делении и типизации техногенных воздействий, так и при их картографировании.

Одним из главных вопросов при разработке классификации техногенных воздействий является вопрос о признаках типизации или деления. Разрабатывая классификацию техногенных воздействий на геологическую среду, В.Т. Трофимов, В.А. Королев и А.С. Ге­расимова в ее основу положили следующие методоло­гические положения 64:

1. Признаки типизации должны отражать основные черты техногенных воздействий на геологическую среду разной природы; при­рода воздействия, его механизм должны быть отражены в его основ­ном таксоне – классе. В соответствии с этим, выделяются сле­дующие классы воздействий: физическое (в котором выделяются подклассы, обусловленные действием различных физических полей: механического, гидромеханического, гидродинамического, термического, электромагнитного, радиационного), физико-химическое, хи­мическое, биологическое. Воздействия перечисленных классов не сводятся друг к другу и оказываются полем соответствующей природы техногенного происхождения. Поэтому к характеристике техногенного воздействия данного класса в принципе применимы все показатели, используемые для оценки любого физического поля (интенсивность, геометрические размеры в трехмерном пространстве, стационарность или нестационарность поля во времени и т.д.).

2. В таксономическом ряду воздействий целесообразно выделить класс (подкласс), тип, вид и разновидность воздействия. Класс выделяется по природе (механизму) воздействия, тип – по характеру воздействия с учетом симметрии "прямого" и "обратного" действия (например, охлаждение – нагревание, уплотнение – разуплотнение и т.д.) безотносительно к источнику воздействия; вид воздействия – по конкретному техногенному влиянию, оказываемому тем или иным источником, раскрывающим его индивидуальность; раз­новидность воздействия может быть выделена по дополнительным местным признакам таким, как временной характер воздействия, геометрические размеры, положение в пространстве, обратимость, и интенсивность воздействия, и т.п.

3. Все выделяемые таксоны не должны зависеть от иерархического уровня рассмотрения геологической среды, поскольку один и тот же тип или вид воздействия может проявляться на разных масштабных или иерархических уровнях. В соответствии с этим классификация техногенных воздействий должна исходить из единого методологического подхода независимо от масштабного уровня инженерно-геологических исследований, при этом при переходе от одного уровня исследований к другому должна выдерживаться пре­емственность в осуществлении этого перехода.

4. Выделяемый вид (разновидность) воздействия должен характеризоваться конкретными количественными параметрами, отражающими его особенности, а также однозначно соотноситься с источником, его вызывающим и обусловливающим; он должен быть легко типизируем для картографирования. Геометрические показатели техногенных воздействий, отражающие размеры зоны влияния (мощность, глубина, ширина, площадь, объем воздействия и др.), могут не включаться в таблицу типизации в качестве показателей (параметров) того или иного воздействия. Эти показатели применимы для характеристики зон влияния воздействий всех видов и разновидностей.

5. В типизации должны быть учтены лишь "первичные" техногенные воздействия, непосредственно влияющие на основные компоненты геологической среды: горные породы, почвы и искусственные грунты, рельеф территории, подземные воды и геодинамические процессы. Многие техногенные воздействия, влияющие на геодинамические процессы, оказываются по отношению к ним "вторичными" и проявляются через воздействия на породы, рельеф и подземные воды. Компоненты геологической среды, на которые оказывается не­посредственное влияние данным техногенным воздействием, должны быть отражены в типизации для каждого вида.

6. Использование в типизации таких признаков деления, которые могут быть общими для всех типов воздействия, является нецелесо­образным (например, таких признаков воздействий, как "постоянные и временные", "площадные и точечные", "прямые и косвенные" и т.д.). Все эти признаки деления могут и должны использоваться при выделении разновидностей воздействий.

В соответствии с указанными принципами составлена клас­сификация техногенных воздействий на геологическую среду 64. В этой классификации первый класс техногенных воздействий на геологическую среду объединяет воздействия физической природы. Это самый большой и разнообразный класс, состоящий из шести подклассов.

К подклассу механического воздействия относятся техногенные воздействия на геологическую среду, оказываемые механическим путем без применения гидромеханизмов. Механическое воздействие передается на породы, рельеф и влияет на некоторые геодинамические процессы, но не передается непосредственно на подземные воды. В этом подклассе выделяются следующие шесть типов воздействий: уплотнение и разуплотнение, внутреннее (т.е. происходящее без изменения рельефа) разрушение массива и воздействия, происходящие с разрушением и переотложением грунтов и приводящие к изменению рельефа: планировка рельефа, техногенная "аккумуляция" (образование положительных форм) и "эрозия" (образование отрицательных форм) рельефа.

К подклассу гидромеханических воздействий, в отличие от предыдущего, относятся механические, осуществляемые с помощью гидромеханизмов. Эти воздействия в основном передаются непосредственно на породы, рельеф и связаны с геодинамическими, но не передаются непосредственно на подземные воды. В этом подклассе выделяется всего два типа: гидроаккумуляция рельефа (образование положительных форм) и гидроэрозия (образование отрицательных форм) рельефа.

Подкласс гидродинамических объединяет собственно гидродинамические воздействия на подземные воды, на их гидродинамический режим. Они влияют как на вещественные компоненты геологической среды (горные породы и подземные воды), так и на геодинамические процессы. При этом изменения рельефа проявляются в результате активизации геодинамических процессов. К этому подклассу отно­сятся воздействия двух типов: ведущие к повышению напора или уровня подземных вод и ведущие к их понижению.

К следующему подклассу отнесены техногенные воздействия термической природы, т.е. обусловленные действием положительных или отрицательных тепловых полей. Термическое техногенное воздействие вне криолитозоны в основном влияет непосредственно лишь на вещественные элементы геологической среды: горные породы и подземные воды и почти не влияет на рельеф и геодинамические процессы. В этом подклассе выделено два типа воздействий: нагревание и охлаждение компонентов геологической среды.

К подклассу электромагнитных техногенных воздействий относятся воздействия, осуществляемые под действием электрических, магнитных или электромагнитных полей. Электромагнитные воздействия влияют непосредственно лишь на вещественные элементы геологической среды: горные породы и подземные воды и не влияют на рельеф и геодинамику территории. В подклассе выделяются воздействия двух типов: стихийные и целенаправленные. Первые обусловлены действием слабых электрических полей, они, как правило, длительны или квазипостоянны и связаны с утечками электричества, наведением слабых полей и т.п. Вторые обусловлены действием электрических полей как постоянного, так и переменного электрического тока высокой напряженности, они, как правило, кратковременны и связаны с целенаправленным воздействием на объекты технической мелиорации горных пород.

И, наконец, подкласс радиоактивных объединяет воздействия, вызванные радиацией. Они не оказывают влияния на рельеф и геодинамические процессы, а влияют только на вещественные элементы геологической среды (горные породы и подземные воды). В этом подклассе также выделяются два типа воздействий — радиационное загрязнение и радиационная очистка компонентов геологической среды.

Во второй класс объединены техногенные воздействия на компоненты геологической среды физико-химической природы, т.е. обусловленные различными поверхностными физико-химическими явлениями и поглотительной способностью пород (адсорбцией, диффузией, осмосом, капиллярными явлениями и т.д.). Поэтому воздействия данного класса влияют лишь непосредственно на вещественные элементы геологической среды. Здесь выделяются такие типы воздействий, как гидратное, осуществляемое за счет техногенной гидратации или дегидратации пород, кольматирование пород, выщелачивание и ионообменное воздействие.

Третий класс включает в себя воздействия химической природы, обусловленные химическим взаимодействием различных веществ и компонентов геологической среды — пород и подземных вод. Воздействия этого класса влияют лишь на вещественные компоненты геологической среды и не влияют непосредственно на рельеф и геодинамические процессы. В этом классе выделяются три типа техногенных воздействий: химическое загрязнение, химическая очистка и химическое закрепление массивов горных пород.

В класс биологических воздействий объединяются техногенные воздействия биологической, точнее микробиологической природы, которые произвольно или непроизвольно вызываются человеком. Биологические техногенные воздействия оказывают влияние только на вещественные элементы геологической среды: горные породы и подземные воды и не влияют непосредственно на рельеф и геодинамические процессы. Среди них выделяются два типа воздействий – биологическое загрязнение и очистка компонентов геологической среды.

Наряду с описанной общей классификацией техногенных воздействий, существует целый ряд частных классификаций

Подавляющая часть воздействий, оказываемых в процессе инженерно-хозяйственной деятельности на геологическую среду, относится к категории целенаправленных [54, 134, 138]. Под этой разновидностью воздействий понимается весь комплекс сознательно осуществляемых в пределах геологической среды мероприятий, необходимых для строительства, функционирования и развития инженерных сооружений и их комплексов или направленных на улучшение природной обстановки (ликвидация или сокращение разрушающей деятельности геологических процессов, восполнение запасов подземных вод и т.п.), а также антропогенных ландшафтов (проведение рекультивационных работ и др.). К их числу относятся, например, проведение горно-разведочных работ, связанных с поиском и разведкой подземных вод, с изысканиями и строительством инженерных сооружений разных типов, изменение динамики естественного развития экзогенных геологических процессов с помощью системы регулирующих или защитных мероприятий и т.п. Они заранее планируются. Затем разраба­тывается проект их реализации с учетом данных инженерно-геологических изысканий. Они обычно контролируются как в процессе осуществления проектов, так и на стадии эксплуатации инженерных сооружений.

Второй разновидностью воздействий являются так называемые воздействия стихийные (непроизвольные), носящие характер последействия, последствия или резонанса осуществления целенаправленных воздействий, нередко произведенных на значительном удалении от мест возникновения первых 66. Например, откачка подземных вод для водоснабжения населенных пунктов или обеспечения работы горнорудного предприятия, осуществляемая как воздействие целенаправленное, оказывает стихийное воздействие часто на очень большой площади на всю осушаемую толщу горных пород, нередко сопровождаемое существенными изменениями состояния и физико-механических свойств этих пород, особенно высокодисперсных их разностей.

Прямые воздействия осуществляются путем непосредственного влияния на геологическую среду, косвенные – путем изменения условий на ее поверхности.

По характеру приложения воздействия подразделяются на статические и динамические, во времени – на длительные и краткосрочные, по глубине – на приповерхностные и глубинные, по площади – на точечные и площадные.

В результате техногенных воздействий на геологическую среду возникает целый комплекс техногенных геологических процессов, вызывающих ее изменение. Одни из них являются неизбежными: процессы этого типа возникают при данном воздействии как закономерное следствие, избежать их совершенно невозможно. Другие процессы возникают как сопутствующие; они составляют второй тип последствий техногенного воздействия на геологическую среду [54, 66, 134].

Оба этих типа последствий могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Последние приводят к наиболее существенным необратимым изменениям в геологической среде. Они являются однонаправленными, как правило, наиболее глубокими, влияющими на состояние всей природной среды в целом.

Обратимые и необратимые геологические процессы выступают в качестве подтипов последствий техногенного воздействия на геологическую среду. В этом же ранге мы можем рассматривать процессы наземные–подземные, площадные–точечные, длительно действующие–краткосрочные, проявленные–скрытые. К последним обычно относят такие процессы и их последствия, которые не выражаются в настоящее время в рельефе, а локализуются в толще горных пород. Их проявление возможно на более поздних этапах жизни массива при сохранении данного воздействия на него [66, 134].

Рассматривая вопрос о видах воздействия на геологическую среду, следует упомянуть, что в расчет необходимо принимать время распада (деструкции), т.е. время, за которое загрязняющее вещество разлагается и теряет свои токсичные свойства. Время распада загрязняющих веществ варьируется в широких пределах. Такие загрязняющие вещества, как растворы некоторых минеральных солей (например, хлоридов, сульфатов, нитратов), является очень стойкими соединениями, время их распада от нескольких месяцев до 5-10 лет. Бактериальное загрязнение характеризуется временем распада от 30-50 до 200-300 суток [100].

Таким образом, приведенные классификации объединяют все возможные виды техногенных воздействий на геологическую среду. Сами техногенные воздействия характеризуются различной природой, они действуют на разные компоненты геологической среды, и характер этого воздействия чрезвычайно разнообразен. В процессе хозяйственной деятельности человека воздействия на геологическую среду оказываются, как правило, комплексно, но, опираясь на приведенные классифи­кации, комплексные воздействия всегда могут быть расчленены на отдельные составляющие для их последующего анализа, оценки и отражения на картографических моделях.

Характер и интенсивность техногенного воздействия на геологическую среду зависят от особенностей функционирования хозяйственных объектов, поэтому в качестве основополагающих принципов типизации техногенных нагрузок г. Гомеля нами выбран вид хо­зяйственной деятельности и те процессы, которые возникают как результат этой деятельности.