книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 10. Гидрологичес ;ш и с криологические опасные природные процессы

вий — несколько сотен. Немало хлопот вызывают и так называемые подра­ ботанные территории. К примеру, нашумевший провал на Дмитровке был связан с тем, что в глубоколежащий коллектор буквально смыло породу, в результате чего образовалась пустота.

К зонам высокого риска проявления опасных геологических явлений относится значительная часть столицы, и их площадь растет. Например, хозяйственная деятельность человека может привести к тому, что в зоне карбонатных пород резко понизится уровень грунтовых вод. Тогда вода, просачивающаяся сверху, растворяет карбонатные породы, и вероятность аварийной ситуации резко увеличивается. При проектировании Третьего транспортного кольца были проведены необходимые исследования, и ока­ залось, что немалая часть новой трассы проходит над карбонатными поро­ дами. Ученые дали свои рекомендации строителям и составили прогноз развития ситуации, так что за Третье кольцо можно не беспокоиться.

Механизмы защиты от грунтовых вод в арсенале строителей имеются. Прекрасный пример: старое здание ПНИИИС, построенное в 40-х годах по проекту И. Жолтовского. На двухметровой глубине вокруг здания была за­ ложена дренажная система, и в подвалах было настолько сухо, что там хра­ нилась бумага. Позднее к старому зданию была сделана пристройка, нару­ шившая дренаж, в результате подвалы оказались затоплены. Приходится бороться со своей собственной бесхозяйственностью и безалаберностью проектировщиков. Таких примеров очень много.

На сегодняшний день подтоплено более 40% территории города, а про­ гнозы говорят о том, что к 2010 г. «поплывет» половина Москвы. Особенно опасно подтопление в Лефортове, Замоскворечье, на северо-востоке Соколь­ ников, на Ивантеевской улице, южнее площади Гагарина. В зоне подтопле­ ния и оползней находятся почти 300 опасных объектов, в том числе ТЭЦ, нефте- и газоперерабатывающие заводы.

Не всегда полезно и понижение уровня грунтовых вод. На Софийской набережной совсем недавно начал разрушаться дом из-за того, что слабые осушенные грунты дают значительную усадку. Вероятно, вскоре это здание пойдет под снос. Подобные процессы идут и на других пойменных террито­ риях Москвы-реки, хотя за ними в последнее время стараются следить.

Всередине 90-х годов из-за оползня, возникшего на склоне речной до­ лины, был отселен 16-этажный дом в Железнодорожном. Несколько раньше под угрозой обрушения оказались стены Ново-Иерусалимского монастыря в Истринском районе. Все из-за тех же оползней на берегу реки Лопасня у се­ ла Хатунь было разрушено около 300 м шоссе.

Втом же Железнодорожном в 1996 г. образовался провал, явно спрово­ цированный утечками воды из подземных коммуникаций. На территории Подольска и в его окрестностях не раз наблюдались провальные явления, связанные с выносом грунтов в заброшенные штольни. А на границе Крас­ ногорского района Московской области и микрорайона Митино при стро­ ительстве производственной базы образовался техногенный оползень.

461

Раздел //. Опасные природные процессы

Первое в Москве разрушение карстом было отмечено в 1969 г. на Хоро­ шевском шоссе. Пострадал дом № 35, корпус 2 — всего в нескольких десят­ ках метров от станции метро «Полежаевская». Со звоном лопнули стекла, в квартирах начала облетать штукатурка, затрещали и посыпались перекрытия.

Вотличие от скоротечных землетрясений, пораженный карстом дом разру­ шался на протяжении нескольких дней. У жильцов было достаточно време­ ни, чтобы покинуть аварийное жилище и спасти часть вещей. До конца дом так и не расползся, однако повреждения оказались настолько существенны­ ми, что ремонту он не подлежал.

27 апреля 1977 г. земля затряслась в Новохорошевском проезде, между домами № 3 и № 4. В квартирах ощущались довольно сильные толчки. Причину установили быстро: в непосредственной близости от домов нача­ лось заметное оседание грунта. Несмотря на принятые меры, противопоста­ вить наступлению карста так ничего и не смогли. Развитие событий ускорил дождь, прошедший утром 28 апреля. Вода стекала в образовавшуюся между домами низину, которая на глазах превратилась в провал, пока еще неглубо­ кий, затем ушла вглубь, размывая остатки грунта, державшего на себе окре­ стные сооружения. Дальше события развивались медленно, но неудержимо.

Вворонку постепенно сползали асфальт дорожек, деревья, отмостка. По сте­ нам дома № 4 пошли трещины. В доме № 3 рухнули перекрытия — сначала одно, потом другое, — вывалилась часть стены. Не дожидаясь дальнейших разрушений, дом сломали.

Карст продолжал развиваться и под дом № 4. Правда. 5 мая показалось, что процесс остановился, однако спустя дней десять стало ясно, что и этот дом обречен. Его южная часть накренилась, рассыпались стены, падали пе­ рекрытия. В результате и этот дом сломали.

Вдействительности же все реально произошедшие случаи карстовых раз­ рушений зафиксированы лишь в ближайших окрестностях Хорошевского шоссе. Нашумевший недавний провал на Большой Дмитровке, поглотивший фасад старого двухэтажного дома, вызван другой причиной — чисто механи­ ческим вымыванием слабого грунта. Такой процесс называется суффози­ ей. Часто суффозия действует совместно с карстом, и тогда речь идет уже о карстово-суффозионных процессах.

10.6.3

Колебания уровня грунтовых вод

Под грунтовыми понимают свободные (гравитацион­ ные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного гори­ зонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой час­ ти коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном

462

Гшва 10. Гидрологические и гидрогео югические опасные природные процессы

по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыще­ ния называется уровнем или зерксьюм грунтовых вод. Порода, насыщенная во­ дой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изме­ няется в пространстве и во времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов.

По гидравлическим свойствам грунтовые воды являются безнапорны­ ми со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и ко­ лодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соот­ ветствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.

Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые пото­ ки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям). Там происхо­ дит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дре­ нирования (от франц. «дренаж» — сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной. Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) гради­ ента, а также от водопроницаемости горных пород.

Режим грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтруюшихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грун­ товых вод повышается, а в маловодные годы — понижается. При таких ко­ лебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В ре­ зультате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения. Вместе с колебанием уровня грунто­ вых вод изменяется дебит (от франц. «дебит» — расход) источников, а ино­ гда и химический состав. В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими во­ доемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях опреде­ ляется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод.

463

Pcndei //. Опасные природные процессы

Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидро­ станций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях не­ обходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади.

Колебания уровня грунтовых вод могут быть обусловлены как внеш­ ними экзогенными (ливни, наводнение, промерзание грунта, общее реги­ ональное увеличение увлажнения от таяния ледников), так и эндогенными причинами. Так, при землетрясении в зоне сжатия (например, в Спитаке) происходило временное выжимание поровых вод и образование небольших озер и водоемов в зоне будущего землетрясения. Фазы тектонических сжа­ тий, более длительные по времени, также приводят к выжиманию поровых вод в целом регионе и накапливанию их в замкнутых бассейнах типа бес­ сточных озер.

Негативные последствия. Если грунтовые воды выходят к самой поверх­ ности (а это часто бывает на равнинах с холодным и влажным климатом), то территория заболачивается. Так могут образоваться болота и даже непро­ ходимые топи (Западная Сибирь). Для городов это означает подтопление.

Подтопление (ГОСТ Р 22.0.03-95, п. 3.3.10) — повышение уровня грунто­

вых вод, нарушающее нормальное использование территории, строительство и эксплуатацию расположенных на ней объектов. Во всех случаях ухудшается сток, разрушаются технические сооружения подвалов, и снижается урожай­ ность сельскохозяйственных культур. Подтопление чаще всего может быть вызвано созданием гидротехнических сооружений (водохранилищ, плотин, каналов и др.) и подпором поверхностных вод, а также неправильным оро­ шением сельскохозяйственных земель. Это приводит к значительным поте­ рям воды в оросительных системах. Так, в нашей стране на 1988 г. это соста­ вило в среднем 32 856 млн м\ или около 19% общего водозабора. Наиболее водосберегающие системы полива (капельное орошение и др.) внедрены на весьма незначительных площадях. Все это создало сложную проблему — подтопление. На территории России значительно подтоплены около 900 го­ родов, более 500 поселков городского типа и тысячи мелких населенных пун­ ктов, 256 элеваторов и т.д. Общая площадь подтопленных земель составляет более 80 тыс. км2, а сельскохозяйственных угодий — более 34 тыс. км2 [Ка­ закова С.А., Слинко Л.П., 1993].

Впервые в России составлены каталог 2011 подтапливаемых населенных пунктов и карта в масштабе 1:5 000 000, на которой выделено 8 типов гид­ рогеологических районов с учетом пораженности района, скорости развития процесса и времени подъема уровня воды до глубины 2—3 м.

При подъеме уровня солоноватых вод происходит еще и засоление почв — процесс накопления в верхних слоях почвы легкорастворимых со­ лей (карбоната натрия, хлоридов, сульфатов и др.). Такое явление характер­

464

Глава 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

но для засушливых районов с поливным земледелием. Как бы там ни было, но вода для полива подается не дистилированная, а из ближайших скважин или, что хуже, из водоемов, и она в любом случае содержит соли. Процесс вы­ паривания, повторяющийся многократно за счет испарения и новых поливов, приводит к накоплению солей в верхних горизонтах почвы. Наиболее распро­ странено это явление в аридных областях. Например, в Пакистане подвергну­ то засолению 75% площади орошаемых земель, в Ираке и Иране — более 50%, в Египте — 44%, в США — более 27%, в бывшем СССР — 20% земель. Установлено, что даже при слабом засолении резко снижается урожайность сельскохозяйственных культур: хлопчатника и пшеницы — на 50—60%, куку­ рузы — на 40—50%. В настоящее время для борьбы с засолением проводят ре­ конструкцию оросительных систем, дренаж, капельное орошение и др.

Повышенный уровень грунтовых вод усиливает наводнение, так как в этом случае весь объем поступивших вод идет по поверхности и отсутствует проникновение его в грунт, т.е. как бы исчезают внутренние резервуары, спо­ собные аккумулировать с поверхности значительную часть вод. Например, в песках Сахары, где уровень грунтовых вод очень низок, воды любого ливня инфильтруются, и нет угрозы наводнения. Вода задерживается лишь в быв­ ших водоемах, так как там за долгое время сформировалась чаша из глини­ стых водоупоров.

При высоком уровне грунтовых вод объединяются все верхние колле­ кторы, и происходит заражение вод от промышленных и бытовых отходов. Именно поэтому в селениях нужны глубокие колодцы, достигающие меж­ пластовых горизонтов, или артезианские скважины, так как межпластовые воды экранированы сверху и снизу водоупорами.

Морозные явления блокируют повышение уровня грунтовых вод и способствуют наводнениям.

Превентивные мероприятия. На случай длительных сухих периодов в ле­ сах, где много торфяников и существует опасность их возгорания, проводят специальные мероприятия по созданию запасных искусственных водоемов. Это же делается и в потенциально засушливых районах: на реках создают во­ дохранилища-накопители, вода из которых используется в сухой период, роют глубокие колодцы и бурят скважины.

При высоком уровне грунтовых вод, когда возникает опасность наводне­ ния, приводится в порядок вся дренажная система с учетом ожидаемого уров­ ня вод.

В городах большая часть территорий покрыта асфальтом и бетонными сооружениями. Поэтому там значительно снижены возможности поглоще­ ния ливневых вод. Приходится применять системы ливневой канализации и строить временные водозаборы типа шахт и накопителей, куда вода устрем­ ляется по поверхности и коммуникационным сооружениям, в случае экстре­ мальной ситуации происходит откачка накопившейся воды насосами и сброс ее в отводные каналы.

465

Раздел II. Опасные природные процессы

10.6.4

Колебания уровня вод закрытых водоемов

Бессточные озера есть на всех континентах. Они за­ нимают 25% плошали суши. Назовем некоторые из наиболее известных озер: Каспий, Арал, Балхаш, Иссык-Куль, Урмия, Ван — в Евразии; Чад, Рудольф — в Африке; Эйр, Торрес — в Австралии; Большое — в Северной Америке, Титикака — в Южной Америке, Кукунор и Хубсугул — в Цент­ ральной Азии. Их уровни колеблются с периодом 25—45 лет.

При потеплениях меняется уровень бессточных озер. Так, повышение температуры на 0,5° за период с 1900 по 1980 г. отразилось на их уровне. Например, уровень озера Рудольф упал на 15 м, Арала — на 8,5 м, Мертво­ го моря — на 6,3 м, Каспия — на 3,5 м и т.д. Но как объяснить быстрый подъем Каспия с 1977 г., достигший уже 2,1 м на фоне продолжающегося потепления? Сток Волги в это же время был на 20% больше, но этого мало. Одно из объяснений: тектоническое сжатие зоны Кавказско-Среднеазиат­ ского региона и отдача воды из пор.

Поражающ ие факторы. При повышении уровня наблюдаются затопле­ ние берегов, портовых сооружений, угроза штормов прибрежным дорогам; поднятие уровня грунтовых вод вызывает серьезный экономический ущерб. При понижении уровня возникает недостаток техногенной, сельскохозяйст­ венной и питьевой вод

10.6.5

Эрозионная деятельность рек

Наиболее ярко эрозионная деятельность рек прояв­ ляется при прокладывании русла в толще горных пород, похожем на длитель­ ное прорезание твердого материала водной пульпой (смесь воды с песчани­ стым материалом) (рис. 10.33).

Постоянные водотоки — ручьи и реки — текут в долинах, выработанных текучей водой совместно со склоновыми процессами. По рельефу резко раз­ личаются долины горных и равнинных рек. Долины горных рек узкие, с кру­ тыми склонами, глубоко врезаны, так как проложены в твердых коренных породах. Долины равнинных рек широкие (до десятков километров), глуби­ на их небольшая, склоны пологие.

466

Гшва 10. Гидрологические и гидрогеологические опасные природные процессы

Рис. 10.33. Структурные террасы на склонах речной долины: 1 — податливые породы; 2 —пласты стойких пород [Леонтьев О.К., Рычагов Г.И., 1979|

Склоны, примыкающие к долине и возвышающиеся над ней, называют­ ся коренными берегами. Крутизна и форма коренного берега зависят от сла­ гающих его пород, от деятельности реки (например, он круче, если в его сторону преимущественно направлена боковая эрозия) и от склоновых про­ цессов. В склонах коренных берегов часто обнажаются горные породы, сла­ гающие местность, поэтому при геологической съемке самые важные марш­ руты проходят по долинам рек.

Ни одно естественное русло не бывает изначально прямолинейным. И уже эти изгибы русла способствуют тому, что происходит боковая эрозия. Ударяясь в вогнутый берег, река подмывает его, а у выпуклого берега откла­ дывает наносы; русло смешается в сторону вогнутого берега, изгиб делается все круче. Так как вогнутым оказывается то левый, то правый берег, крутые изгибы русла — u3jiy4UHbi4 или меандры (меандр — от древнего названия сильноизвилистой реки Меандр в Малой Азии; современное название — Большой Мендерес). развиваются в обе стороны от первоначального русла, пояс излучин постепенно расширяется. Когда количество воды в реке уве­ личивается (половодье или паводок), русло становится тесным, река выхо­ дит из берегов. Прилежащие к руслу участки, заливаемые ежегодно, или раз в несколько лет, или, наконец, лишь при исключительно высоких уровнях воды, — это пойма реки.

Если излучины очень круты и между ними осталась лишь узкая пере­ мычка, то она может быть прорвана рекой. Русло в этом месте спрямляется, а старый, более длинный участок русла оказывается ненужным и образует пойменное озеро — старицу\ которая постепенно отчленяется от русла нано­ сами песка и ила (рис. 10.34). Некоторое время старица еще продолжает быть озером, затем превращается в болото и сырой луг. Старицы и следы переме­ щения русла — характерные элементы рельефа поймы равнинных рек.

Река вырабатывает свою пойму в основном путем боковой эрозии. Но русло может врезаться и вниз — этот процесс называется глубинной эро­ зией. Это бывает при понижении уровня водоема, в который впадает река,

467

Глава 10. Гидрологические и ^идрогео югические опасные природные процессы

Терраса — пойменная или надпойменная — может быть целиком сло­ жена аллювием, в этом случае она называется аккумулятивной. Если в об­ рыве террасы под аллювием обнажаются породы, не образованные рекой, а те же, что слагают коренной берег — это цокольная терраса, а лежащие под аллювием породы составляют ее цоколь. Наконец, терраса может быть выработана в породах коренного берега и совершенно лишена аллювия — это эрозионная терраса (рис. 10.35).

В устье река теряет энергию, скорость ее течения резко снижается, и происходит то же, что и в нижней части временного водотока: впадая в мо­ ре или озеро, водный поток откладывает несомый им твердый материал. Если устье промывается приливами, то они способствуют тому, что мате­ риал проносится дальше, образуется расширенное устье — эстуарий (от лат. aestuarium — затопляемое устье реки). Типичные эстуарии — устья Темзы, Конго, реки Св. Лаврентия. Если же такого промыва нет (устья Волги, Дуная, Невы) или река несет очень много материала (устье Амазонки, общее устье Ганга и Брахмапутры), он накапливается в устье, образуя дельту. Иногда река прорезает дельту одним руслом (рис. 10.36, а), а чаще дробится на рука­ ва, образуя многочисленные острова (рис. 10.36, б, в).

Рис. 10.36. Различные типы дельт: а — клювовидная (Тибр); б —лопастная (Миссисипи); в — мелколопастная, многорукавная (Волга) [Леонтьев О.К., Рыча­ гов Г.И., 2000J

Все эти ситуации свершаются в течение длительного геологического времени. Однако во время наводнения происходит резкое увеличение мощ­ ности потока, и тогда река преображается — она превращается в грозный разрушитель. В мгновение ока подмываются и рушатся берега вместе с на­ ходящимися на них строениями, смывается плодородный слой земли в пой­ мах рек или загрязняется наносами.

469