12. Понятие о геоэкологических ситуациях.

Различные факторы техногенного воздействия приводят к нарушению естественного экологического состояния среды или к загрязнению ее компонентов, прежде всего почв, подземных вод и атмосферы.

Нарушенность природной среды обусловлена физическим (механическим, гидродинамическим и т.п.) воздействием на компоненты природных комплексов, при котором они деформируются и способствуют развитию неблагоприятных, часто опасных явлений. На примере систем разработки месторождений полезных ископаемых можно получить представление об основных процессах и явлениях подобного рода

Добыча полезных ископаемых и нарушенность природной среды проявляется:

Открытые горные работы (карьеры)- оползни, оплывины, изменение ландшафтов, деформации откосов, отвалов, иссушение территории, активизация карста, фильтрационное уплотнение грунтов,

Подземная (шахтная) разработка- оседание земной поверхности и провалы на ней, активизация карстовых, суффозионных и мерзлотных процессов, фильтрационное уплотнение грунтов, окисление, выщелачивание,

Извлечение полезного ископаемого скважинами – нефть, газ- оседание и провалы земной поверхности, активизация карстовых процессов, загрязнение подземных вод.

Влияние техногенеза на рельеф является региональным фактором, охватывающим огромные площади. Это в основном нивелировка и моделирование поверхности земной коры в результате планировки застраиваемых площадей, сельскохозяйственной обработки и плоскостного смыва почв. На ограниченных площадях техногенное влияние приводит к увеличению дифференциации рельефа, созданию крупных форм. Сходные явления наблюдаются на территории Беларуси (Солигорский промрайон, Микашевичское и Глушковичское месторождения строительного камня, карьер по добыче доломитов «Руба» и др.)

Влияние инженерных комплексов на природную среду влечет за собой глубокую перестройку совокупности инженерно-геологических процессов: Обнажение значительных площадей создает условия для активного плоскостного смыва, возникают предпосылки для появления промоин, а затем и оврагов, изменения водности, режима стока и мутности водотоков кардинально меняют характер русловых эрозионно-аккумулятивных процессов, обезлесение и подрезка склонов на площадях горных рудников благоприятствует обвально-осыпным и лавинно-селевым процессам, строительство линейных сооружений оказывает влияние на движение грунтовых вод, вызывает заболачивание и подтепление вдоль насыпей и трасс трубопроводов, районах многолетнемерзлотных пород активизируются процессы растепления грунтов, солифлюкции, наледообразования, термокарста.

Непрерывное увеличение площадей нарушенных земель в районах добычи полезных ископаемых требует разработки оперативной и эффективной системы рекультивации. Зависимость мероприятий по рекультивации от конкретных условий связана с тем, что площади горнопромышленного освоения состоят из нескольких зон:

- очаговой зоны с необратимыми изменениями природной среды - это территория непосредственно промышленных объектов;

- сильного влияния с уничтожением растительности и нарушением водного режима, почв и грунтов, где восстановление затруднено, но возможно;

- среднего влияния с угнетением отдельных видов растительности, прежде всего мхов, лишайников и в меньшей степени травянистых и древесно-кустарниковых видов;

- слабого влияния с локальными и несущественными изменениями, мало отличными от фона.

Разработка экологобезопасных технологий добычи, транспорта и переработки полезных ископаемых, мероприятий по охране и рекультивации природных комплексов требует организации экологического мониторинга, т.е системы регулярных наблюдений за состоянием природной среды. Служба мониторинга базируется на материалах отражающих современное состояние компонентов природной среды, функционирование всех элементов промышленных комплексов, опыт и перспективы освоения месторождений.

Загрязнение природной среды

В отличие от нарушенности, редко бывает «физиономичным», то есть внешне заметным. Поэтому для его обнаружения и оценки используются главным образом аналитические, полевые или лабораторные методы. Основные пути загрязнения горных пород и подземных вод идут от внешних оболочек Земли: атмосферы, поверхностных вод, почв и даже растительности. Реже загрязнение непосредственно попадает на значительные глубины (закачка газов, воды, буровых растворов или поверхностно-активных веществ, захоронение отравляющих веществ или радиоактивных отходов). В целом пространственно-временные закономерности распределения загрязнителей в породах очень сложны, так как имеет место совокупное влияние многих источников воздействия, а так же миграция загрязнения, зависящая от геологических и гидрогеологических условий территории и от характера подземного сооружения (шахты, скважины, хранилища). На региональном уровне загрязнение литосферы во многом зависит от фонового состояния внешних оболочек. На локальном уровне наибольшее значение имеет воздействие крупных промышленных комплексов, городов, объектов складирования или захоронения отходов. Заслуживают внимания и локальные зоны загрязнения, связанные с трубопроводами и с транспортными коммуникациями.

На территориях, где находятся предприятия горнодобывающего комплекса, наблюдается активное поступление в атмосферу, а затем и в геологическую среду углеводородов и пылеватых частиц. Окислы серы и азота, образующие в атмосфере кислоты, способствуют повышенному закислению почв и грунтов. Для выбросов химических предприятий характерно значительное содержание аммиака, хлора сероуглерода, сероводорода, а также таких высокотоксичных соединений как пятиокись ванадия, ацетон, толуол, бензол. Через сточные воды от химических предприятий в геологическую среду попадают фенол, анилин и металлы - медь, цинк, ванадий, никель.

Почвы и поверхностные отложения в нефтедобывающих районах подвергаются воздействию многих загрязнителей, среди которых одним их основных является нефть Загрязненные нефтью почвы испытывают сложные необратимые изменения. В почво-грунтах возрастает общее количество органического углерода, битуминозных веществ и полициклических ароматических углеводородов. Ухудшение водно-воздушного режима идет за счет диспергирования частиц грунта и гидрофобных свойств нефти. Уменьшается содержание водно-растительных углеводородов, водно-растительного органического вещества, свободных гуминовых кислот. В то же время общие запасы органического вещества, тип гумуса и его распределение по профилю меняются мало. Важные последствия нефтяного загрязнения - битуминизация, изменение почвенного поглощающего комплекса, внедрение ионов натрия и развитие солонцового процесса Хозяйственное использование почв, загрязненных нефтью, возможно только через 15-20 лет. Среди других загрязнителей почвы и грунтов можно назвать тяжелые металлы, соединения серы, фосфора, азота. При этом одни из них обладают пониженной миграцией, накапливаются в подстилке и верхних горизонтах - металлы, соединения фосфора, органические компоненты, пыль, а другие мигрируют по профилю почвы достигая горизонтов подземных вод - например, соединения азота и серы.

Бурение скважин при разведке и эксплуатации месторождений сопровождается сооружением котлованов-отстойников, где накапливаются отходы бурения - нефтепродукты, химреагенты, минеральные соли. Загрязняя поверхность, эти соединение фильтруются в грунты и путем горизонтальной миграции могут распространяться на большие расстояния.

31. Основной инструментарий и возможности системы ГБД-э

Программный инструментарий геоэкологического мониторинга должен обеспечивать и поддерживать сбор и обработку данных наблюдений, оценок и прогнозов антропогенных изменений состояния среды, ответных реакций экосистем на поступление в природную среду веществ, микроорганизмов, энергий, вызывающих изменение свойств компонентов природы и (или) оказывающих вредное воздействие на человека, флору и фауну. Соответствующие системы должны включать программы расчетов для простой констатации фактов, инструментарий для выполнения экспертных оценок и моделирования как основы прогноза состояния среды. В силу этого эффективная система мониторинга невозможна без следующего:

• научно обоснованной схемы размещения постоянных или мобильных пунктов наблюдений, которые обеспечены необходимыми техническими средствами для замеров, визуальных наблюдений и накопления данных;

• сформированных и постоянно дополняемых баз атрибутивных и пространственных данных, географических информационных систем (ГИС), обеспечивающих систематизацию, хранение, анализ результатов наблюдений и измерений, визуализацию этих результатов;

• цифровых (математических, численных) моделей, работающих с информационной основой, обеспечивающих планирование наблюдений и экспериментов, построение и оценку прогнозных сценариев, поддержку принятия управленческих решений.

Считается, что наиболее эффективное решение проблемы создания компьютерной системы геоэкологического мониторинга возможно путем адаптации и настройки на требуемый класс задач специализированной ГИС с дополнительными подсистемами численных моделей.

В настоящее время разработаны и применяются большое количество разнообразных как инструментальных ГИС, так и систем, адаптированных для решения задач в конкретных отраслях. В настоящей работе обсуждаются математические алгоритмы, основные приемы формализации и построения цифровых геоэкологических моделей в системе ГБД-э.

ГБД-э (ГеоБаза Данных визуализации изменений экологического состояния) – интерактивная компьютерная система, объединяющая комплекс интеллектуальных вычислительных подсистем, математического, алгоритмического и программного обеспечения. Система ГБД-э предназначена для наполнения, сопровождения и визуализации следующих баз данных и знаний: геометрических, геофизических, техногенных, геоэкологических параметров экосистем; характеристик тепло-, влаго-, массопереноса в грунтах и атмосфере; цифровых и регламентных описаний источников и видов воздействия на природную среду; входных данных для имитационных и математических моделей. Инструментарий системы ГБД-э позволяет выполнять предобработку и визуализацию исходных данных, характеризующих физико‑географические и гидрографические особенности исследуемой территории. Средствами ГБД‑э можно формировать и визуализировать цифровые описания пространственных распределений данных об источниках загрязнения, о геологическом строении изучаемых объектов; графически иллюстрировать решения задач, описывающих динамические процессы миграции флюидов, переноса тепла, влаги, минеральных водорастворимых соединений в толщах пород; конструировать и реализовывать интерактивные сценарии визуализации и обработки результатов вычислительных экспериментов. Подсистемы ГБД-э позволяют рассчитывать и выполнять в разных приближениях экспертные оценки локальных и интегральных характеристик экосистем, выполнять расчет распределений концентраций и массовых балансов загрязняющих веществ; формировать и выводить на твердые копии тематические карты.

Состав системы ГБД-э:

• генератор данных, включающий программные модули импорта, экспорта, ввода и редактирования в режиме электронной таблицы данных геометрических, геофизических, емкостных и др. характеристик объектов;

• генератор программных модулей типовых расчетных алгоритмов и функциональных описаний определяющих функций, включающий подсистему аппроксимации табличных данных аналитическими выражениями;

• генератор и редактор тематических карт и цифровых полей Gen_MAPw – многофункциональный программный комплекс. В частности, Gen_MAPw обеспечивает возможности: создания и редактирования векторных изображений; поддерживает расчет по нескольким методикам и алгоритмам цифровых полей, аппроксимирующих распределения по объемам геометрических, геофизических и др. характеристик подземных резервуаров, деятельных слоев почвогрунтов. Gen_MAPw может использоваться для расчета и визуализации цифровых полей, описывающих распределения техногенной нагрузки в моделируемых средах;

• программный комплекс Gео_MDL ‑ математический, алгоритмический и программный инструментарий для построения геологических моделей слоев почвогрунтов, многослойных пластов. Этот комплекс может работать в интерактивном и пакетном режимах, его модули обеспечивают пользователя средствами анализа, наглядного представления, моделирования ограничивающих поверхностей и распределений геофизических и др. параметров в слоях, на территориях;

• модули трехмерной визуализации динамических процессов распространения водорастворимых загрязняющих веществ в деятельных слоях почвогрунтов;

• модули организации и поддержки функционирования в интерактивном или пакетном режимах геоинформационных систем.