Document 2560573
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» РОГОВСКИЕ ЧТЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ, ГИДРОГЕОЛОГИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения профессора Геннадия Маркеловича Рогова 7–9 апреля 2015 года Томск, Россия Томск Издательство ТГАСУ 2015 УДК 624.131.1+556.3+55:502.52(062) ББК 26.3я431 Р59 Роговские чтения. Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии урбанизированных территорий. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения профессора Геннадия Маркеловича Рогова [Текст]. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2015. – 347 с. ISBN 978-5-93057-646-7 В сборнике рассмотрены проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии урбанизированных территорий, важные как для сегодняшнего этапа развития экономики и научнотехнического потенциала страны, так и на перспективу. Приведены результаты теоретических и прикладных исследований специалистов, направленных на развитие ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологий, промышленное освоение новых территорий, модернизацию ЖКХ, обеспечение экологической безопасности урбанизированных территорий. Издание будет полезно для широкого круга специалистов: гидрогеологов, инженеров, геологов, геохимиков, специалистов в области механики грунтов, техносферной безопасности, информационно-компьютерных технологий, строителей в решении широкого спектра инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических проблем. УДК 624.131.1+556.3+55:502.52(062) ББК 26.3я431 Редакционная коллегия: В.А. Клименов, доктор технических наук, профессор; В.Е. Ольховатенко, доктор геолого-минералогических наук, профессор; О.Д. Лукашевич, доктор технических наук, профессор; Г.Г. Семухина, директор издательства ТГАСУ. Все материалы конференции представлены в авторской редакции. ISBN 978-5-93057-646-7 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2015 ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ УДК 556.1 ВОДА КАК ОСНОВА ГЛАВНОГО ПРОТИВОРЕЧИЯ, ОПРЕДЕЛИВШЕГО МЕХАНИЗМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ С.Л. Шварцев Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, г. Томск, Россия, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия В статье показано, что система вода – порода обладает рядом фундаментальных свойств, которые обеспечивают внутреннюю ее эволюцию. Основные механизмы этой эволюции позже унаследованы живой материей. Подробно обсуждается суть и программа этой эволюции, ее движущие силы, управляющие параметры. Ключевые слова: вода-порода, вода-органическое вещество, взаимодействие, эволюция, механизмы и программа эволюции, равновесие, управляющий параметр. Долгое время считалось, что процессы эволюции характерны только для биологических объектов, но сейчас очевидно, что все неравновесные стационарные системы способны к эволюционным преобразованиям, суть которых заключается в переходе такой системы при определённых условиях в принципиально иное состояние. При этом новое состояние может быть намного сложнее, с более высоким уровнем упорядоченности. Такое возможно, если более позднее состояние усваивает из внешней среды больше энергии, чем это требовалось для прежней (материнской) системы. Тем самым в середине XX в. представление об эволюции окружающего мира резко расширилось и возникло учение о глобальной эволюции [1]. Одним из главных компонентов этого мира является вода – самое необычное вещество нашей планеты с совершенно уникальными свойствами [2]. Но это уникальное соединение, без которого жизнь невозможна, оказалось забытым при выявлении механизмов глобальной эволюции, начиная с трудов Ч. Дарвина и кончая современными исследователями. Исключением являются, пожалуй, только работы В.И. Вернадского, а ранее – Ж.Б. Ламарка, А.Г. Вернера, Р. Дюбуа и др. Всем известно, что без воды жизнь невозможна, но как вода создает жизнь – не знает никто. И только в самое последнее время эта тайная завеса начала приоткрываться [4]. В основе наших разработок лежит твёрдо установленный факт равновесно-неравновесного состояния системы вода-порода, из которого вытекает положение о наличии на нашей планете грандиозного непрерывного многопланового геологического процесса – растворения водой исходных (магматических) горных пород и формирования принципиально новых минеральных образований (осадочных пород) и новых многочисленных геохимических типов воды. Каждый вторичный минерал формируется в водном растворе строго определённого состава (геохимический тип воды) и образует с ним тесную парагенетическую ассоциацию, которую мы назвали гидрогенно-минеральным комплексом. Процессы переработки магматических пород не прекращаются и в наше время: до тех пор, пока на земле существует вода, участвующая в круговоротах, и исходные породы (базальты), эти процессы будут продолжаться. Понятие о равновесно-неравновесном состоянии рассматриваемой системы отражает принципиально новый факт внутренне противоречивого состояния этой системы, ее способности к непрерывному взаимодействию с образованием новых твердых и жидких продуктов. Оказалось, что взаимодействие воды с горными породами – это не частное или локальное явление, ограниченное по времени, а глобальный непрерывный процесс строго направленного преобразования водой горных пород 3 Роговские чтения с образованием принципиально новых продуктов. Налицо новое, пока еще до конца не осознанное явление глобальной эволюции в неживой материи [5]. Уникальность системы вода – порода состоит еще и в том, что с некоторыми минералами эндогенного генезиса равновесие воды в принципе невозможно. Удивительно и то, что в эту группу входят минералы, слагающие базальты, т. е. силикаты и алюмосиликаты, Ca, Mg и Fe изначально образовавшие нашу планету. Причина такого явления состоит в том, что поступающие из базальтов в раствор химические элементы связываются новыми минеральными соединениями, формирующимися в этой системе. Вторичных минералов, образуемых водой много (по крайней мере, несколько тысяч), но главными из них являются окислы, гидроокислы, алюмосиликаты (глины), карбонаты, цеолиты, хлориты, реже сульфаты, фосфаты, хлориды, силикаты и т. д. Перечисленные вторичные минералы выступают геохимическими барьерами на пути установления равновесия подземных вод с первичными минералами базальтов. На рис. 1 показан пример, как устанавливается это барьер при растворении минералов Mg. Рис. 1. Степень насыщения подземных вод разной солености относительно форстерита: К1 – константа растворения форстерита при разных парциальных давлениях CO2 и [H4SiO4]; К2 – то же, магнезита; 1–9 – подземные воды зоны гипергенеза разных регионов мира [12]; 10 – соленые воды Донбасса; 11 – океаническая вода; 12 – соленые седиментационные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна: 13–16 – рассолы Сибирской платформы Везде, где есть вода, она растворяет одни минералы и формирует другие. Такое внутренне противоречивое состояние системы не исчезает со временем. Это состояние системы, без которого существование невозможно. Значит оно играет особо важную роль в эволюции неживой материи. Необходимо, однако, помнить, что химические элементы активны только в растворах, газах и расплавах, поскольку в твердых телах их активность всегда равна единице. Поэтому с момента появления воды на нашей планете начался грандиозный процесс перевода химических элементов в активное состояние, позволяющее им по И.Р. Пригожину переходить из «спящего» состояния в активно-возбужденное, и формировать когерентные связи, распространяющиеся на большие расстояния. В растворе атомы как бы теряют свою состоятельность и становятся зависимыми один от другого. В этом случае система ведет себя так, как вместилище дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии 10–8 см), система строится так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии в целом [1, c. 229]. В системе вода – порода такие силы имеют реальную физическую природу, связанную со структурой воды. Под действием постоянно поступающих в подземные воды из горных пород одних химических элементов и активно высаживаемых в форме новых минералов других, происходит непрерывное строго направленное изменение структуры воды, которая «информирует» об этом все находящиеся в растворе элементы. Появляется новый спектр эволюционных форм, связанных невидимыми нитями, через которые передается информация всему сообществу. Благодаря данному свойству, в верхней части земной коры, там, где находится жидкая вода, развивается один из наиболее масштабных процессов мобилизации водой химических элементов, преобразования одних горных пород в другие, непрерывного формирования новых геохимических 4 Пленарные доклады типов воды, новых минералов и гидрогенно-минеральных комплексов. Все это в конечном счете ведет к грандиозному изменению минерального вещества и состава воды, изначально образовавших нашу планету. Следовательно, вода с горными породами формирует уникальную систему, которая способна к длительной геологической эволюции даже без участия живой материи. Базовые процессы протекают строго по законам термодинамики и отличаются наличием жёсткого порядка [5]. Каждый вторичный продукт формируется при определённых параметрах среды, которые контролируют его состав. Важно также, что химические элементы активны только в растворах и что с изменением состава раствора меняется его структура – источник информации. Все сказанное позволило нам показать, что система вода-порода обладает свойствами внутренней эволюции, которая протекает независимо ни от каких внешних факторов [6]. Растворение породы водой не зависит ни от температуры, ни от давления, ни от характера среды, ни изменения магнитного поля, размера континентов, интенсивности магматизма, состава атмосферы. Вода всегда и всюду с той или иной скоростью растворяет минералы, меняет состав своего раствора, формирует те или иные вторичные минералы, новые геохимические типы, гидрогенно-минеральные комплексы независимо ни от каких внешних факторов. Последние могут ускорять или замедлять процессы взаимодействия в системе вода-порода, его продолжительность и скорость, среду и масштабы взаимодействия. Но они не способны остановить само взаимодействие воды с породой. Нет в природе сил, которые бы могли прекратить химические процессы в рассматриваемой системе. Такое возможно только путем отделения воды от породы. Но в таком случае исчезает сама система. Независимость от внешних факторов взаимодействия воды с горными породами свидетельствует о наличии в рассматриваемой системе механизмов внутренней эволюции, которые обеспечивают единое целое системы, ее внутреннюю обособленность и независимость от внешней среды, естественно в условиях притока вещества и энергии, поскольку мы имеем дело со стационарной системой [5]. Именно эта внутренняя направленность эволюции, делает её похожей на биологическую. Следовательно, с появлением воды на Земле возникла стационарная неравновесная система вода-порода, способная к непрерывной внутренней эволюции с образованием принципиально новых минеральных соединений и геохимических типов воды. Именно взаимодействие гидросферы с литосферой, а не атмосферы с биосферой, как полагают некоторые учёные, представляется одним из наиболее важных процессов, обеспечивших становление и развитие Земли и её глобальной эволюции. Как оказалось, программа такой эволюции удивительно проста: вода непрерывно растворяет горные породы, с которыми она неравновесна, накапливает в растворе химические элементы и, формируя новые связи между ионами, образует всё новые и новые вторичные минералы, равновесные с водным раствором, составляющим единое целое с окружающей средой. Отличное во вновь формируемых минералов отношение химических элементов от растворяемых выступает важнейшим механизмом глубокой дифференциации химических элементов в растворе, перестройки его структуры – основного элемента информации и формирования новых эволюционных форм и связей, включая механизмы воздействия дочерних систем на материнские. Главной причиной эволюции выступает равновесно-неравновесное состояние системы, главным фактором – время, управляющим параметром – состав воды, а термодинамической переменной – разность констант реакций растворения и осаждения минералов [9]. Эта программа, как оказалось, действует и в живых системах, которые всегда содержат не менее 60 % воды [7]. Действительно, для живых организмов, как и для системы вода-порода, характерно равновесно-неравновесное состояние, поскольку жизнь в равновесных условиях невозможна. Живые системы являются стационарными, необратимыми, развиваются в неравновесных условиях [8]. Попадающая в желудочно-кишечный тракт растительная и животная пища растворяется в имеющейся там среде. Далее, поступая в кровь, она оказывается в ещё более сложной и очень устойчивой биохимической среде, параметры которой могут изменяться только в чрезвычайно узких пределах. Поскольку любой живой организм получает питание непрерывно, в нём непрерывно идут и реакции растворения одних соединений, с которыми раствор неравновесен, и синтез других – равновесных и устойчивых в сформированной среде. В первую очередь образуются, вероятно, простые органические биомолекулы (дезоксирибонуклеотиды, рибонуклеотиды, аминокислоты, глюкоза и жирные кислоты), служащие строительными блоками для сложных органических биомолекул (ДНК, РНК, 5 Роговские чтения белки, полисахариды и липиды). Эти биомолекулы вместе с водой и минеральными веществами образуют клетки и ткани, составляющие основу организма. Синтез соединений в любом организме идёт непрерывно, трудно найти какой-либо орган, где этот процесс отсутствует. Чрезвычайно важно, что образование новых соединений происходит в определённых местах, точках нуклеации, в которых достигается равновесие, а значит, и устойчивость образующихся молекул, определяемая стабильностью всей системы, одинаковыми путями переноса вещества и средой. Наряду с синтезом идёт и распад ранее возникших соединений, продукты которых выносятся за пределы организма. Все соединения, клетки и ткани непрерывно обновляются, но с разной скоростью. При этом не только воссоздаются уже существующие соединения, но и со временем образуются новые, которые оказываются более устойчивыми в изменившейся среде. Поэтому организм на каком-то этапе развития перестаёт расти, темп обновления клеток снижается, появляются соединения, затрудняющие его нормальное функционирование, например, почечные и желчные камни, избыточный жир, триглицериды, холестерин и т. д. Таким образом, вода в биологических системах не просто транспортирует питательные вещества, регулирует температуру тела, выводит из организма отходы, вымывает токсины, смазывает соединения суставов. Она по – существу формирует организм в целом, определяет его форму, размеры, строение, механизмы эволюции. Поэтому вопреки Ф. Энгельсу мы полагаем, что жизнь – это форма существования не белковых тел, а сложных по составу и структуре водных растворов, заключенных в уникальной оболочке, изолирующей их от прямого воздействия внешней среды, но обладающей в то же время специальными механизмами для обеспечения их жизнедеятельности путем непрерывного пропускания новых порций растворов, воздуха и энергии из окружающего пространства [9]. Глобальная эволюция, возникнув в неживой материи, обеспечила перевод её в живую. Связующим звеном живого и косного выступает вода, которая благодаря своим уникальным свойствам явилась основной средой и движителем эволюции. Поскольку состав и структура воды непрерывно усложнялись, возникали более сложные вторичные соединения, усложнялся и сам характер эволюции. Некоторые базовые её механизмы и элементы, возникшие ещё в неживой материи, совершенствуясь, сохранялись и на последующих этапах. Поэтому мы полагаем, что программа, определившая эволюцию в неживой материи, создает основу и биологической эволюции с учетом только ее перехода от системы вода – порода к системе вода – органическое вещество. Принципиально важно, что система вода – порода, формируя дочерние системы, сама никуда не исчезает, она уже существует 4,5 млрд лет и будет существовать еще не менее десятков миллиардов. При этом живая материя возникла в недрах дочерних систем, поскольку в неподготовленном камне даже при участии воды, она не могла бы появиться. Миссию по подготовке камня и выполняет вода, взаимодействуя с ним и создавая многочисленные дочерние системы. На рис. 2 схематически показаны ход глобальной эволюции и её программа. С появлением воды на Земле началось её взаимодействие с горными породами. В результате шло образование разнообразных вторичных минеральных продуктов, постепенно покрывавших поверхность нашей планеты, и формирование воды различного состава по строгим законам термодинамики. Образующиеся гидрогенно-минеральные комплексы (а1…аn) хотя и влияли на результат эволюции первичной системы вода-порода (А), остановить её устойчивое развитие не могли. Вторичные образования физически и химически связывали часть воды, которая находилась в контакте с исходными горными породами, переводя её на более высокий энергетический уровень за счёт аккумуляции солнечной энергии. Наиболее вероятно, что именно в этих физически связанных водах гидрогенно-минеральных комплексов сформировались благоприятные условия для возникновения жизни на строго определённом этапе эволюции системы вода-порода, который наступил не ранее образования глинистых минералов, особенно активно аккумулирующих солнечную энергию. Естественно, возникновению жизни предшествует абиогенный синтез органического вещества по известным реакциям фотосинтеза. С этого момента появляется принципиально новая термодинамическая ветвь (В) в эволюции системы водапорода, в которой активную роль играет органическое вещество. После образования дочерней системы она получает основные объёмы воды непосредственно из внешнего источника. Материнская система формирует определённый состав воды, который контролирует тип дочерней системы, её равно6 Пленарные доклады весие со средой. Наконец, живое вещество не может существовать без минеральных элементов (K, Ca, Mg, Si, P и т. д.), которые оно получает преимущественно из воды горных пород. Рис. 2. Схематическое изображение глобальной эволюции с позиций синергетики. Термодинамические ветви систем: А – вода-порода; В – вода – органическое вещество; дочерние системы: а1–аn – ветви А, в1–вn – ветви В; 1 – исходная горная порода (базальт); 2 – вода, поступающая из внешнего источника; 3 – вода после взаимодействия с базальтами Для нас в данном случае важно, что новая термодинамическая ветвь, состав образуемых соединений которой существенно отличается от таковых основной ветви, не теряет связи с материнской, более того, она влияет на результат эволюции дочерней ветви, но не прекращает её. Новая термодинамическая ветвь, ускоренно развиваясь, захватила лидирующее положение и способна активно эволюционировать с образованием собственных (новых) ветвей, которые, в свою очередь, будут на неё влиять, но не способны остановить её поступательное развитие. В этом суть глобальной эволюции. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Пригожин, И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой : [пер. с англ.] / И. Пригожин, И. Стенгерс. – Изд. 4-е. – М. : УРСС, 2003. – 312 c. 2. Рассадкин, Ю.П. Вода обыкновенная и необыкновенная / Ю.П. Рассадкин. – М. : Галерея СТО, 2008. – 840 с. 3. Марков, А.В. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы / А.В. Марков. – М. : Астрель: Corpus, 2010. – 527 с. 4. Шварцев, С.Л. Как образуются сложности? / С.Л. Шварцев // Вестник РАН. – 2014. – Т. 84. – № 7. – С. 618–628. 5. Шварцев, С.Л. Фундаментальные механизмы взаимодействия в системе вода – горная порода и ее внутренняя геологическая эволюция / С.Л. Шварцев // Литосфера. – 2008. – № 6. – С. 3–24. 6. Шварцев С.Л. Внутренняя эволюция геологической системы вода-порода / С.Л. Шварцев // Вестник РАН. – 2012. – № 3. – C. 242–251 7. Вернадский, В.И. История природных вод / В.И. Вернадский. – М. : Наука, 2003. – 751 с. 8. Крылов, М.В. Особенности эволюции живой и неживой материи / М.В. Крылов, М.Н. Либенсон // Вестник РАН. – 2008. – № 2. – С. 132–137 9. Шварцев, С.Л. Вода как главный фактор глобальной эволюции / С.Л. Шварцев // Вестник РАН. – 2013. – Т. 83. – № 2. – С. 235–244 7 Роговские чтения УДК 556 ОПЫТ РЕАЛИЗАЦИИ СТРАТЕГИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ В ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ А.М. Адам Томский государственный университет, г. Томск, Россия E-mail: adam@green.tsu.ru Стратегия развития Томской области до 2020 г. разработана в соответствии с концепцией устойчивого развития [1], которая отражает единство экономических, социальных, экологических проблем и, соответственно, их учет в интересах как ныне живущего, так и будущих поколений (рис. 1). Принципы устойчивого развития отражены в главных целях Стратегии: 1. Благоприятные условия для жизни, работы, отдыха и воспитания детей. 2. Рациональное использование природного капитала. Природа Устойчивое развитие Экономика Человек Рис. 1. Концептуальная схема устойчивого развития Управление охраной окружающей среды и природопользованием основывается на том, что охрана окружающей среды и природные ресурсы в соответствии с Конституцией Российской Федерации (ст. 9, 36, 42, 72) используются и охраняются как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории, и имеющих право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением. Критерием управления в области охраны окружающей среды является оценка природоохранной деятельности населением. По данным социологических опросов, проведенных Агентством развития Томской области (АРТО), в 2006 г. качество окружающей среды в Томской области признали удовлетворительным 12 % жителей Томской области, а в 2010 г. – 37 % респондентов (рис. 2). Стратегическая задача Администрации Томской области – дальнейшее увеличение доли жителей, удовлетворенных качеством окружающей среды. В настоящее время Томская область занимает 8 место в экологическом рейтинге субъектов РФ «Зеленый патруль», войдя в десятку лучших регионов по сумме баллов в трех основных сферах (природоохранной, социально-экологической, промышленной). 8 Пленарные доклады 40 Доля респондентов, считающих качество окружающей среды в Томской области удовлетворительным 35 34,9 35 36 37 2007 2008 2009 2010 30 25 20 15 12 10 5 0 2006 Годы Рис. 2. Результаты социологических опросов жителей Томской области по их оценке природоохранной деятельности Решение этой задачи на территории Томской области обеспечивается с помощью системы стратегического планирования в рамках программно-целевого подхода. Для выполнения стратегических целей разрабатываются среднесрочные пятилетние программы социально-экономического развития, а решение краткосрочных задач планируется посредством оперативных планов органов исполнительной власти (ДРОНД). Миссия Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области заключается в обеспечении благоприятного состояния окружающей среды как необходимого условия улучшения качества жизни и здоровья населения, в обеспечении рационального природопользования и равноправного доступа к природным ресурсам ныне живущих и будущих поколений людей. Исходя из миссии, на среднесрочную перспективу деятельности Департамента определены три стратегические цели (рис. 3): 1. Повышение уровня экологической безопасности условий жизни населения. 2. Рациональное использование природных ресурсов: охотничье-промысловые животные, водные биологические ресурсы. 3. Обеспечение органов власти и населения информацией и знаниями в области охраны окружающей среды и природопользования. Показатели экологического благополучия регионов России ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ: 1. Отражение реальной действительности 2. Позитивность 3. Социально-экономическая значимость Показатели: Уровень загрязненности воздуха Качество питьевой воды Степень утилизации отходов Заболеваемость органов дыхания Заболеваемость органов пищеварения Инфекционные и паразитарные заболевания Рис. 3. Показатели экологического благополучия регионов России Цели Департамента соответствуют среднесрочным приоритетам развития Томской области, достижению целей программы социально-экономического развития Томской области. 9 Роговские чтения Устойчивое экономическое и социальное развитие территории невозможно без сохранения жизнеспособной среды обитания. Учитывая, что в соответствии с докладом Всемирной организации здравоохранения (16 июня 2006 года г. Женева) до 24 % всех болезней развивается в результате воздействия окружающей среды, обеспечение здоровых условий жизни населения неосуществимо без улучшения экологических показателей окружающей среды. Это еще раз показывает актуальность задач, решаемых Департаментом в 2013–2014 гг.[2] Как и для всей территории России, основная причина продолжающегося негативного воздействия на качество окружающей среды на территории области обусловлена экстенсивным ростом экономики и расширением свобод хозяйствующих субъектов при отсутствии действенных регулятивных механизмов воздействия, в том числе и экономических, при нарушении природоохранного законодательства. Активно влиять на указанные негативные тенденции можно через: 1. Обеспечение комплексного государственного контроля над выполнением требований природоохранного законодательства. 2. Повышение качества окружающей среды за счет снижения техногенной нагрузки на атмосферный воздух, поверхностные и подземные водные объекты, почву. 3. Обеспечение охраны государственных природных заказников, памятников природы, сохранение и восстановление редких и находящихся под угрозой исчезновения объектов животного и растительного мира. 4. Повышение эффективности и рациональности использования водных биологических ресурсов и охотничье-промысловых животных. 5. Информирование органов власти и населения о состоянии окружающей среды и использовании природных ресурсов. 6. Развитие системы экологического образования и формирование экологической культуры. Действенность проводимых эколого-ориентированных мероприятий характеризуется следующими показателями: – доля нормативного выброса вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух в общем объеме выброса; – доля очищенных сточных вод в общем объеме сточных вод, подлежащих очистке; – доля утилизируемых (захораниваемых) отходов в соответствии с установленными требованиями в общем объеме отходов потребления; – доля инвестиций в основной капитал, направленных на охрану окружающей среды; – доля закрепленных за пользователями территорий охотугодий в общей площади охотугодий; – уровень улова водных биоресурсов к общедопустимому улову (уровень использования сырьевой базы); – доля респондентов, считающих качество окружающей среды в Томской области удовлетворительным. Эти показатели нашли отражение в выборе и обосновании индикаторов устойчивого развития, которые в комплексе характеризуют состояние экономики, социальной сферы и природной среды [3, 4]. Их использование помогает выявить тенденции изменения каждой из сфер, планировать и корректировать деятельность власти, бизнеса, общественности. Показатели деятельности Департамента оценивают качество окружающей среды и уровень воздействия хозяйствующих субъектов на окружающую среду. Мониторинг показателей конечного результата целей и задач проводится на основе ведомственной статистики. Основные риски, препятствующие достижению целей и решению задач: а) изменение законодательства Российской Федерации по перечню полномочий субъектов Российской Федерации в сфере охраны окружающей среды и природопользования; б) задержка формирования и утверждения на федеральном уровне необходимой нормативной правовой базы для реализации полученных федеральных полномочий; в) недостаточный уровень научно-методического обеспечения и сопровождения; г) потеря квалифицированных кадров в связи со сменой поколений; д) ненадлежащее исполнение органами муниципальных образований области полномочий по решению вопросов в сфере охраны окружающей среды: 10 Пленарные доклады – по сбору, транспортировке, утилизации (захоронению) бытовых отходов и мусора, переработке отходов производства и потребления; – по строительству (реконструкции, капитальному ремонту) канализационных очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод; – по оборудованию пылегазоулавливающими установками коммунальных котельных. Как известно, Россия по энергоемкости экономики значительно уступает лучшим мировым показателям. В то же время, в стране в целом и в Томской области, в частности, есть широкие возможности по экономии энергоресурсов и снижению энергоемкости производства. Этому способствует внедрение на предприятиях системы экологического менеджмента. Использование альтернативных источников энергии одновременно служит решению этой задачи и повышает рейтинг региона в отношении такого показателя, как истощение природного капитала. Есть в Томской области примеры достижений в сфере «зеленой» экономики (от отраслей до домохозяйства): эко-туризм, восстановление рыбных запасов, неистощительное использование лесных ресурсов и т. д. Рост отходов производства и потребления и стремление регулировать деятельность в сфере обращения с ними отражают следующие цифры. В 2013 г. на территории Томской области образовано 1089 тыс. т отходов производства (63,5 %) и потребления (36,5 %). Из них около половины – 532 тыс. т использовано как вторичное сырье. Большая работа проводится по экологическому просвещению, образованию, воспитанию. Только экологическая культура гражданина, его понимание личной ответственности за экологическое состояние окружающей среды позволит достичь высоких показателей экологического благополучия. В 2013 г., объявленном Президентом страны Годом экологии, в Томской области были организованы более 4000 мероприятий, в которых приняли участие около трети жителей. Для оценки экологического благополучия регионов России нами предложена следующая унифицированная система показателей (см. рис. 3). Предлагается ранжировать все субъекты РФ по каждому показателю в диапазоне от 0 до 14 баллов (рис. 4, 5). 1. Уровень загрязненности воздуха* 1.1. Низкий – 0 баллов 1.2. Повышенный – 4 балла 1.3. Высокий – 7 баллов 1.4. Очень высокий – 14 баллов * РД 52.04.667-2005. Документы о состоянии загрязнения атмосферы в городах для информирования государственных органов, общественности и населения. Общие требования к разработке, построению, изложению и содержанию. Росгидромет. 2006г. 2. Качество питьевой воды** 2.1. Полное обеспечение пригодной для питья воды (100 % населения обеспечено питьевой водой надлежащего качества) – 0 баллов 2.2. Недостаточное обеспечение (от 71 до 99 % населения обеспечено питьевой водой надлежащего качества) – 4 балла 2.3. Низкое обеспечение (от 50 до 70 % населения обеспечено питьевой водой надлежащего качества) – 7 баллов 2.4. Неудовлетворительное обеспечение (менее 50 % населения обеспечено питьевой водой надлежащего качества) – 14 баллов **Доля населенных пунктов, обеспеченных питьевой водой надлежащего качества. (Указ президента № 825) 3. Степень утилизации отходов 3.1. Рациональное использование отходов (более 70 %) – 0 баллов 3.2. Результативное использование отходов (от 51 до 70 %) – 4 балла 3.3. Неэффективное использование отходов (от 21 до 50 %) – 7 баллов 3.4. Нерациональное использование отходов (менее 20 %) – 14 баллов Рис. 4. Ранжирование субъектов РФ по природоохранным показателям 11 Роговские чтения 4. Заболеваемость органов дыхания*** 4.1. Низкий уровень заболеваемости (до 29 600 заболевших на 100 000 чел. населения) – 0 баллов 4.2. Средний уровень заболеваемости (от 29 600 до 38 600 заболевших на 100 000 чел. населения) – 7 баллов 4.3. Высокий уровень заболеваемости (свыше 38 600 заболевших на 100 000 человек населения) – 14 баллов 5. Заболеваемость органов пищеварения 5.1. Низкий уровень заболеваемости (до 3500 заболевших на 100 000 чел. населения) – 0 баллов 5.2. Средний уровень заболеваемости (от 3500 до 4500 заболевших на 100 000 чел. населения) – 7 баллов 5.3. Высокий уровень заболеваемости (свыше 4500 заболевших на 100 000 чел. населения) – 14 баллов 6. Инфекционные и паразитарные заболевания 6.1. Низкий уровень заболеваемости (до 3700 заболевших на 100 000 чел. населения) – 0 баллов 6.2. Средний уровень заболеваемости (от 3700 до 4800 заболевших на 100 000 чел. населения) – 7 баллов 6.3. Высокий уровень заболеваемости (свыше 4800 заболевших на 100 000 чел. населения) – 14 баллов *** По данным Департамента здравоохранения Томской области Рис. 5. Ранжирование субъектов РФ по показателям, характеризующим здоровье населения Сумма баллов по всем показателям будет отражать оценку благоприятных условий для человека: от 0 до 15 баллов – благоприятные условия; от 16 до 25 баллов – напряженные условия; от 26 до 35 баллов – неблагоприятные условия; свыше 36 баллов – критический уровень загрязнения. Переход к устойчивому развитию – длительный и трудный процесс. Он требует не только выработки стратегии и следования ей, но и постоянного учета новых тенденций, касающихся политической и общественной жизни, изменений в экономическом и технологическом укладах. На него влияют жизненные стандарты, природно-климатические условия, развитие человеческого потенциала (уровень образования, технологическая оснащенность, ресурсная обеспеченность, физическое благополучие и т. д.). Несмотря на все трудности, стратегия устойчивого развития как широко известная в мировом сообществе философская, экономическая, социальная и политическая платформа продолжает существовать уже около 25 лет, не имея альтернативы. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Захаров, В.М. Устойчивое развитие и гражданское общество. Движение «Рио+20»: Новые возможности / В.М. Захаров // На пути к устойчивому развитию. – 2010. – № 54. – С. 4–6. 2. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Томской области в 2013 году : государственный доклад. – Томск, 2014. – Условия доступа : http: //70.rospotrebnadzor.ru/s/70/files/documents/regional/gos_doklad/107015 3. Индикаторы устойчивого развития России (эколого-экономические аспекты) / под ред. С.Н. Бобылева, П.А. Макеенко. – М. : Изд-во ЦПРП, 2001. – 65 с. 4. Индикаторы устойчивого развития Томской области / под ред. О.В. Козловской. – Томск : Изд-во STT. 2003. – 120 с. 12 Пленарные доклады УДК 556 ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДОЙ Д.С. Покровский1, Е.М. Дутова2 1 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: dsp@sibmail.com, dutova@sibmail.com Рассматриваются методические подходы создания программы обеспечения населения Республики Хакасия качественной питьевой водой, на основе анализа состояния водоснабжения населения, обеспеченности водными ресурсами, запасами и сооружениями систем водоснабжения, разрабатываются программные мероприятия, исследуются возможности их финансового обеспечения. Ключевые слова: водоснабжение населения, качество подземных вод, водоподготовка, программные мероприятия. Обеспечение населения чистой питьевой водой является одной из составных частей концепции устойчивого развития, под которым понимается обеспечение сбалансированного решения социальноэкономических задач и задач сохранения природно-ресурсного потенциала окружающей среды. В течение многих лет мы занимались вопросами гидрогеологии Алтае-Саянской складчатой области и ее платформенного обрамления, принимали активное участие в разработке региональных программ по обеспечению питьевой водой населения Томской области и Республики Хакасия. Некоторые результаты, основанные на материалах собственных исследований [1 – 15] и сведений, собранных при разработке указанных программ, в самом общем виде рассмотрены в рамках данной работы. Необходимость обеспечение населения питьевой водой определяется конституционным правом граждан, закрепленным рядом соответствующих законов и постановлений Правительства, санитарными нормами, правилами и государственными стандартами. Решение этой многоплановой проблемы требует взаимоувязанной и скоординированной работы административных, управленческих и контролирующих структур, производственных предприятий и организаций, научно-исследовательских и проектно-конструкторских учреждений, нормативно-правового, технического и финансового обеспечения. Такая работа может быть выполнена в сжатые сроки и с наибольшим эффектом только при условии разработки комплекса первоочередных и долгосрочных социально-экономических, организационно-хозяйственных, производственных, научно-исследовательских и других мероприятий в виде целевой программы. Такая работа проводилась на республиканском уровне по отдельным субъектам федерации. В рамках этой работы приводится характеристика работы по созданию программы для Республики Хакасия. В соответствии с заданием Комитета природных ресурсов по Республике Хакасия, специалистами Томского государственного архитектурно-строительного университета, Минусинской гидрогеологической партии, Центра Госсанэпиднадзора Республики Хакасия, Томского политехнического университета, Государственного унитарного предприятия Территориальный Центр Томскгеомониторинг, Красноярского государственного проектно-изыскательского института ВНИПИЭТ проведен анализ современного состояния питьевого водоснабжения и предложена система программных мероприятий для улучшения обеспечения качественной питьевой водой населения Республики Хакасия. Программа была составлена на основе материалов Государственной отчетности предприятий и организаций – недропользователей, Госкомстата РХ, геологических фондов Комитета природных ресурсов по Республике Хакасия, Минусинской ГГП и фондов СибНИИПИЗИМ, сведений, предоставленных районными Администрациями Республики Хакасия и водоканалуправлениями, а также исследований по отдельным техническим, экономическим и социальным вопросам с учетом опыта составления подобных программ отдельных регионов России (Томская и Свердловская области, Приморский край) и соответствующих методических рекомендаций по разработке региональных программ обеспечения населения питьевой водой. Общее представление о взаимоотношении отдельных частей комплекса мероприятий дает схема, приведенная на рисунке. 13 Роговские чтения Структура программы «Обеспечение населения Республики Хакасия питьевой водой» На начальном этапе работы выполнялся анализ условий водоснабжения населения Республики Хакасия. По каждому населенному пункту была собрана информация о количественном составе населения, числе постоянных хозяйств, величинах существующего водоотбора, количестве скважин, протяженности трубопроводов и качественных показателях питьевой воды. Эти сведения, поступающие из разных источников, сопоставлялись между собой, сравнивались с контрольными цифрами статистической отчетности отдельных администраций, при необходимости отбраковывались и соответствующим образом обобщались. Обширный фактический материал, содержащий сведения о разноплановой водоснабженческой деятельности, был представлен в электронном виде как единая база данных с максимально возможной детализацией исходной информации на уровне отдельных населенных пунктов. Использование электронной основы хранения и обработки собранных данных позволяет оперативно строить обобщения любой степени генерализации. Сводная информация послужила основой для анализа состояния систем водоснабжения и в полном объеме использовалась для выполнения прогнозных расчетов проектируемых мероприятий. Программой предусматривалась количественная и стоимостная оценка мероприятий, условно объединенных в несколько групп: развитие систем водоснабжения городов и поселков городского типа; развитие систем водоснабжения сельских населенных пунктов; строительство, реконструкция и восстановление групповых водопроводов; поисково-разведочные работы на подземные воды; мониторинг ресурсов, качества, технологий обработки питьевых вод, состояния здоровья населения; строительство линий розлива питьевых вод. Позициями непосредственно определяющими степень комфортности водоснабжения являются: 1) строительство и реконструкция водозаборных сооружений (гидрогеологических скважин); 2) строительство и реконструкция сетей водоснабжения; 3) системы водоподготовки. Ключевой исходной позицией для расчета физических объемов необходимых мероприятий принималась потребность населения в качественной питьевой воде. Для отдельных населенных пунктов потребность в воде рассчитывалась в соответствии с существующими нормативами (СНиП 2.04.02–84). При ее определении для каждого населенного пункта учитывалась степень благоустройства, количество личного и общественного скота, влияние климатических условий на нормы полива приусадебных участков. Сравнение удельных величин существующего водоотбора с полученными расчетом нормами позволило выявить отдельные населенные пункты, как благополучные по водообеспечению, так и ис14 Пленарные доклады пытывающие различную степень дефицита питьевой воды. Результаты этого сравнения дают представление об уровне водопотребления в различных районах республики и служат базой количественной оценки мероприятий, необходимых для нормализации водоснабжения. Учитывая мировые тенденции, а также ожидаемый положительный экономический эффект проведения предусматриваемых программой мероприятий, для подавляющей части населенных пунктов не планируется прирост водопотребления в пределах временного интервала действия программы и считается возможным поддерживать его в пределах норм, существующих в настоящее время. Оценка динамики изменения водоотбора по годам показывает, что на современном этапе общее количество отбираемой воды уменьшилось по сравнению с предшествующим периодом [15]. Это показывает, что в большинстве случаев для оптимального водоснабжения бурение новых водозаборных скважин не требуется, чаще всего необходима их реконструкция, поскольку большинство из них эксплуатируются более (иногда значительно) двадцати лет. При оценке величины дефицита воды во всех населенных пунктах учитывалась расчетная нормативная потребность, современный учтенный водоотбор и наличие водозаборных скважин. В то же время существуют населенные пункты, где коммунальные водозаборные сооружения отсутствуют. Учитывая необходимость организации цивилизованного водоснабжения, такие населенные пункты рассматриваются в качестве испытывающих острый дефицит воды. В автоматическом режиме расчет потребного количества скважин выполнен простым делением существующего дефицита питьевой воды на проектную производительность одной скважины. Средняя производительность проектных скважин, пробуренных на различные водоносные подразделения, учтена расчетными формулами. Объемы буровых работ автоматически переведены в стоимостную оценку с учетом комплексных затрат на сооружение одной скважины, также с учетом геологической приуроченности. Обеспеченность сельского населения водоразводящими сетями оценивалась по удельному показателю протяженности водоводов. Анализ подобной информации по территории республики показывает, что в селах с высокой степенью благоустройства этот показатель составляет около 5 м на 1 чел. Эта величина принималась в качестве базовой для обоснования необходимости строительства новых сетей в населенных пунктах, где осуществляется или предусматривается водоотбор с использованием скважин. Наращивание длины трубопроводов до установленных расчетом нормативов планировалось поэтапно. В населенных пунктах, имеющих старые трубопроводы, рекомендуется их реконструкция в полном объеме с соответствующим снижением стоимости работ, по сравнению с прокладкой новых. Оценка качества питьевой воды выполнялась путем сравнения реальных результатов химических анализов с действующими нормативами. Выделялись те населенные пункты, для которых были выявлены превышения норм по отдельным показателям. На следующем этапе проводился автоматизированный подбор соответствующих технологий водоподготовки из стандартного набора: обезжелезивание, обессоливание, умягчение, удаление азотистых соединений и нефтепродуктов, обеззараживание. На основании этого выбора определялись необходимые затраты на организацию мероприятий водоподготовки с учетом возможности комплексирования методов. Мероприятия этого цикла рассматриваются как неотложные и запланированы к внедрению на первом этапе реализации программы. Наиболее сложны вопросы финансового обеспечения необходимых мероприятий. Мероприятия могут успешно осуществляться только на основе аккумулирования и концентрации всех бюджетных и внебюджетных источников финансирования (федерального, республиканского, муниципального бюджетов, внебюджетных фондов, средств предприятий и коммерческих организаций, средств населения). С целью повышения эффективности и обеспечения целевого использования, концентрации и мобилизации финансовых ресурсов предусматривается создание специального фонда финансирования программы, консолидированного в бюджете республики. Проведенный нами анализ финансовых возможностей муниципальных образований, показывает, что требуемые суммы инвестиций далеко не всегда могут быть обеспечены возможностями местных бюджетов. В тоже время, выполнение программных мероприятий вполне реально, о чем свидетельствуют сравнительно небольшие значения необходимых удельных. 15 Роговские чтения Выбор источников финансирования по конкретному мероприятию зависит от целей его осуществления и вида эффективности (социально-экономической, экологической, бюджетной или коммерческой), различающейся степенью значимости результатов и непосредственной, в том числе и личной, заинтересованности инвесторов – участников реализации программы. Основной закон эффективной экономики: инвестиции должны давать прибыль. В связи с этим к выполнению конкретных мероприятий необходимо привлекать инвесторов, заинтересованных в получении тех или иных выгод от водохозяйственной деятельности, создавая благоприятные условия для приоритетных проектов, имеющих высокую социально-экономическую или бюджетную эффективность, либо обеспечивающих значительный экологический эффект. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Рогов, Г.М. Некоторые проблемы водоподготовки на водозаборах из подземных источников / Г.М. Рогов, Д.С. Покровский, Е.М. Дутова // Известия вузов. Строительство. – 1993. – № 9. – С. 98–102. 2. Обеспечение населения Республики Хакасия питьевой водой. Комплексная целевая программа / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, К.И. Кузеванов [и др.]. – Абакан, 1999. – 118 с. 3. Дутова, Е.М. Особенности формирования гидрогеохимического фона рассеянных элементов в условиях гумидного климата / Е.М. Дутова // Материалы регион. конф. геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-Востока Сибири. Т. 1. – Томск, 2000. – С. 369–372. 4. Poliyenko, A.K. Urinary stоnes investigation and influence of the water factor to their formation in a human organism / A.K. Poliyenko, E.M. Dutova // Proceedings KORUS 2000 The 4th Korea-Russia International Symposium Science and Technology at the University of Ulsan. – Republic of Korea, 2000. – P. 278–283. 5. Подземные воды Республики Хакасия и водоснабжение населения / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, А.А. Булатов [и др.] ; под ред. Д.С. Покровского. – Томск : Изд-во НТЛ, 2001. – 300 с. 6. Проблемы водоснабжения населения Томской области / Д.С. Покровский, Ю.В. Макушин, Е.М. Дутова [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2001. – № 1. – С. 154–165. 7. Дутова, Е.М. Особенности миграции и концентрирования химических элементов в подземных водах АлтаеСаянской складчатой области / Е.М. Дутова // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2003. – С. 147–149. 8. Дутова, Е.М. Высотная гидрогеохимическая зональность Алтае-Саянской складчатой области. Материалы научной конференции по проблемам поисковой и экологической геохимии Сибири / Е.М. Дутова // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. – Томск : Изд-во ТПУ, 2003. – С. 65–69. 9. Покровский, Д.С. Качество природных питьевых вод и технологии водоподготовки в условиях юга Сибирского региона / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов. – Томск : Изд. ТГАСУ, 2006. – 96 с. 10. Характеристика микробиологической составляющей подземных вод Республики Хакасия в условиях углеводородного загрязнения / Н.Г. Наливайко, Ю.С. Сыроватко, Е.М. Дутова [и др.] // Вестник Томского государственного университета. – 2007. – № 300. – C. 190–194 11. Изменение гидрогеохимических условий при эксплуатации Академического месторождения / Е.М. Дутова, И.В. Вологдина, Д.С. Покровский [и др.] // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 312. – № 1. – С. 59–63. 12. Dutova, E.M. Composition of underwaters of paleogene deposits of Tomsk region and technology of improvement of their quality / E.M. Dutova, D.S. Pokrovsky, K.K. Kuzevanov // VII International Water Forum «AQUA UKRAINE-2009», Scientific and Practical Conference: Water & Environment – Kyiv, Ukraine, November 10–13 2009. – Kyiv, Ukraine : International exhibition centre, 2009. – Р. 563–564 13. Покровский, Д.С. Гидрогеохимические среды и минеральные новообразования Томского водозабора из подземных источников / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, И.В. Вологдина // Известия вузов. Строительство. – 2010. – № 11–12. – С. 54–61. 14. Дутова, Е.М. Особенности химического и микробиологического состава подземных вод территории города Томска / Е.М. Дутова, Н.Г. Наливайко // Известия вузов. Геология и разведка. – 2011. – №. 5. – C. 56–61. 15. Гидрогеоэкологические условия водоснабжения населения юга Сибирского региона / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, А.А. Балобаненко [и др.] // Вестник Томского государственного университета. – 2014. – №. 383. – C. 189–197. 16 Пленарные доклады УДК 556 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В.Е. Ольховатенко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: igg@tsuab.ru Освещаются инженерно-геологические и геоэкологические проблемы разработки открытым способом угольных и рудных месторождений, дается оценка устойчивости бортов карьеров и рекомендации по защите окружающей среды. Ключевые слова: инженерно-геологические условия, месторождения, устойчивость бортов, защита окружающей среды. Открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых имеет значительные преимущества перед подземным с точки зрения геоэкологической безопасности ведения горнопроходческих работ. В то же самое время при разработке месторождений открытым способом возникает целый комплекс проблем, среди которых первостепенное значение приобретает проблема устойчивости бортов глубоких карьеров. Строительство карьеров приводит к нарушению геодинамического равновесия геологической среды, изменению напряженно-деформированного состояния пород и развитию опасных процессов в бортах карьеров. Значительному воздействию подвергаются все компоненты окружающей среды: атмосфера, поверхностные и подземные воды, почвы, растительный и животный мир. В связи с этим возникает острая необходимость в проведении комплексных исследований на различных стадиях освоения месторождений. Разработанный алгоритм комплексных исследований и обеспечения геоэкологической безопасности предполагает использование системного подхода, основанного на изучении статистической, динамической, ретроспективной и технической систем при освоении месторождений полезных ископаемых, подлежащих открытой разработке (рисунок). Причем статистическая система позволяет на геоструктурной основе оценить влияние таких важных компонентов, как геологическое строение, тектоника, степень дислоцированности пород, их состав, и условия залегания на разработку месторождений открытым способом. Изучение перечисленных компонентов природно-технического комплекса рекомендуется осуществлять заблаговременно на начальных стадиях разведки месторождений, продолжать на стадии эксплуатационной разведки и в период разработки их открытым способом. Целью ретроспективных исследований является выявление условий формирования физикомеханических свойств горных пород угленосных отложений при литогенезе и природы их прочности, что имеет исключительно важное значение при разработке инженерно-геологических классификаций, и оценке устойчивости бортов карьеров. Динамическая система включает изучение всех компонентов природно-технической системы, существенно изменяющихся во времени под влиянием разработки месторождений открытым способом. В данном случае наблюдается трансформация элементов статистической системы в динамическую. Так, в процессе разработки месторождений открытым способом под влиянием техногенных воздействий происходят существенные изменения состояния горных пород, в которых появляется дополнительная трещиноватость, что нередко приводит к развитию опасных техноприродных процессов в бортах карьеров. Существенно изменяются гидрогеологические условия, ландшафт местности, состояние воздушной среды, поверхностных и подземных вод. Установление закономерностей изменения перечисленных компонентов динамической системы имеет исключительно важное значение при решении проблем геоэкологической безопасности. Техническая составляющая природно-технического горнодобывающего комплекса включает технический проект разработки месторождений открытым способом, технологию и технику их раз17 Роговские чтения работки, которые оказывают большое влияние на состояние и устойчивость природно-технической системы, степень опасности и уровень риска при добыче полезных ископаемых открытым способом и геоэкологическую безопасность в целом. Комплексные исследования инженерно-геологических и геоэкологических условий разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом выявление источников, видов и интенсивности техногенного воздействия на геологическую среду технологии строительства карьеров, образования внешних и внутренних отвалов исследование технической составляющей содержание проектов и разработки месторождений разработка инженерно-геологической классификации изучение природы прочности пород исследование ретроспективной составляющей изучение закономерностей формирования физикомеханических свойств пород при литогенезе изучение напряженнодеформированного состояния пород изучение опасных геодинамических процессов в бортах и отвалах карьеров исследование динамической системы исследование гидрогеологических и инженерногеологических условий изучение тектоники и трещиноватости пород изучение состава и условий залегания пород исследование геологического строения исследование статистической системы Комплексная оценка состояния и устойчивости природно-технических систем оценка геоэкологических условий оценка устойчивости бортов оценка техногенных воздействий оценка изменений окружающей среды Обоснование и организация мониторинга природно-технических систем Прогнозная оценка изменений окружающей среды под влиянием открытого способа разработки месторождений Обоснование системы геоэкологической безопасности Алгоритм комплексного изучения природно-технических систем при разработке месторождений открытым способом с целью обеспечения геоэкологической безопасности Одним из крупнейших в России, где широко применяется открытый способ разработки угольных месторождений является Кузнецкий бассейн. Наиболее крупными в Кузбассе являются Бачатский, Талдинский, Уропский, Ерунаковский Южный углеразрезы. Выполненные нами исследования показали, что ведущими природными факторами, влияющими на разработку месторождений открытым способом являются геолого-структурные особенности месторождений, тектоника, состав, степень литогенетических преобразований и физико-механические свойства пород. В процессе исследований детально изучены состав и физико-механические свойства горных пород балахонской (C2-3P1be), кольчугинской (P2), тарбаганской (J1-2) серий и четвертичного возраста (QIII-IV). При этом была установлена четкая зависимость физико-механических свойств пород от стадии литогенетических преобразований, что позволило впервые разработать инженерно-геологическую классификацию пород и типизацию угольных месторождений. Среди выделенных типов наиболее сложными в инженерно-геологическом отношении являются месторождения Присалаирской и Приколыван-Томской зон интенсивной линейной складчатости, для которых характерна сложная тектоника, наличие кулискообразных брахискладок с падением крыльев 60–90°, горные породы интенсивно дислоцированы и разорваны крупными продольными нарушениями с углами падения 40–80°. Наиболее простое строение имеет Пригорнонеорская зона моноклиналей, для которой характерно моноклинальное залегание горных пород, отсутствие тектонических разрывов и самая высокая прочность горных пород. С учетом выявленных закономерностей инженерной геологического строения и с использованием результатов изучения физико-механических свойств были обоснованы методы и приведены расчеты устойчивости бортов карьеров [1–3]. Как показали расчеты, наибольшей устойчивостью ха18 Пленарные доклады рактеризуются борта карьеров в Пригорнонеорской зоне моноклиналей. Устойчивые углы наклона, в данном случае, составляют 42° при глубине 150 м и коэффициенте запаса 1,3. Одной из самых острых проблем при разработке угольных месторождений Кузбасса открытым способом являются глобальные изменения ландшафта и рельефа местности, что сопровождается появлением глубоких выемок на больших территориях, внешних и внутренних отвалов, а также гидроотвалов. Если внешние отвалы карьеров могут быть рекультивированы, то глубокие выемки после изъятия угля будет трудно обустроить и эффективно использовать. Кроме этого, в откосах внешних и внутренних отвалов большой высоты возможно развитие оползневых процессов, которые будут осложнять работу и проведение рекультивации при обустройстве территории. Нельзя исключать и прорыва дамб гидроотвалов со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение мощной горнодобывающей техники и несоблюдение рекомендаций по обеспечению устойчивости бортов карьеров приводит к развитию опасных процессов в бортах карьеров в виде обвалов, осыпей и оползней. Существенной является проблема устойчивости откосов внешних и внутренних отвалов. В откосах последних формируются оползни течения из-за складирования вскрышных пород на слабое сильно обводненное грунтовое основание. Следует добавить, что в основании отвалов укладываются глинистые грунты, вместо песчаных. В связи с большой глубиной угольных карьеров появляется реальная угроза развития опасных процессов в бортах действующих карьеров, что может привести к деформированию бортов и смещению большого объема горных пород. Это приведет к нарушению динамического равновесия в эксплуатации углеразрезов, выводу из строя горнотранспортного оборудования, а в отдельных случаях может угрожать жизни людей. Основными причинами развития опасных процессов в бортах карьеров могут быть: – изменения напряженно-деформированного состояния горных пород в бортах карьеров; – изменения физико-механических свойств горных пород, особенно их прочностных характеристик; – техногенное воздействие на горные породы при работе горно-транспортного оборудования; – система и технология разработки угольных месторождений открытым способом; – сейсмические воздействия при производстве буровзрывных работ в бортах карьеров. С точки зрения геоэкологической безопасности исключительно важное значение имеет проблема загрязнения окружающей среды. Такому воздействию подвергаются все компоненты окружающей среды: почвы, горные породы, атмосфера, поверхностные и подземные воды. Основным источником загрязнения являются транспорт и горнотранспортное оборудование, от которых будет поступать большое количество выбросов, содержащих вредные компоненты. Значительное воздействие на окружающую среду будет оказывать угольная пыль, поступающая при отработке угольных пластов и транспортировке угля. Существенные изменения гидрогеологических условий территории будут обусловлены изменениями динамики и режима подземных вод, их химического состава и питьевых качеств. Дренаж подземных вод карьерами может привести к истощению запасов и невозможности их использования для нужд проживающего на этой территории населения, находящегося в непосредственной близости от карьеров. С инженерно-геологической и геоэкологической точки зрения большое значение приобретают исследования не только угольных, но и рудных месторождений Дальнего Востока, намечаемых к открытой разработке. Такого рода исследования были выполнены нами на Тополихинском участке Союзного месторождения графита в Еврейской автономной области. В геологическом строении месторождения принимают участие четвертичные отложения, метаморфические и магматические породы, представленные мелкозернистыми кварцитовидными гнейсовыми, кварцитоплевошпатовыми сланцами, метаморфизованными известняками и пегматитами. Физико-механические свойства пород приведены в табл. 1, а результаты расчетов устойчивости бортов в табл. 2. Из приведенных данных видно, что полученные коэффициенты устойчивости превышают нормативные значения. На основании этого можно сделать вывод, что устойчивость бортов карьеров Союзного месторождения графита при сейсмических воздействиях будет обеспеченной. Айнское золоторудное месторождение расположено на о. Уруп и характеризуется распространением в разрезе 4 стратиграфогенентических комплексов пород, представленных туффитами, аргиллизитами, кварцевыми метасоматитами, тектонической брекчией, вторичными кварцитами, андезитами и кварцитами. Физико-механические свойства выделенных типов приведены в табл. 3. 19 Роговские чтения Таблица 1 Физико-механические свойства пород Тополихинского участка Союзного месторождения графита № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Типы пород Щебенистый и дресвяной грунт коры выветривания Сланец мелкозернистый графитовый Сланец кварцитовидный графитизированный Сланец гнейсовидный графитовый Сланец мелкозернистый графитистый Сланец кварцитовидный графитистый Кварц-полевошпатовые сланцы 8 Амфиболиты 9 Кварциты 10 Пегматиты 11 12 Известняк мраморизованный Известняк метаморфизованный Физико-механические свойства 3 сж, МПа р, МПа , град С, МПа 0,0209 2,41–3,25 2,73 4,866–64,94 28,64 0,81–10,62 4,76 27–39 32 2,7–16,2 7,36 2,76–3,05 2,87 39,13–127,9 84,28 6,52–21,3 14,04 2,56–2,72 2,63 15,89–149 90,52 6,28–24,83 15,09 27–36 32 4,1–40 25,75 2,76 57,15–126,2 91,67 9,52–21,03 15,27 28–37 32 17,5–30 23,75 2,789–2,815 2,78 96,28–146,3 114,28 16,05–24,38 19,05 33–38 36 25–40 30 2,39–3,02 2,75 2,64–3,07 2,74 2,689–3,27 2,94 2,51–2,89 2,66 2,789–3,105 2,95 2,67–3,04 2,84 54,5–161,4 93 46,19–177,8 99,78 68,84–127,3 91,79 20,48–142,2 78,01 19,74–58,06 42,86 50,8–96,5 75,4 22,9–39,3 29,7 7,69–29,583 16,63 11,47–16,55 15,29 6,84–23,7 12,98 3,29–9,68 7,14 11,1–26,3 19,3 31 26,6 30–39 33 28–37 32 28–38 32 33–36 34 9–40 26,06 15–35 24,58 12,5–40 19,37 5,0–15 10,93 38 18,4 , г/см 28–36 33 10–35 22,87 Таблица 2 Результаты расчетов устойчивости бортов карьеров Тополихинского участка Союзного месторождения графита Расчетная линия 1-1 1-1 1-1 2-2 3-3 А-А 20 Участок карьера Южный Южный Северный Южный Северный Перспективный контур карьера. Западный участок карьера. Коэффициенты устойчивости Угол Высота, Борта карьера наклона, без учета с учетом м град. сейсмич- сейсмичноности сти Левый 130 48 1,24 1,16 Правый 120 45 1,70 1,59 Правый 125 50 1,41 1,26 Левый 98 54 1,34 1,25 Правый 140 49 1,33 1,19 Правый 170 26 1,51 1,42 Пленарные доклады Окончание табл. 2 Расчетная линия А-А А-А Коэффициенты устойчивости Угол Высота, Борта карьера наклона, без учета с учетом м град. сейсмич- сейсмичноности сти Участок карьера Перспективный контур карьера. ВосточЛевый ный участок. Перспективный контур карьера. ВосточПравый ный участок. Правый борт карьера 1 очередь Устойчивость уступа при погашении (правый борт карьера 1 очереди) 138 28 2,13 1,59 154 47 1,43 1,18 60 59 1,92 1,79 20 70 4,40 4,30 Таблица 3 Физико-механические свойства горных пород Айнского золоторудного месторождения № № Типы пород 1 Туффиты псефитовые 2 Туффиты псаммитовые 3 Туффиты алевро-псаммитовые 4 Туффиты аргиллизированные 5 Аргиллизиты по туффитам 6 7 Аргиллизиты по псефитовым туффитам Аргиллизиты по псаммитовым туффитам 8 Продвинутые аргиллизиты 9 Андезиты 10 Дациты 11 Кварцевые метасоматиты 12 Тектоническая брекчия 13 Вторичные кварциты ρ, г/см3 2,00–2,50 2,21 2,05–2,27 2,17 2,37–2,68 2,52 2,30–2,36 2,34 2,07–2,59 2,24 2,18–2,42 2,32 2,36 1,94–2,53 2,25 2,39–2,70 2,26 2,31–2,40 2,36 2,18–2,32 2,24 2,47–2,63 2,55 2,12–2,25 2,18 Физико-механические свойства σсж, МПа σр, МПа φ, град 1,38–26,80 0,23–4,50 22–35 8,23 1,39 30 1,80–36,0 0,30–6,00 27–42 11,38 1,89 33 1,79–36,4 0,29–6,07 34–36 19,09 3,18 35 3,96–16,88 0,66–2,81 30–38 11,33 1,88 32 1,48–21,0 0,24–5,32 25–45 6,31 1,32 33 0,72–6,19 0,12–1,26 29–36 3,25 0,59 32 0,72–5,33 0,12–0,75 32–34 3,02 0,43 33 2,60–21,50 0,43–3,50 30–43 8,76 1,47 35 8,13–27,81 2,32–8,61 34–40 18,68 4,19 35 2,10–6,72 0,35–1,12 27–33 3,99 0,79 31 2,56–22,37 0,43–3,71 38–40 12,69 2,20 39 2,30–6,60 0,60–1,10 39 4,45 0,85 14,7–24,10 2,40–4,00 35 19,40 3,20 С, МПа 0,37–8,00 2,28 0,50–2,25 1,58 0,42–8,70 4,56 0,75–5,00 3,18 0,60–5,80 1,72 0,18–1,75 0,86 0,18–1,50 0,84 0,60–4,30 2,00 2,00–7,00 4,85 0,62–1,75 1,04 0,55–6,00 2,68 0,50–1,50 1,00 4,00–7,00 5,50 Расчеты устойчивости бортов карьера проведены с использованием метода логарифмической спирали и расчётных характеристик полученных при обработке результатов лабораторных исследований физико-механических свойств пород. Расчетные схемы построены с учетом параметров карьера на период его отработки по разведочным линиям 82 и 90. Расчетами установлено, что коэффициент устойчивости без учета сейсмичности составляет для правого борта (линия 82 скв. 281) 1,59; ле21 Роговские чтения вого борта (скв. 283) – 1,62. По разведочной линии 90 имеем коэффициент устойчивости – 1,92 (правый борт) и левый борт – 1,60. С учетом сейсмических воздействий коэффициент устойчивости снижается до 1,21 для левого борта по линии 90 и 1,23 для правого борта по линии 82. Выше оказался коэффициент устойчивости для правого борта по линии 90, его величина составляет 1,41. Результаты расчетов показали, что расчетные коэффициенты устойчивости выше нормативных значений. Отсюда можно сделать вывод, что устойчивость бортов карьера на весь период отработки золоторудного месторождения будет обеспеченной при нормальной его эксплуатации. С целью исключения нарушения динамического равновесия в эксплуатации природнотехнической системы при разработке открытым способом золоторудного месторождения необходимо организовать мониторинг за напряжённо-деформированным состоянием горных пород в бортах карьера и развитием опасных геологических процессов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов, уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. – Л. : ВНИМИ, 1972. – 152 с. 2. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов / ПНИИИС Госстроя СССР. – М. : Стройиздат, 1984. – 85 с. 3. Дашко, Р.Э. Механика горных пород / Р.Э. Дашко. – М. : Недра, 1987. – 264 с. 22 Пленарные доклады УДК 556 ВКЛАД Г.М. РОГОВА В РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ РЕГИОНА Л.П. Рихванов, В.К. Попов Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия Показана роль Г.М. Рогова в решении ряда экологических проблем: безопасность закачка жидких радиоактивных отходов; геоэкологическая безопасность водопользования, рациональное природопользование в бассейне р. Томь; подготовка кадров для решения экологических задач. Ключевые слова: Г.М. Рогов, экологические проблемы, подготовка кадров. Геннадий Маркелович Рогов, будучи высокопрофессиональным гидрогеологом, достойным представителем Томской (Сибирской) геологической школы как никто другой понимал, что в результате антропогенного воздействия происходит стремительное изменение природной среды, при этом он видел, что она изменяется намного быстрее, чем в предыдущие столетия. Он прекрасно понимал, что в ХХI в. могут произойти глобальные экологические изменения с непредсказуемыми последствиями для человека. Он знал, что наравне с проблемами окружающей среды следует ожидать и обострения нехватки природных ресурсов в связи с их нерациональным использованием. Потребление человеком энергии, воды, полезных ископаемых и других не возобновляемых ресурсов постоянно растет, и в будущем можно ожидать их острого дефицита во многих районах мира, включая Россию. И Г.М. Рогов, как исследователь и глубокий знаток водных ресурсов Сибири, как организатор Высшего образования в Томском регионе, как гражданин и общественный деятель, как достойный представитель профессорского сообщества города Томска не мог остаться в стороне от рассмотрения возникающих экологических проблем, которые особенно обострились в период гласности и перестройки в 90-е гг. ХХ – начале ХХI в. Учёные города Томска всегда уделяли большое внимание вопросам, связанным с экологическими проблемами. Достаточно вспомнить профессора физики ТТИ (ныне ТПУ) Б.П. Вейнберга, организовавшего уже в начале XX в исследования за химическим составом атмосферы. В этой работе активно принимали участие студенты института. Материалы этих исследований опубликованы в «Известиях ТТИ» за 1908 г. Деятельность профессора В.А. Обручева, основателя Сибирской геологической школы в Томске, по существу дела, заложила начало развитию работ по рациональному использованию минеральных ресурсов (техногенные месторождения золота). Активные работы, которые сегодня можно отнести к работам, обеспечивающим устойчивое развитие региона можно отнести исследования профессоров-химиков: И.В. Геблера., С.И. Смолининова, П.Г. Усова, Л.П. Кулева и др.; профессоров-геологов: М.И. Кучина, П.А. Удодова, Н.М. Рассказова и других, положивших много усилий по созданию ресурсной базы качественных питьевых вод Кузбасса и др. регионов Сибири, в том числе обеспечение качественно новым уникальным источником питьевых вод жителей города Томска (Томское месторождение подземных вод). В Томске работали и работают много ученых занимающихся проблемами экологии и рационального природопользования. Среди них особо следует, на наш взгляд, выделить профессоров И.П. Лаптева, Б.Г. Иоганзена, академика РАМН, профессора Н.В. Васильева. Они заложили основные принципы экологического мониторинга и опубликовали основополагающие работы по экологии и мониторингу. Большую роль, в это направление вносили и ректоры Томских ВУЗов. Так, легендарный ректор политехнического А.А. Воробьёв в шестидесятые годы остро обозначил проблему рационального природопользования при освоении Туганского циркон-ильменитового месторождения. Томичам памятно выступление на сессии депутатов городского совета Ю.П. Похолкова по экологическим проблемам г. Томска, ставшего точкой отсчёта для разработки экологической программы города, а затем и области. К этой плеяде руководителей вузов г. Томска, радеющих за экологическую безопасность региона, относится и Геннадий Маркелович Рогов, который в 1968 году был назначен ректором Том23 Роговские чтения ского инженерно-строительного института (ныне ТГАСУ) и возглавившего в 1990 г. Совет Ректоров г. Томска. Конспективно, отметим только те направления экологической деятельности Г.М. Рогова, в которых он сыграл ведущую роль: – работа в межведомственных комиссиях по оценке безопасности захоронения жидких радиоактивных отходов в глубоких геологических формациях на Сибирском химическом комбинате [1, 4]); – геоэкологическая безопасность хозяйственного водопользования на Обь-Томском междуречье [2]; – рациональное водо-и ресурсопользование в бассейне р. Томь [3]; – гидрогеология и геоэкология Кузбасса [4]. Следует отметить, что авторитет профессора при обсуждении порой чрезвычайно острых, требующих обязательного в конце-концов консенсуса, по той или иной проблеме, был чрезвычайно высок. Без излишних эмоций, с мягкой улыбкой, с большой убедительностью на фактическом материале он мог убедить любого своего оппонент. Профессор Г.М. Рогов прекрасно понимал, что Россия нуждается в кадрах, готовых решать обостряющиеся проблемы природопользования, охраны окружающей среды, способных к адаптации и переменам в период перехода общества к рыночной экономике и модели устойчивого развития. Образование способно консолидировать общество и усилить воздействие на его экономический рост при условии утверждения и культивирования новой идеологии, идеологии гражданского общества, строящегося на новой мировоззренческой базе и общих цивилизованных ценностях, в основе которых семья, дом, окружающая среда. Для образования необходима новая философия с экологической основой, как системообразующей основой знаний, навыков и умений гармонично сосуществовать в природе. Будучи ректором и председателем Совета Ректоров г. Томска, а позднее – вице-президентом Совета Ректоров России, Г.М. Рогов активно занимался организацией в ТГАСУ подготовки высококвалифицированных специалистов в области экологии и рационального природопользования, обладающих высоким интеллектуальным и культурным уровнем, имеющих глубокие научные знания об основах устойчивого развития, а также о правах и обязанностях граждан в отношении окружающей природной среды, умеющих оценить степень антропогенного воздействия на природу и здоровье людей и имеющих опыт природоохранного просвещения. Так в этом Вузе была открыта подготовка по специальностям «Инженерная защита окружающей среды» («Строительство») и «Безопасность технологических процессов и производств», сейчас – «Техносферная безопасность» по геоэкологическому напрвлению. А главным, на наш взгляд, событием было открытие диссертационного Совета Д 212.265.02, ставшим первым Советом в г. Томске, которому было поручено принимать к защите кандидатские и докторские диссертации по новой для страны научной специальности 25.00.36 «Геоэкология» и в вузах г. Томске появились доктора и кандидаты наук по направлению геоэкологии (профессора Д.С. Покровский, Е.Г. Язиков и др.). Большую роль профессор Г.М. Рогов, как председатель комиссии, сыграл при аккредитации специальности «Геоэкология» в ТПУ, которая сегодня в рейтинге кафедр России по данному направлению занимает первое место. Авторы этого сообщения более чем уверены, что в данный момент времени Геннадий Маркелович Рогов безусловно бы поддержал томичей в защите своих прав на сохранение уникального источника чистой воды. Он предложил бы наиболее рациональный и правильный путь освоения левобережья р. Томь. Мы думаем, что он бы выступил против подмешивания воды из реки Томь в воду подземных источников и, конечно, он был бы против передачи Томского водозабора в частные руки. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Рихванов, Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии / Л.П. Рихванов. – Томск : Изд-во ТПУ, 1997. – 387 с. 2. Рогов, Г.М. Водно-экологические проблемы г. Томска в контексте экологической безопасности / Г.М. Рогов, О.Д. Лукашевич, В.К. Попов // Безопасность жизнедеятельности. – 2008. – № 1. – С. 25–29. 3. Рогов, Г.М. Проблемы использования природных вод бассейна реки Томи для хозяйственно-питьевого водоснабжения / Г.М. Рогов, В.К. Попов, Е.Ю. Осипова. – Томск : Том. гос. архит.-строит. ун-т, 2003. – 217 с. 4. Рогов, Г.М. Гидрогеология и геоэкология Кузбасса / Г.М. Рогов. – Томск : Изд-во ТГАСУ. – 165 с. 24 Секция 1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ СИБИРИ УДК 556.18(091) ВКЛАД Г.М. РОГОВА В СТАНОВЛЕНИИ ЛЕЧЕБНОЙ БАЗЫ СИБИРИ В.В. Быкова Томский Государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: elgyul91@mail.ru Рассмотрены основные этапы изучения минеральных вод Юга и Юго-Востока Западной Сибири Г.М. Роговым совместно с различными коллективами авторов. Оценены качественные и количественные характеристики, явившиеся основанием для развития санаторно-курортного и внекурортного использования, строительства цехов и заводов розлива. Ключевые слова: природно-лечебный потенциал, водообмен, минеральные воды Томской области, газонасыщенность Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, 37 лет возглавлявший ТГАСУ, почетный профессор и академик ряда общественных организаций, в том числе академий. Г.М. Рогов начал заниматься научными исследованиями еще в студенческие годы. Во время преддипломной практики вместе с сотрудниками кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ТПИ Г.М. Рогов выполнял детальные гидрогеологические и гидрогеохимические исследования по Ширинскому району Хакасии в связи с оценкой минеральных ресурсов озер Шира и Шунет для развития республиканского курорта «Оз. Шира» и проблемы его водоснабжения. В пределах Хакасии выделяется несколько бессточных областей: Северо- и Южно-Минусинская котловины. Северо-Минусинская котловин охватывает северо-восточную часть Хакасии от границы республики до Батеневского кряжа. Основное ее пространство занимает Июсо-Ширинская степь, имеющая холмисто-грядовый и куэсто-грядовый денудационный рельеф. Гряды невысоких, с максимальными отметками вершин 660–730 м., холмов и сопок чередуются с обширными равнинными пространствами, наиболее пониженные места которых заняты озерами, расположенными на отметках от 353 до 465 м. Значительная часть котловины принадлежит бессточной области крупных озер Беле, Шира, Иткуль и ряд других более мелких [4]. Вся совокупность форм рельефа в большой степени влияет на климатические особенности и характер увлажнения территории, на формирование поверхностного и подземного стока, на пути питания, транзита и разгрузки подземных вод. Величина суммарной солнечной радиации в степной части республики значительно выше, чем на соответствующих широтах западных районов России. Годовой баланс положителен и равен 43 ккал/см2. Значительные масштабы техногенных преобразований вызывают существенную перестройку не только влажностного режима, но и термодинамической обстановки в целом. В степных районах местное питание подземных вод минимизируется крайне малой (не более 30–40 мм/год) величиной превышения осадков над испарением. Особенно затруднены условия питания во внутренних частях котловины, где в отдельные годы подземные воды не получают и этих величин, что приводит к широкому развитию процессов континентального засоления и испарительного концентрирования водных растворов [4]. 25 Роговские чтения Среди пресных озер наиболее крупное Иткуль (23.3 км2 площадь, глубина до 17 м), соленых – Беле (площадь 75 км2, глубина до 48,2 м), Шира (35,9 км2, глубина до 21,8 м). Среди крупных озер наибольший интерес представляет озеро Шира на котором в 1897 г. организован курорт, расположенный в 12 км от ж.-д. станции одноименного названия [2]. Лечебными факторами являются рапа и сероводородная грязь озера и минеральная лечебно-столовая вода, приуроченная к терригенным преимущественно красноцветным осадкам (аргиллиты, алевролиты, прослои известняков, иропластки и включения гипса). Осадочные отложения вмещают пластовотрещинные и трещинные воды и обладают неоднородной водообильностью. Химический состав и минерализация вод весьма разнообразны как по площади, так и в разрезе (от 0,1 до 10,1 г/дм3). Воды с минерализацией 4,7–10,1 г/дм3 относится к лечебно-столовым и используются на курорте. В районах бессточных озер преобладают хлоридно-сульфатные воды с минерализацией 9,5–13,2 г/дм3. Водопотребление в Ширинском районе составляет 320 л/сут на человека (поселок Шира население 10,1 тыс. чел., поселок Колодезный 1,39 тыс. чел.). Наиболее неблагоприятна обстановка в Ширинском районе. После окончания ТПИ (1953 г.) Г.М. Рогов был зачислен аспирантом на кафедру гидрогеология и инженерная геология аспирантом и уже в июле-августе выполнял детальную гидрогеологическую съемку от долине р. Ушайки, а также проводил опытные гидрогеологические работы на разведуемом Заварзинском месторождении слабо углекислых радиоактивных минеральных вод. Исследование продолжились в 1954 г. не только в связи с изучением минеральных вод, но и поисками зон сульфидной минерализации в пределах всей Колывань-Томской складчатой области. Вдоль ее западной окраины, на протяжении 300 км, прослеживается три основных района радиоактивных вод (Колывань – Новосибирск – Томск). Своим происхождением Заварзинские радиоактивные воды обязаны, вероятнее всего, рассеянным радиоактивным минералам, образовавшимися вместе с другими рудами в период гидротермального оруденения [1] и приурочены к зонам разрывных нарушений повышенной трещиноватости палеозойских пород, а также к третично-меловым и четвертичным осадкам. Источники имели повышенные расходы (до 1,5 л/с) и постоянный режим. По химическому составу воды гидрокарбонатные кальциевые с минерализацией 0,3-0,4 г/дм3 и температурой около 6 °С. По данным П.А. Удодова и В.М. Матусевича (1965 г.) воды тектонических нарушений отличались большей (до 1 г/дм3) минерализацией, разнообразным комплексом макро и микроэлементов и температурой до 11 °С. Содержание радона изменялось в пределах 5–10 нКu/дм3. При опробовании рыхлых отложений в 1968 г. Ю.К. Смоленцевым и В.В. Нелюбиным обнаружена повышенная (до 28 нКu/дм3) радиоактивности вод. Из 33 обследованных водопунктов кондиционные содержания были только в пяти. По А.Н. Токареву эти воды можно отнести к радиеворадоновым. Наибольший интерес в бальнеологическом отношении представляла скважина 17-к, работающая на самоизливе. Из нее длительное время Томским НИИКиФ проводился забор воды для лечебных целей. При проведении ванных процедур вода подогревалась, вследствие чего концентрация радона становилась еще меньше. Заварзинские источники постоянно посещались местным населением, считающим ее целебной. С вводом в эксплуатацию водозабора Академгородка произошло сдренирование уровней. Водоносный горизонт, приуроченный к трещиноватой зоне диабазов и глинистых сланцев нижнего карбона на глубине 30 м, не защищен от поверхностного загрязнения. В результате еженедельных режимных наблюдений, проводимых сотрудниками ТНИИКиФ в начале 80-х гг., было установлено их неблагополучие в санитарном отношении. В 1955 г. Г.М. Рогов приступил к выполнению научно-исследовательских работ по гидрогеологии Кузнецкого бассейна изучались разнообразные типы вод, в том числе и минеральные: без специфических компонентов и свойств, углекислые, йодо-бромные и сероводородные. Воды первого типа с минерализацией до 10 г/дм3 распределены в зоне замедленного водообмена. В настоящее время вода этого типа используется в санатории «Борисовский» для лечебно-питьевых целей и разливается в промышленных масштабах [3]. Воды с минерализацией до 35 и более г/дм3 температурой 50–100 °С распространены в зоне весьма замедленного водообмена и также могут использоваться для лечебных процедур. 26 Секция 1 Йодо- бромные воды с минерализацией 32–35 г/дм3 и температурой более 50 °С вскрыты единичными скважинами на глубинах 2–2,5 км, ниже распространены рассолы с более высокими концентрациями йода и брома. Сероводородные воды в пределах Кузбасса встречаются редко. Наиболее перспективными являются Барзасский район и Присаларийская зона. Углекислые воды разнообразного состава залегают в различных гидрогеохимических зонах Кузнецкого артезианского бассейна. Наиболее благоприятные условия для разгрузки этих вод наблюдаются в области сопряжения бассейна с Кузнецким Алатау, где имеются крупные открытые разломы, сопровождающиеся магматической деятельностью. Изменения солевого состава подземных вод Терсинского месторождения по мере перехода из зоны активного водообмена в зону затрудненного подтверждаются результатами изучения водорастворимых соединений горных пород. С силикатными породами связывается наличие кремневой кислоты преимущественно в молекулярной форме благодаря слабокислой реакции среды и наличию углекислоты, которая также является буфером, удерживающим железо в минеральной воде. Вода скважины 1011 является холодной средне-минерализованной углекислой железистой кремнистой гидрокарбонатной кальциево-натриевой по составу с реакцией среды от слабокислой до нейтральной. Ближайший аналог Боржоми. С целью уточнения показания и противопоказания ТНИИКиФ были проведены клинические исследования[3]. Вода рекомендована для внутреннего применения при хронических заболеваниях желудочно-кишечного тракта, мочевыделительной системы и железодефицитных анемиях. Результаты совместных исследований Г.М. Рогова с его учениками докладывались на различных конференциях, Международном конгрессе «Вода: экология и технология», опубликованы в монографиях и многочисленных статьях. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Гидрогеология СССР. Т. XVI. Западно-Сибирская равнина (Тюменская, Омская, Новосибирская и Томской области). – М. : Недра, 1970. – 358 с. 2. Гидрогеология СССР. Т.. XVIII. Красноярский край и Тувинская АССР / под ред. И.К. Зайцев / Красноярское геологическое управление. – М. : Недра, 1972. – 479 с. 3. Курортно-рекреационный потенциал Западной Сибири / под ред. Е.Ф. Левицкого, В.Б. Адилова. – Томск, 2002. – 227 с. 4. Подземные воды Республики Хакасия и водоснабжение населения / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, А.А. Булатов [и др.] ; под ред. Д.С. Покровского. – Томск : Изд-во НТЛ, 2001. – 300 с. 5. Рогов, Г.М. Гидрогеология и катагенез пород Кузбасса / Г.М. Рогов, В.К. Попов. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 1985. – 191 с. 27 Роговские чтения УДК 556.364 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ ВОДОЗАБОРОВ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ И.В. Вологдина1, Е.М. Дутова2, Д.С. Покровский3 1 Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия, 3 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: ivv@ggf.tsu.ru; dutova@sibmail.com; dsp@sibmail.com 2 В ходе эксплуатации водозаборов из подземных источников неизбежно образуется большое количество осадков, отлагающихся на технологическом оборудовании, фильтрах скважин, в отстойнике. Их формирование приводит к снижению эффективности водоподготовки, вызывает проблемы, связанные с вопросами их обработки и утилизации. Изучаемые нами осадки представляют собой минеральные новообразования, обладающие специфическим строением и составом. В статье представлены разработанная авторами методика и методы изучения осадков систем водоснабжения из подземных источников. Ключевые слова: водоснабжение, подземные воды, водоподготовка, зернистые фильтры, минеральные новообразования, микроструктура, химический состав, минеральный состав. В технических системах водоснабжения, как и в природных условиях, вода, содержащая растворенные компоненты, обладает способностью реагировать на изменение термодинамических условий (температура, давление, газовый режим) и соответственно изменять свой химический состав, вследствие чего из раствора выводится твердая минеральная фаза. Это общеизвестное положение имеет далеко идущие следствия. В ходе эксплуатации водозаборов из подземных источников неизбежно возникают проблемы связанные с ухудшением фильтрационных свойств водовмещающих пород и уменьшением удельных дебитов эксплуатационных скважин. Исследователи говорят о «старении водозаборов» [1], выделяя помимо коррозии оборудования следующие причины ухудшения экологической обстановки на объектах водоснабжения: пескование, связанное с механическим привносом взвешенных частиц; заохривание (химические и микробиологические процессы отложения труднорастворимых соединений железа и марганца); отложение соединений алюминия и других химических элементов, вызванное изменением физико-химических условий; отложение карбонатных соединений; ослизнение, связанное с массовым развитием микроорганизмов. С минералогических позиций осадки систем водоснабжения исследованы слабо. Они характеризуются нанометровой размерностью и плохой окристаллизованностью, что вызывает ряд трудностей при изучении строения и состава осадков. Согласно классификации минеральных новообразований, обязанных влиянию разнообразных технологических процессов [2], осадки систем водоснабжения представляют собой природнотехногенные образования. Принимая во внимание, что формирующиеся минеральные новообразования являются продуктом водной среды, из которой они осаждаются, правомерно также отнести их к современным гидрогенным минеральным новообразованиям осадочного типа. Для изучения процессов осадкообразования и анализа формирующихся минеральных новообразований на основе районирования территории по комплексу признаков в качестве представительных и обладающих наиболее характерными гидрогеохимическими обстановками и условиями залегания подземных вод были выбраны водозаборы городов Томска и Стрежевого, а также Томского Академгородка и пос. Кисловки. Первые два из них базируются на подземных водах палеогена в крайних южной и северной точках области, водозабор Академгородка типичен для водоносного комплекса палеозойских образований, а водозабор пос. Кисловка является практически единственным из эксплуатирующих горизонты четвертичного возраста и имеющих очистные сооружения. Детальные исследования минеральных новообразований на водозаборах Томской области ранее не проводились. Нами была разработана схема отбора проб с учетом типизации химического состава подземных вод и районирования территории области по технологиям водоподготовки. Образцы осад28 Секция 1 ков были отобраны на выбранных нами типовых водозаборах и, по возможности, с различных мест их образования в технологическом процессе водоподготовки. При отборе проб была поставлена задача – охватить основные этапы подготовки воды на водозаборах из подземных источников, поэтому образцы отбирались с осадков, образовавшихся на водоподъемном и водомерном оборудовании скважин, на зернистых фильтрах обезжелезивания и в отстойнике. Образцы осадков, образовавшихся на зернистых фильтрах, были отобраны с учетом поэтапного введения в работу фильтров и вида используемых загрузок. Осадки скважинного оборудования водозабора Академгородка отбирались в ходе промывок оборудования, проводимых по мере его зарастания. На водозаборе п. Кисловки, где используются напорные фильтры, образец осадка был отобран из трубы для отвода фильтрата. Кроме натурных исследований выполнен блок экспериментальных работ. В ходе эксперимента фильтрующие материалы трех видов (кварцевый песок из районов гг. Славгорода и Волгограда и дробленый альбитофир из карьера пос. Горный Новосибирской области) механически закрепляли на пластине и помещали на разное время в проточную исходную нефильтрованную воду, имеющую постоянный контакт с кислородом воздуха в условиях очистных сооружений водозаборов: 1 группа (упрощенная аэрация) и 2 группа (дополнительная аэрация) – 16 сут на водозаборе Академгородка, 3 группа (упрощенная аэрация) – 48 сут на водозаборе г. Томска. Как уже отмечалось выше, осадки систем водоснабжения представляют собой смесь высокодисперсных и плохо окристаллизованных минералов, являющихся проблемными объектами для классических методов исследований, и их изучение сопряжено с определенными методическими трудностями, которые в специальной литературе практически не нашли отражения. В связи с этим, были рассмотрены методики, применяемые для изучения дисперсных пород, почв и глинистых минералов [3, 4], и с учетом имеющихся возможностей выбраны наиболее эффективные из них. Для решения поставленных задач мы использовали комплекс физико-химических методов исследований (таблица): 1) химический анализ; 2) спектральный анализ; 3) рентгеновский анализ; 4) инфракрасная спектроскопия; 5) термогравиметрический анализ; 6) съемки на растровом электронном микроскопе (метод РЭМ); 7) съемка на просвечивающем электронном микроскопе (метод ПЭМ) и микродифракционный анализ. Методы исследования осадков на водозаборах Томской области Место расположения водозабора и отбора проб осадков Академгородок Томского научноМетоды исследования го центра скважины фильтры отстойник Химический анализ + + + Кислотная вытяжка + Спектральный анализ + + + Рентгенофазовый анализ + + + Инфракрасная спектроскопия + + + Термический анализ + + Растровая электронная мик+ роскопия Просвечивающая электрон+ + + ная микроскопия г. Томск г. Стрежевой п. Кисловка фильтры + + + + + + фильтры + + + + + + фильтры + + + + + + + + - + + + Химический анализ. Определение химического состава осадков было выполнено по общепринятым методикам, а для ряда образцов применен метод кислотной вытяжки [5]. Спектральный анализ минеральных новообразований выполнен на спектрографе ИСП-20. Рентгенофазовый анализ. Исследования проводились в лаборатории кафедры физики ТГАСУ на дифрактометре ДРОН-3. Для расшифровки полученных данных использовали справочные и монографические источники [6–8]. 29 Роговские чтения Как известно, в основу качественного рентгенофазового анализа положено сопоставление измеренных на рентгенограмме интенсивностей рефлексов и соответствующих этим рефлексам межплоскостных расстояний с эталонными спектрами тех или иных кристаллических фаз. Дифракционная картина образцов, содержащих несколько фаз, представляет собой наложение спектров, в связи с чем, рентгенофазовый анализ, являясь основным методом идентификации кристаллических материалов, малоэффективен для исследования нанокристаллических и аморфных минералов. Однако, применение монохроматизированного Fe-К излучении и эффективного пропорционального счетчика позволило нам уверенно выявить слабые брегговские рефлексы на фоне широких диффузных максимумов в большом интервале углов рассеяния от 4–6°. Инфракрасная спектроскопия (ИКС). Метод инфракрасной спектроскопии использовался для установления фазового состава осадков и выявления форм воды. Образцы осадков (навеска 1,8 мг) тщательно истирались, спрессовывались с КВr (навеска КВr – 800мг) в алюминиевых кольцах диаметром 2 см и исследовались в диапазоне 4000–400 см–1. ИК-спектры образцов были получены на приборе Specord-75М. Погрешность определения частот колебательных линий 2 см–1. Интерпретация характеристических спектров поглощения для диагностики минералов выполнялась на основе рекомендаций [9]. Термический метод включает: а) дифференциальный термический анализ, дающий кривые нагревания (ДТА), и б) термовесовой (термогравиметрический) анализ, дающий кривые изменения веса (ТГ и ДТГ – простые и дифференциальные кривые). Подготовка образцов и анализ проводились по общепринятым методикам. Исследования проводились на дериватографе системы «Paulik- PaulikErdey» на базе НИИ высоких напряжений при ТПУ. Электронная микроскопия. Методы растровой (РЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии занимают особое место в изучении процессов осадкообразования в системах водоснабжения, т. к. являются единственными прямыми локальными методами визуализации морфологических и микроструктурных особенностей исследуемых объектов. Электронномикроскопические исследования проводились на базе лаборатории электронной микроскопии кафедры физики ТГАСУ. Методом растровой микроскопии исследована морфология осадка, образовавшегося на поверхности гранул фильтрующего материала. Наблюдения проводили на электронном микроскопе TESLA ВS – 301 в режиме вторичных электронов. Образцы фильтрующей загрузки, отработавшей в фильтрах в течение различного срока, перед электронно-микроскопическими исследованиями высушивали при комнатной температуре. В процессе сушки осадки на фильтрах сохранили свою первоначальную структуру, а образцы осадков, образовавшиеся в водоподъемных трубах эксплуатационных скважин, ее утратили, превратившись в неструктурированный порошок, вследствие чего изучение их этим методом было лишено смысла и к ним применяли только метод ПЭМ. Препараты для исследования просвечивающей электронной микроскопии приготовляли методом суспензий из образцов, предварительно диспергированных в жидкой среде. Принимая во внимание слоистую структуру осадков, формирующихся на зернистых фильтрах, препараты некоторых проб осадка были приготовлены из отделенных друг от друга механическим путем слоев, что позволило изучить особенности строения каждого слоя. Наблюдения проводили на приборе ЭМВ – 100 АК. Для повышения целенаправленности минералогических определений, сужения диапазона идентификации отдельных минералов и уточнения генезиса, формирующихся на оборудовании осадков, на начальном этапе исследований нами были проведены физико-химические расчеты равновесия вод с минералами горных пород или, иначе говоря, выполнено так называемое гидрогеохимическое тестирование вероятности того или иного современного гидрогенного минералообразования. Для получения более полного представления о способности вод к тому или иному минералообразованию, кроме химических составов вод базовых водозаборов тестировались воды более широкого спектра объектов, включая скважины водозаборов, расположенных как в северных, так и в южных районах области, отдельные родники, а также речные воды северных территорий, характеризующихся повышенными содержаниями органических веществ и более кислыми средами. Для расчетов привлекались результаты, как отдельных анализов, так и средние обобщенные сведения о химическом составе вод. Оценка равновесности вод с алюмосиликатными минералами производилась путем нанесения данных состава вод, контролирующих то или иное минеральное равновесие, на построенные по ме30 Секция 1 тодике Р.М. Гаррелса и Ч.Л. Крайста диаграммы полей устойчивости конкретных минералов, а относительно широкого спектра силикатов, карбонатов, сульфатов, хлоридов, фторидов, и гидроокислов – расчетами показателей состояния системы «вода-порода» (индексов неравновесности), выполненными с использованием программного комплекса НуdroGeo, разработанного М.Б. Букаты [10]. Так же были рассчитаны органические и неорганические формы миграции минералобразующих элементов. Такое комплексное исследование осадков систем водоснабжение было выполнено впервые, что позволило получить новые и достоверные данные об их составе и строении. В результате была установлена прямая связь между химическим и минеральным составом осадков и химическим составом вод, эксплуатируемых водозаборов, выявлена изменчивость состава и строения осадках, формирующихся на разных этапах водоподготовки даже в условиях одного водозабора. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов [и др.]. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 176 с. 2. Матвеева, Л.И. Актуальные вопросы минералогии техногенеза / Л.И. Матвеева, С.Л. Шиманович // Современные проблемы минералогии и сопредельных наук : тез. докл. к 8 съезду Всерос. минер. об-ва, Санкт-Петербург, 9–14 июня, 1992 – СПб., 1992. – С. 23–24. 3. Методы изучения минералогического состава и органического вещества почв / под ред. Н.С. Рабочева. – Ашхабад : Ылым, 1975. – 416 с. 4. Горбунов, Н.И. Высокодисперсные минералы и методы их изучения / Н.И. Горбунов. – М. : Изд-во АН СССР, 1963. – 303 с. 5. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. – М. : Изд-во МГУ, 1970. – 488 с. 6. Гипергенные окислы железа в геологических процессах / отв. ред. Н.В. Петровская. – М. : Наука, 1975. – 206 с. 7. Миркин, Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Л.И. Миркин. – М. : Физматгиз, 1961. – 863 с. 8. Фекличев, В.Г. Диагностические константы минералов : справочник / В.Г. Фекличев. – М. : Недра, 1989. – 479 с. 9. Плюснина, И.И. Инфракрасные спектры минералов / И.И. Плюснина. – М. : Изд-во МГУ, 1977. – 175 с. 10. Букаты, М.Б. Рекламно-техническое описание программного комплекса НуdroGeo / М.Б. Букаты. – М. : ВНТИЦ, 1999. – 5 с. – Номер гос. Регистрации алгоритмов и программ во Всероссийском научно-техническом центры (ВНТИЦ) № 50980000051 ПК. 31 Роговские чтения УДК 556.314(571.17) ГИДРОГЕОЛОГИЯ ЮГА КУЗБАССА Е.В. Домрочева1, О.Е. Лепокурова1, С.Л. Шварцев1,2, Д.А. Сизиков3, К.И. Кузеванов2, А.Г. Гридасов2 1 2 Томский филиал Института геологии нефти и газа СО РАН, г. Томск, Россия, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия, 3 ОАО «Промгаз», г. Москва, Россия E-mail: DomrochevaYV@ipgg.sbras.ru В настоящей статье представлены материалы изучения гидрогеологии юга Кузбасса, перспективного для добычи угольного метана. Выяснено, что все водоносные горизонты взаимосвязаны и представляют собой единый водоносный комплекс, который состоит из серии микропластов разной водопроводимости и проницаемости. По характеру проницаемости на территории выделяется 2 зоны: интенсивного и замедленного водообмена. В гидрогеохимическом отношении выделяются зоны: пресных и солоноватых вод. Пресные воды с минерализацией до 1 г/л и рН 7–8 распространены до глубины около 400 м. Зона солоноватых вод характеризуется более высокой минерализацией (от 1,0 до 13,0 г/л) и значениями рН до 10,1. Рост минерализации происходит в основном за счет НСО3– и Na. Ключевые слова: Кузбасс, гидрогеология, гидрогеохимия, зональность. Главным геологическим объектом исследований Г.М. Рогова был Кузбасс, гидрогеологию которого он изучал практически всю жизнь и добился в этом деле выдающихся успехов [1–3]. Еще в 1966 г. в докторской диссертации он глубоко обобщил и систематизировал накопленные гидрогеологические материалы, что позволило поднять на новый методический уровень гидрогеологические исследования этого обширного, активно развивающегося региона, которые не потеряли научного значения до наших дней. Позже, совместно с В.К. Поповым он уделил большое внимание оценке роли подземных вод в развитии катагенеза и метаморфизма горных пород и углей этого важного угольного бассейна. Наконец, в последние годы он много сделал для решения многих экологических проблем этого региона, вызванных масштабными горными работами добычи угля. В настоящее время изучение гидрогеологии Кузбасса приобрело особую актуальность в связи с планируемой добычей угольного метана, который выступает самостоятельным сырьем, а также его высокой опасностью, возникающей при работе в угольных шахтах. Поэтому, мы занимаемся этой проблемой, начиная с 2002 г. За это время получен большой новый фактический материал по проницаемости горных пород, динамике подземных вод, их химическому и газовому составу, а также, что принципиально важно изотопному составу. Кузнецкий бассейн представляет собой межгорный прогиб. В геологическом отношении он сложен в основном угленосно-терригенными отложениями, представленными песчаниками, алевролитами и аргиллитами пермского возраста с включением угольных пластов. Выше по разрезу распространены триасовые безугольные и юрские отложения с маломощными пластами угля. Сверху коренные породы покрыты маломощными рыхлыми отложениями кайнозойского возраста, представленными глинами, песчаниками и гравийно-галечниковыми разностями горных пород. Характерной особенностью распространения на поверхности стратиграфических комплексов является их концентричность, которая проявляется в закономерной смене древних отложений более молодыми от периферии к центру Кузбасса. Геолого-структурное строение бассейна определяет особенности его гидрогеологических условий. Рассматриваемый регион представляет собой сложную синклинальную структуру, для подземных вод которой характерен преимущественно трещинный тип движения воды и приуроченность подземных вод к верхней зоне трещиноватости. Используя опубликованные данные, а также результаты анализа собственного фактического материала нами охарактеризована зональность подземных вод региона как отражение его гидродинамических особенностей [4, 5]. Решающим фактором в ее формировании является тип коллектора водовмещающих пород, изменение их сплошности и степени нарушенности. В соответствии с этим по 32 Секция 1 условиям питания и водообмена, выделяются следующие гидродинамические зоны: активного, замедленного и весьма замедленного. Верхняя из них – зона активного водообмена – имеет мощность от нескольких десятков метров в долинах рек до 150 м на водоразделах. За счет инфильтрации атмосферных осадков существенное влияние на обводненность пород оказывает структура коллекторов, условия движения подземных вод. Области питания расположены на возвышенных водораздельных пространствах. Области разгрузки приурочены к отрицательным формам рельефа и руслам рек. Судя по имеющимся данным, уровни воды в скважинах, вскрывающих водоносные горизонты на различной глубине, являются едиными для всех интервалов вскрытия, что свидетельствует об их гидравлической взаимосвязи, в целом, в общих чертах повторяя рельеф местности. Распределение фильтрационных параметров сильно зависит от местных условий. Это позволяет корректировать положение границ между отдельными гидродинамическими зонами на локальных участках. Если выделять зону активного водообмена, опираясь на повышенные значения коэффициентов фильтрации на уровне не ниже десятых долей м/сут, то в некоторых случаях ее следует проводить на глубине до 400 м. Эта величина не случайна. Воды этой зоны находятся под влиянием гидростатических напоров, формирующихся под непосредственным воздействием поверхностных водотоков. Поэтому можно с большой долей уверенности предположить, что величины действующих напоров в пределах водосборных бассейнов определяются разностью отметок рельефа дневной поверхности. Подземные воды зоны замедленного водообмена вскрыты и опробованы отдельными глубокими скважинами. Граница зоны прослежены до глубины порядка 2 км. Она характеризуется особыми гидродинамическими условиями. На границе перехода из одной зоны в другую не отмечается резкого падения проницаемости пород (рис. 1). Это определяет обстановку, характерную для формирования условий замедленного водообмена. Рис. 1. Зависимость проницаемости горных пород керновых скважин от глубины Некоторые имеющиеся данные по обводненности глубоких керновых скважин Талдинской площади Ерунаковского района представлены в таблице. Нетрудно видеть, что расходы воды весьма невелики и составляют < 20 м3/сут. При этом какой-либо зависимости расходов воды от глубины не устанавливается. Более того, наибольшее значение расхода (19,6 м3/сут) установлено на максимальной глубине (1300 м, скв. 16140). Проницаемость отложений также практически не зависит от глубины, т. к. фоновые ее значения составляют менее 1 мD независимо от глубины залегания измеренных интервалов. На этом фоне выделяется небольшое количество более проницаемых зон с коэффициентом проницаемости (Kn) 10–100 мD. Такие зоны характерны для различных глубин, хотя они не носят регионального характера и устанавливаются только в конкретных скважинах. Дополнительные сведения о строении гидрогеологического разреза, проанализированы нами на основе данных об изменении пористости горных пород с глубиной по разрезу Томской глубокой 33 Роговские чтения скважины. В ее геологическом разрезе можно выделять горизонты пониженной проницаемости, выполняющие роль своеобразных раздельных слоев в многопластовой системе. Однако весь разрез до глубины 2 км характеризуется достаточно низкими ее значениями, в среднем не > 10 % и характерны для зоны замедленного водообмена (рис. 2). Обводненные горизонты горных пород зоны замедленного водообмена и их гидродинамические параметры Номер обводненной зоны Скважина 16140 1 2 3 4 5 6 7 8 Скважина 16116 1 2 3 Скважина 16243 1 2 3 Интервал опробования, м 463,2–488,2 576,3–601,3 676,7–692,7 891,8–925,7 941,4–967,0 1106,0–1123,0 1199,0–1214,0 1281,0–1302,0 887,8–905,0 925,7–943,5 1221,0–1231,0 750,0–765,0 1020,0–1035,0 1070,0–1085,0 Коэффициенты Проницаемости проницаемости угля всего интервала, мD Абсолютная отметка устья – 224 м 3,9 0,8 1,1 0,32 9,5 6,6 8,9 4,3 4,9 1,0 9,1 4,4 9,8 3,5 19,0 5,0 Абсолютная отметка устья – 345 м 3,0 3,4 30,0 3,8 21,0 3,8 Абсолютная отметка устья – 260 м 87,6 14,6 13,0 2,3 93,6 7,8 Максимальный расход, м3/сут 14,0 14,0 6,5 2,9 4,8 17,2 1,5 19,6 – – – – – – Имеющиеся результаты одиночных опытных работ, например, в скважине на территории Ерунаковского района показывают, что с увеличением понижения удельный дебит скважин растет незначительно. Все это говорит о том, что мы имеем дело с микрогоризонтами разной пористости, проницаемости и соответственно разными расходами при одном и том же понижении. Иначе говоря, единый водоносный комплекс является неоднородным по проницаемости и состоит из серии микропластов разной водопроводимости. Принципиально важно, что результаты опытно-фильтрационных гидрогеологических работ в целом не противоречат геофизическим данным по определению проницаемости. Тем не менее, зоны тектонических нарушений, горизонты горельников, грубообломочных отложений и т. д. могут иметь большие значения проницаемости, а зоны тектонических нарушений могут выступать как воодонасыщенные зоны. Пока отсутствуют убедительные данные о том, что проницаемость основного блока горных пород резко уменьшается с глубиной. Скорее всего, в среднем она не меняется до глубин, по крайней мере, 2000 м. Зона весьма замедленного водообмена может быть выделена предположительно на глубинах более 2000 м. ПрактичеРис. 2. Изменение пористости с глубиной ски она изучена только в Абашевской скважине. Вероятное по данным исследования Томской распределение обводненных интервалов может быть связано глубокой скважины в Томь-Усинсс положением в разрезе наиболее крупных структурных тектоком районе 34 Секция 1 нических нарушений глубокого заложения, определяющих фильтрационные потоки, предположительно, восходящей направленности. В соответствии с гидродинамическими зонами выделяются и гидрогеохимические зоны, которые также определяют их характер. Для подземных вод зоны активного водообмена характерно развитие НСО3 Са, Са-Na, Na-Ca типов вод. Это повсеместно пресные воды с минерализацией до 0,6, реже 1 г/л, чаще нейтральные со средним значением рН – 7,5. Содержание НСО3 до 0,7 г/л, Са до 0,05 г/л, Na в среднем – 0,05. Мощность этой зоны отмечается нами до 460 м в Ерунаковском районе и до 550 м в Томь-Усинском, Березовоярском участке до 120 м. Следует отметить, что в отдельных случаях минерализация подземных вод может возрастать до 2–3 г/л, и воды тогда становятся SO4-НСО3 Na, реже SO4-Сl состава. Подобная картина наблюдается на участках континентального засоления и является исключением. Таким же исключением являются и зоны техногенного загрязнения. Все это выражается в пестроте химического состава подземных вод. Для зоны замедленного водообмена характерны достаточно сложные гидрогеохимические условия. Здесь развиты гидрокарбонатные натриевые (содовые) воды с минерализацией от 1 до 5–6 г/л, щелочные с рН = 8,3–9,5. В этой зоне увеличивается содержания НСО3 до 6,5 г/л, Na до 2,5 г/л. Именно содовые воды в Кузбассе пользуются большим распространением, Нами они описаны в нижнекаменноугольных и пермских отложениях Ерунаковского и Томь-Усинского районов, а также на территории Березовоярского участка приуроченных к балахонской серии. Кроме этого, местами редко, локально распространены воды Сl состава и SO4-Na, минерализация которых доходит до 7,1 г/л. Следует отметить, что воды такого SO4-Na состава обогащены еще и хлор-ионом. Подземные воды зоны весьма замедленного водообмена – это воды Сl, Cl-НСО3 типа (содержание Сl– до 11 г/л, НСО3 до 10,9 г/л) с преобладающим катионом – натрием (до 12 г/л). Воды этой зоны почти не изучены и вскрыты Абашевской скважиной. Это рассолы с минерализацией порядка 35 г/л. Именно по переходу гидрокарбонатных натриевых вод в типичные минерализованные хлоридно-натриевые и устанавливается граница между зонами замедленного и весьма замедленного водообмена. Зона весьма замедленного водообмена выделяется условно. В целом подземные воды юга Кузбасса имеют разнообразный химический состав – от ультра пресных до умеренно солоноватых (рис. 3, а), с рН от нейтральных до щелочных (рис. 3, б). С глубиной минерализация увеличивается. Это происходит в первую очередь за счет НСО3– (до 3,8 г/л в Томь-Усинском и до 6,5 г/л в Ерунаковском) и Na+ (до 3,4 г/л в Томь-Усинском и до 2,4 г/л в Ерунаковском) (рис. 3, в, г). Минерализация, г/л а 0 10 20 30 pH б 40 0 6 7 8 9 10 11 0 500 500 Глубина, м Глубина, м 1000 1500 2000 2500 1000 1500 -1 -2 3000 -3 2000 -1 -2 Рис. 3. Изменение состава подземных вод в Томь-Усинском и Ерунаковском районах (окончание см. на с. 28): 1 – Томь-Усинский район; 2 – Ерунаковский район; 3 – Абашевская структура 35 Роговские чтения HCO3, мг/л в 1000 2000 3000 4000 Na, мг/л г 5000 6000 0 7000 0 0 500 500 Глубина, м Глубина, м 0 1000 1500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 -1 -2 2000 -1 -2 2500 Рис. 3. Окончание (начало см. на с. 27) Следует отметить, что на локальных участках отмечается глубинная разгрузка по зонам тектонических нарушений. Тогда на глубинах 50–100 м мы встречаем минерализованные щелочные метановые воды, не только в Ерунаковском и Томь-Усинском районах, но и на Грамотеинском участке, а также вскрытые термальные воды на глубине 600–700 м в д. Уроп и др. [1]. Такое положение минерализации характерно для некоторых районов юга Кузбасса и на локальных участках нарушает прямую гидрогеохимическую зональность. Таким образом, анализ гидрогеологических данных позволил обосновать наличие в регионе неоднородного по обводненности, но единого водоносного комплекса с общими областями питания и разгрузки и нормальной гидрогеохимической зональностью. По данным химического и изотопного (δ18О и δD) анализов, воды в пределах Кузнецкого угольного бассейна, несмотря на различную соленость и состав, являются инфильтрационными с местными и отдаленными областями питания [6]. Кроме того, авторами получены уникальные данные по изотопному составу водорастворенного углерода, по органике и микрокомпонентому составу вод, по состоянию равновесия вод с вмещающими породами [7]. Однако в рамках одной статьи всего не расскажешь. Главное, что научное направление Геннадия Маркеловича успешно продолжается и по сей день. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Рогов, Г.М. Гидрогеология Кузнецкого угольного бассайна : дис. … докт. геол.- минерал. наук. – Томск, 1966. – 647 с. 2. Рогов, Г.М. Гидрогеология и катагенез пород Кузбасса / Г.М. Рогов, В.Г. Попов. – Томск : Изд-во Томского университета, 1985. – 191 с. 3. Рогов, Г.М. Гидрогеология и геоэкология Кузбасса / Г.М. Рогов. – Томск : Изд-во Томского университета, 2000. – 166 с. 4. Домрочева, Е.В. Гидрогеохимичесие особенности угольных районов юга Кузбасса : автореф. дис. … канд. геол.- минерал. наук. – Томск, 2005. – 22 с. 5. Гидрогеология Ерунаковского района Кузбасса в связи с проблемой образования ресурсов и добычи угольного метана / С.Л. Шварцев В.Т. Хрюкин, Е.В. Домрочева [и др.] // Геология и геофизика. – 2006. Вып. 47. № 7. С. 878889. 6. Домрочева, Е.В. Геохимическая характеристика подземных вод Нарыкско-Осташкинской площади (Кузбасс) / Е.В. Домрочева, О.Е. Лепокурова, Д.А. Сизиков // Известия ТПУ. – 2014. – Т. 325. – № 1 – С. 94–101. 7. Домрочева, Е.В. Равновесия содовых подземных вод угленосных отложений Нарыкско-Осташкинской площади (Кузбасс) с минералами вмещающих пород / Е.В. Домрочева, О.Е. Лепокурова // Вестник Том. гос. ун-та. – 2015. – № 390. – C. 211–217. 36 Секция 1 УДК 556.1:543.5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИОННО-СОЛЕВОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПАЛЕОГЕНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ К.К. Кузеванов, Е.М. Дутова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: kuzevanovkk@mail.ru В докладе рассмотрена пространственная изменчивость общей минерализации и ионно-солевого состава подземных вод палеогеновых отложений Томской области. Основываясь на картографических построениях, выполненных средствами геоинформационных систем, проведен анализ пространственного соотношения площадей развития различных типов вод по минерализации и химическому составу вод. Сделан вывод о подчиненности химического состава подземных вод зональным изменениям природно-климатических условий исследуемой территории. Ключевые слова: водоснабжение, гидрогеохимия, подземные воды, геоинформационные системы, общая минерализация, ионно-солевой состав. Обеспечение населения Томской области качественной питьевой водой является актуальной и приоритетной проблемой. В связи с этим возникает проблема качественной и количественной оценки ресурсов подземных вод, использующихся для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Население области превышает 1 млн чел. Основная его часть (65,1 %) сосредоточена в городах и поселках городского типа, базовым источником водоснабжение которых является водоносный комплекс палеогеновых отложений. Воды комплекса характеризуются средней минерализацией на уровне 0,5 г/л. Ее значения на различных участках исследуемой территории изменяются от 0,9 до 2,8 г/л. Средний уровень рН подземных вод отложений 7,4. По химическому составу воды преимущественно гидрокарбонатные с различным содержанием катионов. Среднее значение гидрокарбонат-иона составляет 372,5 мг/л, кальций-иона – 78,8 мг/л, магний-иона – 18,4, натрий-иона – 26,5 мг/л. Таблица 1 Химический состав подземных вод палеогеновых отложений Томской области Минимальное Максимальное Среднее Ca, мг/л 6,0 206,4 78,8 Mg, мг/л Na, мг/л K, мг/л 1,2 94,8 18,4 2,0 726,9 26,5 0,4 11,9 0,8 HCO3, мг/л 24,4 1098,3 372,5 Cl, мг/л 0,2 1701,7 15,1 SO4, мг/л 0,2 74,5 3,5 Общая минерализация, мг/л 91,0 2858,0 512,1 pH, ед. 5,6 8,8 7,4 Распределение минерализации подземных вод по площади имеет неравномерный характер, подчиняясь, в основном, ландшафтной зональности. Воды с наименьшей минерализацией (ультрапресные) имеют развитие в восточной части области. Приурочены к бассейну р. Кети и верховью р. Тыма, а также в северной части области (р. Обь). Доля площади, занимаемая ими, незначительна и составляет 0,2 %. Наибольшую часть территории распространения водоносного комплекса (55 %) занимают воды собственно пресные. Развитие имеют в верховьях р. Васюгана, в бассейнах рек Бакчар, Парабель. На втором месте по распространенности (43,5 %) следуют воды умеренно пресные (бассейны р. Чулыма, р. Тыма, р. Васюгана). Наиболее минерализованные (слабосолоноватые) воды имеют локальные проявления в южной части области и занимают не более 1,5 % площади. По ионно-солевому составу воды преимущественно гидрокарбонатные кальциевые. На их долю приходится более 70 % площади водоносного комплекса. Гидрокарбонатные магниевые воды составляют около 20 %. Развиты, в основном, в центральной и южной части Томской области и имеют прерывистое распространение. Воды гидрокарбонатного натриевого состава занимают около 5,5 % площади и распространены на западе области. 37 Роговские чтения Рис. 1. Общая минерализация подземных вод палеогеновых отложений Томской области Таблица 2 Доля площади распространения водоносного комплекса палеогеновых отложений Томской области, занимаемая водами различной минерализации Ультрапресные (< 0,2 г/л) 0,2 % Умеренно пресные (0,2–0,5 г/л) 43,5 % Собственно пресные (0,5–1 г/л) 55,0 % Слабосолоноватые (1–3 г/л) 1,4 % Таблица 3 Доля площади распространения водоносного комплекса палеогеновых отложений Томской области, занимаемая водами различного ионно-солевого состава Классификация вод по общей минерализации HCO3-Ca (Mg, Na), % HCO3-Mg (Ca, Na), % HCO3-Na (Mg, Ca), % HCO3 (Cl,SO4) – Cl(HCO3,SO4) – (Ca,Mg,Na), % (Ca,Na,Mg), % Ультрапресные 0,2 – – – – Умеренно пресные 30,8 12,1 0,5 0,01 0,000014 Собственно пресные 41,7 7,7 5,0 0,5 – Слабосолоноватые 0,6 0,6 0,1 0,03 1,2 Имеют место локальные, в долинах рек Васюган, Парбиг, Бакчар, Чая, Обь проявления вод гидрокарбонатно-хлоридного, хлоридно-гидрокарбонатного, хлоридно-сульфатного состава с различными преобладающими катионами. Общая площадь их распространения не превышает 1,2 %. 38 Секция 1 Рис. 2. Типы ионно-солевого состава подземных вод палеогеновых отложений Томской области В целом, изменчивость химического состава подземных вод палеогеновых отложений подчинена зональным изменениям природно-климатических условий территории. В соответствии с хорошо известными общими закономерностями наиболее минерализованные подземные воды формируются в южной части области в обстановках южной тайги, а наиболее пресные – на севере, в подзоне средней заболоченной тайги. Проявление в растворах повышенного содержания хлор- и сульфат-иона свидетельствует о явлении перетока вод соответствующего химического состава из нижележащих водоносных горизонтов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ермашова, Н.А. Геохимия подземных вод зоны активного водообмена Томской области в связи с решением вопросов водоснабжения и охраны : автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. – Томск, 1998. – 44 с. 2. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов [и др.] ; под ред. Д.С. Покровского. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 200 с. 39 Роговские чтения УДК 628.3 ПРОБЛЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД НА ПРИМЕРЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ООО «РАЗРЕЗ НОВОБАЧАТСКИЙ» О.А. Скопцова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия Состояние большинства водоемов и водотоков на освоенных территориях России не отвечает экологическим требованиям. Одна из причин сложившейся ситуации – малоэффективная система нормирования сбросов сточных вод. Процедура разработки нормативов допустимых сбросов (НДС) загрязняющих веществ и микроорганизмов в поверхностные водные объекты является механизмом нормирования допустимых воздействий хозяйственной и иной деятельности на поверхностные водные объекты. Согласно [1, 2], нормативы НДС устанавливаются для водохозяйственного участка или для отдельных выпусков сточных вод проектируемых, реконструируемых и действующих предприятийводопользователей с учетом предельно допустимых концентраций веществ (ПДК) в местах водопользования, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями, сбрасывающими сточные воды. Целью данной работы является рассмотрение возникновения различных проблем при разработке нормативов допустимого сброса и влияние их на примере деятельности ООО «Разрез Новобачатский». Геологический участок «Новобачатский» расположен в Беловском геолого-экономическом районе Кемеровской области. На расстоянии 1,0 км к северо-западу находится пос. Новобачаты, в радиусе 10 км к югу и востоку – поселки Шестаки, Артышта и Краснобродский. Район достаточно освоен добывающей промышленностью, в непосредственной близости находятся разрезы «Краснобродский», «Бачатский», «Шестаки», и шахта «Новая» [4]. Поверхность участка представляет собой изрезанный логами склон реки Черта, входящую в систему реки Иня. Участок находится в пределах Каменского каменноугольного месторождения, но с точки зрения геологии по условиям залегания угольных пластов больше тяготеет к Новосергеевскому месторождению каменного угля. Отработка участка осуществляется в соответствии с проектной документацией «Проект разведочно-эксплуатационных работ в пределах участка недр «Новобачатский» Каменского месторождения с целью уточнения геологического строения и качества углей» [4], на которую имеется положительное заключение экспертной комиссии Государственной экологической экспертизы от 03.03.2006 г. №Э 1-778. Поймы долин рек и большинство логов заросли кустарником. Основным водотоком месторождения является р. Черта, впадающая в реку Иня. Лога в основном заболочены, покрыты зарослями кустарника. Для определения величины НДС сточных вод следует оценить условия сброса сточных вод в водный объект и выбрать нормируемые показатели. Условия сброса сточных вод заключаются в определении местоположения выпуска, необходимости его обустройства, установлении режима сброса и т. д. [3]. При этом в состав исходной информации, необходимой для проведения расчетов, входят [1]: 1) схема водопотребления и водоотведения с указанием источников образования сточных вод; 2) схема расположения выпусков сточных вод в водный объект; 3) сведения о водопользователе; 4) гидравлическая характеристика выпуска и водоприемника; 5) сведения о водном объекте-водоприемнике (при необходимости проводятся наблюдения в соответствии с ГОСТ и нормативными документами Росгидромета, Госстроя и МПР РФ); 6) сведения о сточных водах, сбрасываемых в водный объект (наблюдения за составом сточных вод проводятся с учетом требований); 7) нормативы качества воды, принимаемые при нормировании. На первый взгляд, содержание данных материалов не должны вызывать особые проблемы, но на практике они достаточно часто возникают у многих водопользователей. 40 Секция 1 Одной из проблем является перечень нормируемых показателей. Выход из этой ситуации – нормирование только тех веществ, которые имеют превышения ПДК. Для определения величины НДС необходимо оценить состояние водного объекта до и после деятельности предприятия. Прежде всего, необходимо установить границы оцениваемого участка водного объекта – «фоновый» и контрольный створы. Возникает проблема – как выявить генезис нормируемого вещества в поверхностных водах. Если фоновая загрязненность водного объекта по каким-либо показателям не позволяет обеспечить нормативное качество воды в контрольном пункте, то НДС по этим показателям разрабатываются исходя из отнесения нормативных требований к составу и свойствам воды водных объектов к самим сточным водам. В отечественной научной и нормативной литературе закреплен подход, в соответствии с которым в контрольном створе для группы из М веществ с одинаковым лимитирующим признаков вредности (ЛПВ) должно соблюдаться условие [1]: ∑ ПДК ≤ 1. Также возникают проблемы при превышении расчетных значений НДС. В таком случае должен быть разработан план мероприятий по снижению сбросов этих веществ, выполнены обоснование и расчет временно согласованных сбросов (ВСС). Очень часто допустимые содержания нормируемых веществ в сточных водах приравниваются к ПДК. Река Зеленчиха – приток реки Черта второго порядка принята в качестве водотока – приемника очищенных карьерных и поверхностных вод. Гидрологические характеристики р. Зеленчиха представлены в таблице. Гидрологические характеристики р. Зеленчиха в створе выпуска сточных вод [4] Средние 95% обеспеченности Модуль стоОбъем стока, Слой стока, Модуль стоОбъем стока, Слой стока, Расход м3/с Расход м3/с ка, л/с км2 м3 106 мм ка, л/с км2 м3 106 мм Годовой сток 4 0,064 2,019 126 2,1 0,034 1,072 66 Минимальный среднемесячный (летне-осенняя межень) 1,1 0,018 0,047 2,9 0,4 0,006 0,016 1,0 Минимальный среднемесячный (зимняя межень) В зимнюю межень водоток перемерзает Поверхностный сток с внешнего породного отвала и карьерный водоотлив отводятся на очистные сооружения, после очистки выпуском № 1 сбрасываются в реку Зеленчиха. На площадке открытых горных пород принят поверхностный способ осушения карьерного поля. Карьерные воды собираются в зумпфах, из которых вода при помощи водоотливных установок перекачивается на очистные сооружения карьерных вод. На очистные сооружения поступает так же поверхностный сток с внешнего породного отвала. Принятый перечень нормируемых веществ формируется с учетом данных о качестве исходной воды и качестве сточных вод, сбрасываемых в водный объект: азот аммонийный, нитраты, нитриты, взвешенные вещества, БПКполн, сульфаты, хлориды, нефтепродукты, железо общее, фенолы, медь, марганец, хром6+, цинк, никель [4]. Согласно [4], очистка карьерных вод и поверхностных сточных вод с внешнего породного отвала разреза предусматривается на очистных сооружениях карьерных вод, где осуществляется механическая очистка (отстаивание). Осветленные сточные воды по сбросному трубопроводу (длина 28 м, диаметр 219 мм), заложенному в теле дамбы и далее по логу бывшего ручья сбрасываются в водный объект (река Зеленчиха, выпуск № 1). Выпуск № 1 в реку Зеленчиха – береговой, сосредоточенный, незатопленный. Вы41 Роговские чтения пуск оборудован бетонированным оголовком и укреплен каменной наброской. Сведения о проектной эффективности очистки сточных вод: взвешенные вещества – 94,6 %. Сведения о фактическом эффективности очистки сточных вод отсутствуют. Учет объемов сточных вод на выпуске № 1 в реку Зеленчиха осуществляется расчетным методом. Схема образования и количество сточных вод за год, тыс. м ООО «Разрез Новобачатский» на участке открытых горных работ планирует осуществлять сброс смешанных (карьерные и поверхностные) сточных вод по выпуску №1 в р. Зеленчиха [4]. При расчете НДС веществ и микроорганизмов приняты проектные данные объемов сброса и концентрации загрязняющих веществ в соответствии с проектной документацией [4]. Контроль (наблюдения) качества сточных вод на выпуске № 1 в реку Зеленчиха по химическим показателям, в том числе тяжелые металлы производится по Договору с лабораторией ФБУ «ЦЛА ТИ по СФО». Контроль (наблюдения) качества сточных вод на выпуске № 1 в реку Зеленчиха по микробиологическим и паразитологическим показателям производится по Договору с лабораторией ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии по железнодорожному транспорту» г. Белово. Периодичность отбора проб смешанных сточных вод, поступающих в реку Зеленчиха, для определения содержания в них загрязняющих веществ проводится в соответствии с «Программой проведения измерений качества сточных вод» [4]. Таким образом, следует отметить, что достоверность подходов к нормированию сброса сточных вод определяется достоверностью исходной информации. Для ее получения требуется организация и проведение режимных гидрохимических и гидрологических наблюдений, выбора нормируемых показателей, выявления вклада природных и антропогенных факторов в формирование химического состава поверхностных вод и т. д. Поэтому основной задачей определения нормативов НДС достаточно часто является объективная оценка допустимой концентрации веществ в сточных водах. Однако существующие способы расчета концентрации не безупречны как с теоретической, так и с практической точек зрения, что определяет актуальность их дальнейшего совершенствования с учетом опыта нормирования антропогенных воздействий на территории Российской Федерации. Тем не менее, проблема объективного определения допустимых сбросов сточных вод в поверхностные водные объекты требует своего решения [3]. Проблемы нормирования сброса сточных вод необходимо решать уже сейчас, а не в отдельном будущем. Так как функционирование отдельных предприятий, а в данном случае деятельность ООО «Разрез Новобачатский»и социально-экономическое развитие целых регионов Россиизависитот объективности этой оценки. Также следует отметить, что 29 июля 2014 г. были внесены изменения [5] в методику разработки нормативов допустимых сбросов веществ [1], в связи с этим, при разработке НДС необходимо учитывать эти изменения. 42 Секция 1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. 102 Приказом МПР России от 17.12.2007 г. № 333 ; зарегистр. в Минюст РФ от 21.02.2008 г. № 11198. – М. : МПР России, 2008. – 35 с. 2. Методические указания по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты. Утв. Приказом МПР России от 12.12.2007 г. № 328 ; зарегистр. в Минюст РФ от 23.01.2008 г. № 10974. – М. : МПР России, 2008. – 34 с. 3. Экологическое нормирование: методы расчета допустимых сбросов загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты суши. Ч. I / О.Г. Савичев, К.И. Кузеванов, А.А. Хващевская [и др.]. – 2-е изд. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 108 с. 4. Проект разведочно-эксплуатационных работ в пределах участка недр «Новобачатский» Каменского месторождения с целью уточнения геологического строения и качества углей. – 2006. – 23 с. 5. Приказ Минприроды России от 29.07.2014 № 339 «О внесении изменений в приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 17 декабря 2007 г. № 333 “Об утверждении Методики разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей”» (Зарегистрировано в Минюсте России 02.09.2014 № 33938). 43 Роговские чтения УДК 550.4:556.11 РАВНОВЕСИЕ ЩЕЛОЧНЫХ ГИДРОТЕРМ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ К КАРБОНАТНЫМ МИНЕРАЛАМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ О.Г. Токаренко, Е.В. Зиппа Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: tog@tpu.ru В работе изложены результаты моделирования расчета насыщения азотных терм Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) с кальцитом и доломитом, которые представляют карбонатный барьер на пути установления равновесия трем с первичными минералами магматических пород. На исследуемой территории выделено три основных геохимических типа терм, которые характеризуются разностью степенью насыщенности к кальциту и доломиту, а также количественным соотношением осаждающихся минеральных фаз. Показано, что система азотные термы-горная порода носит равновесный характер с этими минералами, что приводит к связыванию заимствованных из горных пород кальция и магния вторичными минералами – кальцитом и доломитом. Ключевые слова: моделирование, доломит, кальцит. Ранее одним из авторов рассматривались предварительные результаты оценки равновесия терм с рядом карбонатных минералов [1]. Оценка степени равновесия вод к минералам водовмещающих пород в настоящее время широко используется среди специалистов-гидрогеохимиков [2] для определения условий формирования химического состава[3, 4]. В работе [5] показано, что термы Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) представляют собой результат длительного взаимодействия древних и современных инфильтрационных вод с вмещающими горными породами и связанного с этим масштабного перераспределения химических элементов между водным раствором и формирующимися в этих условиях вторичными минеральными образованиями. В растворе достигается равновесие с различными минералами (карбонатными и алюмосиликатными), в результате чего происходит образование разнообразных вторичных минералов. Целью настоящей работы является установление количественного соотношения новообразованных вторичных минералов для подтверждения гипотезы формирования особенностей уникального химического состава гидротерм БРЗ. В данном случае будут рассмотрены только кальцит и доломит, формирование которых является важнейшим этапом эволюции системы вода-порода. Подробный анализ особенностей химического состава терм приведен в работе [6]. Отметим, что отличительной особенностью этих терм является низкая минерализация, которая за редким исключением превышает 1 г/л, а чаще составляет <0,5 г/л, высокая щелочность (рН от 8,2 до 10), наличие повышенных концентраций кремния (в некоторых случаях до 120 мг/дм3) и фтора (до 47 мг/дм3). Содержания последнего, как установлено, хорошо коррелируют с карбонатными ионами, но плохо – с сульфатными. В целом в пределах БРЗ сформировано пять химических типов терм – HCO3-Na, HCO3-F-Na, HCO3-SO4-Na, SO4-HCO3-Na и SO4-Na, которые различаются между собой направленностью трансформации химического состава, корреляционной зависимостью с общей минерализацией, температурой, рН, содержанием фторид- и сульфат-иона. В связи с этим, термы содового типа являются пресными (М < 0,5 г/л), что пока не имеет четких объяснений. В процессе проведения моделирования были использованы данные химического состава терм 47 источников. Для выяснения степени насыщенности терм к отдельным минералам мы использовали индекс насыщения, который равен si = lgQ/K, где Q – квотант реакции; K – константа реакции. По мере насыщения раствора относительно какого-либо минерала индекс насыщения увеличивается до нуля (состояние равновесия). При пересыщении его значения становятся положительными. Расчет параметра и моделирование процессов растворения/осаждения минеральных фаз проводилось по известным методикам, разработанным на базе термоди Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ 14-05-31518. 44 Секция 1 рН = 9.5 рН = 9.0 рН = 8.5 рН = 8.0 20 рН = 7.5 30 рН = 10.0 намики гидрогеохимических процессов [7] с использованием компьютерной программы Hydro Geo [8]. Моделирование процессов образования минералов в данной программе основано на принципе минимизации свободной энергии. Суть метода заключается в расчете равновесного состава изучаемой геохимической системы на основе данных по ее начальному элементному составу согласно общепринятых принципов равновесной химической термодинамики. Так, наиболее вероятным путем развития системы является ее переход в состояние, отвечающее минимуму суммарного изобарно-изотермического потенциала системы (свободной энергии Гиббса) при заданных термодинамических условиях. В данном случае в расчетах учитывалась фактическая температура воды на устье источника, которая варьирует в диапазоне от 40 до 80 °С. При настройке модели в систему были включены 14 минералов, содержащих в своем составе кальций: CaCO3(к) – кальцит, CaMg(CO3)2 – доломит, CaCO3(а) – арагонит, CaF2 – флюорит, Ca0,15Al1,9Si4O10(OH)2 – монтмориллонит, Ca0.187Na0.0205K0.0205Fe3+0.141Mg0.336Al1.59Si3.93O10(OH)2 – монтмориллонит, CaAl2Si2O6(OH)4 – лавсонит, CaAl2Si4O8(OH)8 – ломонтит (цеолит), CaAl4Si2O10(OH)2 – маргарит, CaMg3(CO3)4 – гунтит, CaSO4 – ангидрит, CaSO4(H2O)0.5 – бассанит, CaSO4(H2O)2 – гипс, CaAl2Si4O12(H2O)2 – вайракит (цеолит). Несмотря на низкую соленость азотных терм и довольно низкие содержания кальция в термах (1–7 мг/дм3), в них все же устанавливается равновесие с кальцитом. Установлено, что подавляющая часть родников насыщена к кальциту и доломиту (рис. 1 и 2). 10 2 1 0 1 -20 -30 2 Растворение (-) или осаждение (+) кальцита, мг/л Растворение (-) или осаждение (+) доломита, мг/л Индекс насыщенности к кальциту Индекс насыщенности к доломиту 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 -10 Номер термального источника Рис. 1. Зависимость значений индекса насыщения и количеств растворенного/осажденного минерала от рН родников: Линии тренда: 1 – для количества осажденного кальцита; 2 – для параметра насыщенности к доломиту. Номера термального источника: 1 – Енгорбойский; 2 – Гаргинский; 3 – Змеиный; 4 – Теплый ключ; 5 – Нилова пустынь; 6 – Ирканинский-2; 7 – Алгинский; 8 – Корекейский; 9 – Сартинский; 10 – Бусанский-2; 11 – Ирканинский-1; 12 – Гусихинский; 13 – Точинский-2; 14 – Бусанский-1; 15 – Точинский-1; 16 – Баунтовский-1; 17 – Баунтовский-2; 18 – Могойский-1; 19 – Могойский-2; 20 – Могойский-3; 21 – Могойский-4; 22 – Могойский-5; 23 – Шуриндинсикй-1; 24 – Шуриндинсикй-2; 25 – Верхнеангарский; 26 – Котельниковский; 27 – Былыринский; 28 – Питателевский; 29 – (Питателевский скважина); 30 – Дзелиндинский; 31 – Кыринский-1; 32 – Дзелиндинский(скв.); 33 – Кырянский-2; 34 – Кулиные болота; 35 – Толстихинский; 36 – Аллинский-2; 37 – Аллинский-1; 38 – Горячинский; 39 – Ангаркан-Сартинский; 40 – Улурийский-1; 41 – Улурийский-2; 42 – Кучигерский-1; 43 – Умхейский-1; 44 – Умхейский-2; 45 – Кучигерский-2; 46 – Солнечный; 47 – Большереченский Похожая картина была получена и ранее [1] с использованием расчетной методики с использованием полей устойчивости карбонатных минералов. Однако данные по количественному образованию этих минералов получены впервые. 45 М = 2 г/л М = 1 г/л 20 М = 0.2 г/л 30 М = 0.5 г/л Роговские чтения 10 1 2 0 -10 -20 251 92 26 3 39 4 27 5 30 6 32 7 31 8 49 41 10 33 11 8 12 35 13 40 14 43 15 13 16 11 17 47 18 42 19 44 20 16 21 36 22 15 23 37 24 42 25 7 26 17 27 10 28 20 29 19 30 34 31 38 32 22 33 46 34 18 35 21 36 6 37 15 38 39 24 23 40 12 41 3 42 1 43 5 44 45 2 28 46 29 47 -30 Номер термального источника Рис. 2. Зависимость значений параметра насыщения и количеств растворенного/осажденного минерала от минерализации родников (условные обозначения на рис. 1) Выделяются три геохимических типа родников: 1 тип – родники с высокой степенью недонасыщенности к кальциту и доломиту с их последующим растворением в результате химических реакций; 2 тип – родники, достигшие состояния равновесия или пересыщения к кальциту и доломиту, в которых оба или один из минералов растворяются в результате химических реакций; 3 тип – родники, пересыщенные кальцитом и доломитом, которые осаждаются в виде твердых вторичных новообразований. Вместе с тем, есть родники, в которых наблюдается еще одна геохимическая комбинация: родники ненасыщены к кальциту или доломиту, однако последний все же осаждается в виде твердой фазы, что пока не имеет четких объяснений и требует постановки дополнительных исследований. По мере увеличения рН родников увеличивается вероятность осаждения кальцита. При рН < 8,5 последний, в основном, растворяется, тогда как при рН > 8,5 он осаждается в количестве от 2 до 18 мг с каждого литра водного раствора. Максимальное количество кальцита образуется в роднике Питателевский (25 мг/л) при значениях минерализации более 2 г/л. Стоит отметить, что достижение термами состояния равновесия к минералу может происходить только в определенных геохимических условиях, например, при подходящей температуре, необходимой концентрации кальция, благоприятной рН и др. (рис. 3). Степень насыщенности терм к кальциту возрастает с ростом их минерализации (рис. 3, а), что связано с накоплением кальция (рис. 3, в) и карбонатов в растворе, однако рост насыщенности происходит до определенных значений солености. Так, термальные воды с минерализацией всего 0,2 г/дм3 в условиях высоких температур уже достигают равновесия и пересыщаются кальцитом с последующим его образованием в виде твердой фазы. В стандартных условиях равновесие к кальциту достигается при чуть более высокой минерализации терм – от 0,32 г/дм3. В эту группу входят термы с повышенным содержанием сульфат-иона, то есть SO4-HCO3-Na и SO4-Naтипытерм. Значение параметра насыщенности в этих типах терм ниже за счет уменьшения роли карбонатной составляющей. Поскольку растворимость карбонатов с повышением температуры уменьшается, степень насыщенности азотных терм ккальцию и доломиту с глубиной растет. Исходя из сказанного, мы полагаем, что азотные термы на некоторой небольшой глубине все являются равновесными с карбонатными минералами. Нарушение равновесия происходит только при их подъеме к поверхности, охлаждении и разбавлении пресными подземными водами. 46 Секция 1 2 2 a 1 2 5 1 0 si для 25 °C 4 0 -1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 -1 -1 -2 1 0 -1 -2 7 1.1 8 9 10 11 рН Минерализация, г/л 2 2 в г 2 2 1 0 -1 -1 -2 0 10 20 30 Ca2+, мг/л 40 50 115 60 1 0 0 -1 si для 100 °C 1 0 s i для 25 °C 1 si для 100 °C si для 25 °C si для 100 °C 1 si для 100 °C si для 25 °C 2 2 3 1 б -1 -2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Температура, ºС Рис. 3. Зависимость параметра насыщенности (L) терм к кальциту от основных контролирующих параметров состава термальных вод. Химические типы терм: 1 – HCO3-Na; 2 – HCO3-F-Na; 3 – HCO3-SO4-Na; 4 – SO4-HCO3-Na; 5 – SO4-Na Сульфатные типы терм могут достигать равновесия с кальцитом при рН 7,5 для глубинных условий и при рН 8,4 – для стандартных (рис. 3, б). Для терм HCO3-Na и HCO3-SO4-Na типов значения рН для достижения равновесия к кальциту значительно выше и составляет 9,9. Равновесие с кальцитом устанавливается даже в условиях наименьших температур источников. В поле насыщения минерала находится бóльшая часть терм HCO3-SO4-Na типа и всецело термы SO4-HCO3-Na типа. При наличии более высоких концентраций Ca2+(от 10 до 115 мг/дм3)и наименьших значениях рН, как это наблюдается в SO4-Na термах, происходит постепенное снижение насыщенности к кальциту. Это можно объяснить уравновешиванием кальция в термах сульфат-ионом и недостаточным количеством карбонатного иона в данных рН-условиях. Таким образом, равновесие и пересыщение азотных терм кальцитом и доломитом приводит к его образованию в виде вторичных (аутигенных) минералов. При этом каждому этапу взаимодействия воды с горными породами соответствует строго определенный набор таких вторичных образований, состав которых меняется со временем. Эти вторичные минералы в процессе своего формирования связывают извлекаемые ими из раствора строго определенные химические элементы, содержания которых поэтому в термах не растут. Тем самым возникает ряд геохимических барьеров, которые препятствуют установлению равновесия с первичными (эндогенными) минералами. В первую очередь это касается Ca-, Mg-алюмосиликатов типа анортита, форстерита, фаялита и др., поскольку подвижные элементы этих минералов образуют карбонаты (кальцит, доломит и др.), которые полностью перекрывают путь к равновесию растворов с магматическими минералами. Таким образом, на определенном этапе эволюции системы вода-порода наступает равновесие воды с большинством минералов вмещающих пород, которые вместо растворения получают возможность образования. Тем самым в системе устанавливается не только химическое, но и динамическое равновесие, обеспечивающее равенство поступающих в раствор и выпадающих из него элементов. Следствием этого баланса и является низкая минерализация терм, которая со временем не растет или может расти, но незначительно. Одна из важнейших особенностей системы вода-порода состоит в том, что по мере ее эволюции соотношение между химическими элементами в растворе непрерывно меняется, что ведет к непре47 Роговские чтения рывному изменению состава подземных вод и усилению его отличий от состава вмещающих пород [9]. Это происходит потому, что одна часть элементов связывается выпадающими вторичными минералами, а вторая, оставаясь в растворе, получает возможность для концентрирования и попадания в тип избыточных. Именно вода является той средой, в которой разрываются химические связи между одними ионными парами, происходит перераспределение связей между ионами и образование новых ионных пар, которые в строгом соответствии с законами термодинамики образуют иные, отличные от исходных твердые фазы. В свете сказанного очевидна и другая особенность вторичного минералообразования. Любой минерал образуется в условиях равновесия с раствором. Поэтому никакого резкого изменения (роста или падения) содержаний элементов, образующих минерал, в растворе не может происходить. Осаждается только та доля элементов, которая поступает в раствор дополнительно из неравновесных с водой минералов, а сам раствор остается малоизменяемым, если, конечно, система сохраняет равновесно-неравновесное состояние. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Токаренко, О.Г. Равновесие азотных термальных вод Байкальской рифтовой зоны с карбонатными минералами водовмещающих пород / О.Г. Токаренко // Развитие минерально-сырьевой базы Сибири: от Обручева В.А., Усова М.А., Урванцева Н.Н. до наших дней : материалы Всероссийского форума с международным участием. – Томск : Изд-во ТПУ, 2013. – С. 569–573. 2. Shvartsev, S.L. Geochemistry of Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth / S.L. Shvartsev // Geochemistry International. – 2008. – Р. 1285–1398. 3. Химический состав и генезис углекислых минеральных вод месторождения Терсинское (Кузбасс) / Ю.Г. Копылова, О.Е. Лепокурова, О.Г. Токаренко [и др.] // Доклады Академии наук. – 2011. – Т. 436. – № 6. – C. 804–808. 4. Timoshenkova, A.N. Equilibrium of Groundwater with Carbonate Minerals of the Water-Bearing Rocks under Anthropogenic Impact (by the example of Kishinev, Moldova) / A.N. Timoshenkova, E.Yu. Pasechnik, O.G. Tokarenko // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2014. – V. 21. – Р. 012–024. 5. Шварцев, С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза / С.Л. Шварцев. – М. : Недра. – 366 с. 6. Hydrogeochemical peculiarities of the composition of nitric thermal waters in the Baikal Rift Zone / A.M. Plyusnin, L.V. Zamana, S.L. Shvartsev [etc.] // Russian Geology and Geophysics. – 2013. – Т. 54. – №. 5. – C. 495–508. 7. Гаррелс, Р.М. Растворы, минералы, равновесия / Р.М. Гаррелс, Ч.Л. Крайст. – М. : Мир, 1968. – 400 с. 8. Букаты, М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач / М.Б. Букаты // Известия Томского политехнического университета. – 2002. – №. 6. – Т. 305. – С. 348–366. 9. Шварцев, С.Л. Рудогенерирующие процессы в эволюционном развитии системы вода-порода / С.Л. Шварцев // Геология рудных месторождений. – 1994. – № 36. – Т. 3. – С. 261–270. 48 Секция 1 УДК 556.32(571.16) О НЕКОТОРЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЯХ ПОДЗЕМНЫХ РОДНИКОВЫХ ВОД ОКРЕСТНОСТЕЙ ГОРОДА ТОМСКА В.П. Парначёв, А.Л. Архипов Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия E-mail: dingeo@ggf.tsu.ru Рассмотрены геохимические особенности и приведены содержания ряда химических элементов и соединений в водах наиболее популярных родников окрестностей города Томска. Отмечено превышения в них некоторых токсичных элементов и соединений относительно ПДК. Ключевые слова: подземные воды, родники, геохимия, город Томск. Выдающийся учёный-гидрогеолог, профессор Г.М. Рогов в течении всей своей научной деятельности активно занимался изучением состава и условий формирования подземных вод Южной Сибири. Особое внимание он совместно со своими учениками уделял жизненно важным для населения подземным водозаборам в окрестностях города Томска [1]. Авторами в августе 2010 г. были продолжены работы по изучению химического состава источников подземных вод Томского района. Ранее данные по химическому составу вод некоторых подземных источников были приведены в работе коллектива авторов ТПУ Н.Г. Наливайко и др.[2], производственном отчёте Е.Г. Вертмана и А.Д. Назарова [3], диссертационной работе О.Е. Лепокуровой [4], В.П. Парначёва [5] Д. Бээнкса [6] и др. Полученные новые данные (табл.) позволят сопоставить результаты анализов разных авторов и наметить тренд изменения некоторых показателей за ряд лет. Но при этом, следует обратить внимание на повсеместно повышенное содержание в водах всех источников Ti, а в воде Таловских чаш – брома и марганца. Содержание марганца в воде родника 41-ый км превышает ПДК [6] почти в 7 раз. Особенно загрязнён Святой (Воскресенский) ключ в г. Томске: содержание в воде NO3- превышает ПДК почти в 4 раза. Это можно объяснить поступлением в подземные воды в этом районе, как и на территории всего города большого количества хозяйственно-бытовых стоков. Схема расположения опробованных подземных источников Томского района. Номера на схеме отвечают номерам анализов в таблице 49 Роговские чтения Содержание химических компонентов в подземных водах Томской области Показатель Т pH FCl– NO2– Br– NO3– PO43– SO42– Si Al Fe Ti Mg Ca Na K Mn Cu Zn Pb Ni Co V Mo Cd Cr Ba Sr Zr Ag B Be Li Sc Ce La Y As Sb Единицы измерения ПДК* С мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л 0,7–1,5 350 3,0 0,2 45 3,5 500 10 0,2 0,3 0,0001 50 – 200 50 0,1 1 1 0,01 0,02 0,1 0,1 0,25 0,001 0,05 0,7 7 – 0,05 0,5 0,0002 0,03 – – – – 0,01 0,005 1 5,5 7,29 0,26 0,66 < 0,05 0,32 < 0,05 < 0,2 10,5 10,0 < 0,02 0,0026 0,0015 26,2 134 15,2 0,53 2,62 < 0,005 0,0185 < 0,005 0,0107 0,0032 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,002 0,0415 0,726 < 0,002 < 0,005 0,069 < 0,001 0,0122 < 0,001 < 0,02 < 0,005 < 0,001 < 0,01 < 0,005 2 5,3 7,64 0,25 0,42 < 0,05 < 0,1 < 0,05 < 0,2 1,24 8,95 < 0,02 0,0324 0,0012 22,4 107 14,4 0,52 0,689 < 0,005 0,0171 < 0,005 0,0075 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,002 0,0152 0,527 < 0,002 < 0,005 0,065 < 0,001 0,0143 < 0,001 < 0,02 <0,005 <0,001 <0,01 <0,005 3 8,4 8,19 0,20 0,83 < 0,05 < 0,1 < 0,05 < 0,2 6,86 7,24 < 0,02 0,0138 0,0012 10,6 88,8 6,64 0,64 0,160 < 0,005 0,0165 < 0,005 0,0074 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,002 0,0506 0,399 < 0,002 < 0,005 < 0,02 < 0,001 < 0,005 < 0,001 < 0,02 < 0,005 < 0,001 < 0,01 < 0,005 Содержание 4 5 5,1 6,5 7,46 7,46 0,26 0,26 0,62 2,59 < 0,05 < 0,05 < 0,1 < 0,1 5,62 5,76 < 0,2 < 0,2 2,99 2,96 7,21 6,91 < 0,02 < 0,02 < 0,002 < 0,002 0,0012 0,0011 13,9 11,5 96,8 89,4 5,97 6,16 < 0,5 0,67 0,0047 < 0,001 < 0,005 < 0,005 0,0167 0,0161 < 0,005 < 0,005 0,0081 0,0066 < 0,001 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,0005 < 0,002 < 0,002 0,0589 0,0868 0,449 0,383 < 0,002 < 0,002 < 0,005 < 0,005 0,026 0,026 < 0,001 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,001 < 0,001 < 0,02 < 0,02 < 0,005 < 0,005 < 0,001 < 0,001 < 0,01 < 0,01 < 0,005 < 0,005 6 6,4 6,91 0,13 70,0 < 0,05 < 0,1 160,0 < 0,2 91,8 7,90 < 0,02 < 0,002 0,0020 32,5 210 75,6 11,4 0,0058 < 0,005 0,0210 < 0,005 0,0089 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,002 0,142 0,763 < 0,002 < 0,005 0,072 < 0,001 0,0124 < 0,001 < 0,02 < 0,005 < 0,001 < 0,01 < 0,005 7 12,1 7,82 0,23 1,29 < 0,05 < 0,1 < 0,05 < 0,2 2,81 5,07 < 0,02 0,228 0,0013 10,0 84,7 7,06 1,49 0,136 < 0,005 0,0163 < 0,005 0,0060 < 0,001 < 0,005 < 0,005 < 0,0005 < 0,002 0,0699 0,352 < 0,002 < 0,005 0,034 < 0,001 0,0056 < 0,001 < 0,02 < 0,005 < 0,001 < 0,01 < 0,005 Примечание. 1 – Таловские чаши; 2 – Родник на 41 км.ж.д. Томск-тайга.; 3 – Капитоновский ключ, с. Вершинино; 4 – Ларинский ключ, Ларинский заказник; 5 – Звёздный ключ, р. Тугояковка; 6 – Святой ключ (Воскресенский), г. Томск; 7 – Ключ Академический г. Томск, Академгородок. Анализы выполнены в лаборатории Норвежской геологической службы, г. Тронхейм (NGU, Trondheim). 50 Секция 1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов,В.А. Коробкин, Г.М. Рогов [и др.]. – Томск : ТГАСУ, 2002. – 143 с. 2. Наливайко, Н.Г. Атлас бактериальных пейзажей родников города Томска / Н.Г. Наливайко, К.И. Кузеванов, Ю.Г. Копылова. – Томск : STT, 2002. – 52 с. 3. Изучение гидродинамического и гидрогеохимического режима родников г. Томска. Отчёт о выполненной работе по государственным контрактам № 2-РТ-2003/31 от 16.03.2002 и № 26 от 14.05.2004 с ОГУП «Томскинвестгеонефтегаз» / Науч. рук. директор ИНПЦ «Том-Аналитика» ТПУ Е.Г. Вертман. – Томск, 2004. – 201 с. 4. Лепокурова, О.Е. Геохимия подземных вод севера Алтае-Саянского горного обрамления, формирующих травертины : дис. … канд. геол.-минерал. наук.– Томск: ТПУ, 2005. – 151 с. 5. Парначёв, В.П. Геология и полезные ископаемые окрестностей города Томска / В.П. Парначёв, С.В. Парначёв. – Томск : ТГУ, 2010. – 144 с. 6. Геохимические особенности подземных вод Томского района / Д. Бэнкс, В.П. Парначёв, А.Л. Архипов [и др.] // Современные проблемы географии и геологии : материалы III Межд. науч.-практич. конф. – Томск : ТГУ, 2014. – С. 252–254. 7. ГН 2.1.5.1315-03.3. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. 51 Секция 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕАЛИЗАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОГРАММЫ «ЧИСТАЯ ВОДА» УДК 628.1.032:330.332 К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНВЕСТИЦИЙ В МОДЕРНИЗАЦИЮ СИСТЕМ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Л.И. Алферова, В.В. Дзюбо Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: dzv1956@mail.ru Для повышения качества питьевого водоснабжения населения в современных условиях хозяйствования предприятий ВКХ все большее значение при обосновании инвестиций в новое строительство или реконструкцию водопроводных сооружений приобретают методы, основанные на определении чистого дисконтного дохода, внутренней нормы доходности, сроков окупаемости и рентабельности предприятий ВКХ. Важное значение при этом отводится обоснованным дифференцированным тарифам на подаваемую потребителям воду в зависимости от ее качества при обязательном учете ее потребления. Рассмотрены подходы к оценке эффективности инвестиций, направленных на модернизацию существующих систем питьевого водоснабжения населения. Рассмотрены варианты тарифообразования на питьевую воду при инвестировании в модернизацию систем водоснабжения и показаны сроки окупаемости инвестиций в зависимости от рентабельности предприятий, стоимости реализуемых проектов и действующих тарифов на питьевую воду. Ключевые слова: питьевое водоснабжение, тариф на воду, модернизация систем водоснабжения, инвестиции в модернизацию, рентабельность предприятий ВКХ. В современных условиях хозяйствования предприятий ВКХ эффективность инвестиций в модернизацию систем питьевого водоснабжения с целью повышения качества питьевого водоснабжения населения во многом определяется рентабельностью предприятий и стоимостью реализуемых проектов. Важное значение при этом должно отводиться обоснованным дифференцированным тарифам на подаваемую потребителям воду в зависимости от ее качества при обязательном учете ее потребления. В сложившейся ситуации, когда качество питьевой воды, подаваемой населению, регламентировано на уровне закона и предприятиям ВКХ необходимо обеспечивать надлежащее качество [1] подаваемой потребителю питьевой воды, строительство сооружений (станций) водоподготовки на существующих системах водоснабжения требует определенных разовых капитальных вложений, которых, как правило, предприятия ВКХ не имеют. При этом, как дополнение, образуются затраты, связанные с эксплуатацией подобных сооружений. Каков же может быть механизм реализации подобных проектов для того, чтобы обеспечить потребителя качественной питьевой водой и не нести при этом убытков? Оценка эффективности инвестиционных вложений производилась по методике [2] на примере строительства блочно-модульной станции подготовки подземных [3, 4] вод для питьевого водоснабжения населения производительностью 500 м3/сут на существующей системе водоснабжения районного центра Парабельского района Томской области – с. Парабель. Станция является изделием полной заводской готовности, отпускная цена которой с завода (г. Томск) составляет 6,8 млн руб. 52 Секция 2 С учетом транспортных расходов, монтажа и пусконаладочных работ станции на месте общий объем требуемых инвестиций для реализации проекта составляет 7,4 млн руб. Предприятие, заинтересованное в реализации проекта и имеющее балансовую прибыль – Парабельское «МУП ЖКХ», с. Парабель. Балансовая прибыль предприятия – 3,2 млн руб./год1; предполагаемые обязательные платежи, осуществляемые из прибыли (за сбросы загрязненных промывных вод при эксплуатации станции) – 160 тыс. руб./год; ставка налога на прибыль – 24 %; средняя норма амортизации – 18 %; размер ставки дисконтирования ( d ) – 20 %. Поступления денежных средств (чистая прибыль плюс амортизация) в текущем году от начала реализации проекта составят, млн. руб Н a Pt P П п П к 1 t KVt , 100 100 где P – балансовая прибыль предприятия, млн руб./год; П п – плата за сбросы, млн. руб/год; П к – плата предприятия по кредитам сверх установленных ставок, млн руб./год; H t – ставка налога на прибыль, %; a – средняя норма амортизации, %; KVt – первоначальные капиталовложения в реализацию проекта, 7,4 млн руб. 24 18 Pt 3, 2 0,160 0 1 7, 4 3, 64 млн. руб. 100 100 Расчет срока окупаемости ( PP ) проекта определяется путем последовательного суммирования членов конечного ряда величин дисконтированных доходов до тех пор, пока данная сумма не превысит KVt , т. е. 7,4 млн руб. PP t t n 3,64 1 1 0, 2 Pt 1 d 3,64 1 0, 2 2 t KVt ; 3,64 1 0, 2 3 7,67 млн руб. Таким образом, окупаемость проекта по модернизации системы водоснабжения в с. Парабель для Парабельского «МУП ЖКХ» будет достигнута на 3 году от начала эксплуатации станции по реализуемому проекту, т. е. будет достигнут возврат денежных средств. Аналогично выполненные расчеты для условного предприятия с балансовой прибылью 1,8 млн руб./год показывают, что окупаемость проекта будет достигнута на 5 году от начала эксплуатации станции по реализуемому проекту 2,58 1 1 0, 2 2,58 1 0,2 2 2,58 1 0,2 3 2,58 1 0, 2 4 2,58 1 0, 2 5 7,71 млн руб. Пользуясь вышеприведенной методикой для оценки эффективности инвестиционных вложений в модернизацию существующих систем водоснабжения для повышения качества питьевого водоснабжения населения на каком-либо конкретном объекте или предприятии можно определить срок окупаемости в зависимости от финансового состояния предприятия и стоимости реализуемого проекта (рисунок), либо при известном финансовом состоянии предприятия определить приемлемую стоимость проекта (из нескольких проектов, при условии равных технических характеристик). Из приведенного графика (рисунок), видно, что срок окупаемости ( PP ) реализуемого проекта значительно увеличивается при невысокой прибыльности ( P ) предприятия и существенно зависит от стоимости ( KVt ) реализуемого проекта. 1 Для показательности расчетов указана условная прибыль предприятия. 53 Балансовая прибыль предприятия (P), млн. руб/год Роговские чтения 3,5 PP 3,0 PP Стоимость проекта - 5,0 млн. руб - 7,4 млн. руб - 10,0 млн. руб 2,5 2,0 PP 1,5 PP 1,0 PP 0,5 0 4 8 12 16 20 Срок окупаемости, год В качестве другого примера рассмотрен вариант инвестиционного проекта для предприятия, не имеющего достаточной балансовой прибыли, с возвратом вложенных денежных средств за счет установления временного «специального» (временно повышенного) тарифа на подаваемую потребителям воду. Оценка эффективности инвестиционных вложений производилась на примере строительства блочно-модульной станции подготовки подземных вод производительностью 500 м3/сут в п. Каргасок (районный центр на севере Томской обл.). Станция является изделием полной заводской готовности, отпускная цена которой с завода (г. Томск) составляет Pс = 6,8 млн руб. С учетом транспортных расходов, монтажа станции на месте и пуска ее в эксплуатацию общий объем требуемых инвестиций для реализации проекта составляет P = 7,4 млн руб. (14,8 тыс. руб./м3 суточной производительности). При заявленной производительности станции, качественной водой, соответствующей СанПиН, обеспечиваются около 3500 чел. при норме потребления воды 140–150 л/чел. в сутки. Срок окупаемости проектов в зависимости от их стоимости и балансовой прибыли предприятия (ставка налога на прибыль – 24 %; средняя норма амортизации – 18 %; ставка дисконтирования – 20 %). Расходы Pк , связанные с погашением банковского кредита (7,4 млн руб.) в течение 5 лет составят: Pк P1 P2 P3 P4 P5 , где P1 –P5 – плата за кредит по годам в течение 5 лет, т. е. Pк = (0,59 + 0,54 + 0,5 + 0,46 + 0,42) = 2,51 млн руб. за 5 лет. Эксплуатационные расходы, непосредственно связанные с содержанием и обслуживанием станции производительностью 500 м3/сут, смонтированной на существующей системе водоснабжения отдельного района поселка составят 493,59 тыс. руб/год (табл. 1). В эксплуатационные расходы включены статьи затрат на оплату потребляемой станцией электроэнергии, текущий ремонт (1 % от Pс ), затраты на оплату труда обслуживающего персонала (1 чел. в смену). Согласно данным, приведенным в табл. 1, себестоимость подготовки воды питьевого качества, удовлетворяющего требованиям СанПиН, составляет 2,7 руб./м3. Исходя из вышесказанного, затраты предприятия на реализацию данного проекта в течение 5 лет складываются из: P = 7,4 млн руб. – единовременные вложения (кредит) на приобретение, мон54 Секция 2 таж и пуск в эксплуатацию станции водоподготовки; Pк = 2,51 млн руб. – плата за банковский кредит; Pэ = (493,59 5) = 2,47 млн руб. – расходы за 5 лет, связанные с эксплуатацией станции. Таблица 1 Статьи затрат Электроэнергия Оплата труда персонала, 3 чел. Стоимость эл. энергии, руб./кВтч [4] Количество потребленной эл. энергии, тыс. кВтч/год 1,16 22,82 Зар. плата персонала станции, руб./мес. Налоговые отчисления на оплату труда, тыс. руб./мес. Годовые затраты, тыс. руб. 26,47 80003 9,26 Текущий ремонт 399,12 68,0 Итого 493,59 Исходя из условия необходимости возврата всех вложенных в проект денежных средств в течение 5 лет (срок возврата может быть заранее оговорен и принят другим) общая сумма затрат (требуемых инвестиций) предприятия за 5 лет эксплуатации станции с учетом первоначальных единовременных вложений на приобретение, монтаж и пуск станции составит: P = Pст Pк Pэ = 7,4 + 2,51 + 2,47 = 12,38 млн руб. Как и с какой эффективностью предприятию ВКХ можно инвестировать требуемые 12,38 млн руб., учитывая, что инвестировать их необходимо в проект, направленный на повышение качества питьевого водоснабжения населения? Расчет эффективности инвестиционных вложений можно выполнить по нескольким вариантам: 1 вариант. Учитывая, что станция обеспечивает водой часть населения, причем отдельного района – 3500 чел., следует определить долю всех затрат на 1 чел. в год. Несложно подсчитать, что эта сумма составит 707,43 руб./чел. в год, а доля затрат в месяц составит 58,95 руб./чел. Если принять полученную долю (58,95 руб./чел) в качестве месячной доплаты к оплате по существующему тарифу за потребляемую воду (из расчета 140–150 л/чел. в сутки), можно подсчитать, что семья из 4-х чел. будет оплачивать потребляемую воду надлежащего (в соответствии с СанПиН) качества в среднем в размере 707,68 руб./мес. или 8492 руб./год, что является достаточно сопоставимым в сравнении с действующим тарифом (27,12 руб./м3) на воду ненадлежащего качества. Следует также учесть, что такое увеличение тарифа – временное (на 5 лет), но оправданное качеством подаваемой потребителю воды и по истечении срока погашения кредита предприятие ВКХ может пересмотреть тариф в сторону его понижения, что будет показано ниже. По действующему тарифу МУП «Каргасокский тепловодоканал» получает от 3500 чел. плату за воду в среднем в размере 412,9 тыс. руб./мес., т. е. по данному варианту предприятие, начиная с первого года ввода подобной оплаты за потребляемую воду (в связи со строительством и вводом в эксплуатацию станции водоподготовки) по «повышенному» тарифу на потребляемую воду предприятие будет иметь дополнительные поступления в размере (619,22 – 412,9) = 206,32 тыс. руб./мес. Общая сумма дополнительных поступлений от 3500 чел. составит 2,48 млн руб. в год. Имея такую «доплату» от повышения тарифа предприятие погасит инвестированные на повышение качества питьевого водоснабжения 12,38 млн руб. через 5 лет. По истечении 5 лет, когда кредит банка будет погашен и необходимо будет только возмещать затраты на эксплуатацию станции водоподготовки в размере 493,59 тыс. руб/год (41,13 тыс. руб/мес.), а денежные поступления от разницы в доплате от 3500 чел. будут составлять 206,32 тыс. руб./мес., предприятие может получать чистую прибыль от реализации воды в размере (206,32 – 41,13) = = 165,19 тыс. руб./мес. или 1,98 млн руб. в год, либо, что более логично, может пересмотреть установленный временно «повышенный» тариф для 3500 чел. в сторону его понижения. 55 Роговские чтения 2 вариант. Связан с временным увеличением действующего тарифа ( Tд ) на воду на величину себестоимости ( Tс.в ) подготовки воды, причем для той части населения, которая будет получать воду (надлежащего качества) от станции водоподготовки. Для этой части населения (3500 чел.) новый тариф на воду будет установлен в размере: Tнов = Tд + Tс.в = 27,12 + 2,7 = 29,82 руб./м3. В соответствии с новым тарифом семья из 4-х чел. будет ежемесячно платить за воду 501–536,76 руб. (6012–6441 руб./год) при вышеприведенной норме потребления воды. Увеличение платы для семьи из 4-х чел. за потребляемую воду при повышение тарифа в связи со строительством станции водоподготовки по сравнению с оплатой по действующему тарифу в этом случае составит 45,38–48,6 руб./мес. (в среднем 47,0 руб./мес.) или 544,56–583,2 руб./год (увеличение платы на 10 % по сравнению с действующим тарифом). В данном конкретном случае предприятие будет получать от 3500 чел. дополнительную плату в связи с введением «повышенного» на 10 % тарифа в размере 41,13 тыс. руб./мес. или 493,56 тыс. руб./год. Получаемая доплата от повышения тарифа позволит предприятию погасить инвестированные 12,38 млн руб. в строительство станции водоподготовки лишь через 25 лет. 3 вариант. Согласно [5] стоимость подаваемой потребителям воды складывается из нескольких составляющих, каждая из которых вносит определенную долю в окончательный тариф на воду, согласно которого взимается плата за потребленную воду (табл. 2). Таблица 2 Структура стоимости услуг водоснабжения, тыс. руб. в год (Каргасокский район, Томская обл.) Статьи затрат ФОТ с отчислениями* Электроэнергия 1649,9 749,2 Расходы на Амортизация ремонт 331,0 136,4 Общехозяйственные расходы* Прочие расходы* Прибыль 356,5 940,7 415,4 * Полная стоимость 4579,1 (4163,7**) Примечание. ФОТ – фонд оплаты труда; * – статьи стоимости подаваемой воды, которые предприятию ВКХ можно корректировать; ** – себестоимость подаваемой потребителю воды. Из табл. 2 видно, что, например, основную долю (непроизводительную) в структуре себестоимости поставляемой потребителю воды занимает фонд оплаты труда сотрудников предприятия ВКХ (с отчислениями), оказывающего услуги водоснабжения. В связи со строительством станции водоподготовки предприятию ВКХ можно пересмотреть структуру стоимости поставляемой потребителям воды в той ее части, которая не является обременительной для предприятия так, чтобы новый тариф на воду для той части (3500 чел) населения, где планируется строительство станции либо остался на прежнем уровне, либо увеличение было настолько, насколько позволяет установленный или оговоренный период возврата инвестиций (расчет – по аналогии с 1 или 2 вариантами). Это позволит предприятию ВКХ не осложнять социальную напряженность среди населения и реализовать проект, направленный на повышение качества питьевого водоснабжения. Например, анализ данных табл. 2 позволяет говорить о возможности снижения тарифа за счет частичного снижения доли прибыли (в пересчете на часть населения – 3500 чел.), заложенной предприятием ВКХ, в конечном итоге, в тариф, сократить прочие и общехозяйственные расходы. Утраченная доля прибыли вернется предприятию после погашения кредита на строительство станции водоподготовки. В заключение следует заметить, что поскольку инвестиционные проекты напрямую связаны с финансовыми средствами и эффективностью их вложения, а в данном случае непосредственно касаются тарифов на оплату населением потребляемой воды, предприятиям ВКХ следует организовать хорошо отлаженную систему учета поставляемой воды потребителям. 56 Секция 2 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. – М. : Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2002. – 103 с. 2. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. – М. : Издание Минфина, Минэкономики и Госкомстроя РФ от 21.06.1999, № ВК, 477. 3. Дзюбо, В.В. Блочно-модульные станции водоподготовки для систем водоснабжения объектов и малых населенных пунктов Сибирского региона / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вестник Том. гос. архит.-строит. ун-та. – 2005. – № 1. – С. 181–188. 4. Дзюбо, В.В. Подготовка воды в системах питьевого водоснабжения малых населенных пунктов / В.В. Дзюбо // ЖКХ. Журнал руководителя и главного бухгалтера. – 2005. – № 2. – Ч. 1. – С. 61–66. 5. Тарифное регулирование предприятий водопроводно-канализационного хозяйства Томской области / А.А. Лукьянец [и др.]. – Томск : ГУ УВД Томской обл., 2004. – 206 с. 57 Роговские чтения УДК 628.1.03(571.16) О ПЕРСПЕКТИВАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ ПИТЬЕВОЙ ВОДОЙ Л.И. Алферова1, В.В. Дзюбо1, Ю.И. Баев2, А.В. Дружинин2 1 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, Департамент ЖКХ и государственного жилищного надзора Томской области, г. Томск, Россия E-mail: dzv1956@Mail.ru По распоряжению губернатора Томской области разработана и утверждена долгосрочная целевая программа «Чистая вода Томской области» на 2012–2017 гг. (Программа), целью которой является обеспечение населения Томской области питьевой водой, соответствующей установленным санитарно-гигиеническим требованиям, в количестве, достаточном для удовлетворения жизненных потребностей и сохранения здоровья граждан, а также снижение загрязнения природных водных объектов – источников питьевого водоснабжения сточными водами бытовых объектов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Ключевые слова: Томская область, водоснабжение, водоотведение, питьевая вода, программа. Проблема обеспечения населения питьевой водой, соответствующей требованиям СанПиН [1] является сегодня одной из наиболее значимых для Томской области. Оценка современного состояния этой проблемы основывается на анализе обеспеченности Томской области водными ресурсами [2, 3], пригодными для организации хозяйственно-питьевого водоснабжения и состояния существующих систем водоснабжения. Особенностью водопотребления в Томской области является приоритетное использование для питьевого водоснабжения подземных вод. Запасы подземной воды способны обеспечить потребности жителей Томской области на долгие годы [4]. Подземные воды Томской области достаточно надежно защищены от поверхностного загрязнения слабопроницаемыми глинистыми отложениями. Однако по качеству они не отвечают требованиям СанПиН [1]. Повсеместно по территории области в подземных водах наблюдается превышающее предельно допустимые концентрации содержание железа (от 2 до 77,7 раза), марганца (от 1,3 до 12,7 раза), аммония (от 1,3 до 3 раза), кремния (от 1,1 до 2,8 раза). На большей части территории области вода характеризуется повышенными значениями цветности и мутности. По бактериологическим показателям подземные воды области, как правило, удовлетворяют нормативным требованиям. В настоящее время подготовка воды с целью доведения ее качества до требований [1] перед подачей населению проводится только на нескольких крупных водозаборах области. В Томской области насчитывается 586 населенных пунктов, в том числе 7 городских и 579 сельских. Из общего числа населенных пунктов – 15 с общей численностью 553,7 тыс. чел. обеспечены качественной питьевой водой (61,6 %), в т. ч. 2 города (535,9 тыс. чел. или 96,77 %) и 13 населенных пунктов в сельской местности (17,83 тыс. чел. или 3,22 %). В 201 населенном пункте (21,8 % населения) для хозяйственно-питьевого водоснабжения используется «условно качественная» питьевая вода. Вода, не отвечающая требованиям [1], подается жителям 179 населенных пунктов (14,1 % населения Томской области). На территории Томской области эксплуатируется 1036 источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Для питьевого водоснабжения используются подземные водные горизонты (артезианские скважины). Исключение составляют 3 водозабора для обеспечения систем горячего водоснабжения г. Томска, которые используют речную воду (р. Томь). Из общего числа эксплуатируемых водозаборов 9,4 % не имеют надлежаще обустроенных зон санитарной охраны. Подземные воды забираются во всех крупных населенных пунктах и на предприятиях артезианскими скважинами, в мелких населенных пунктах – колодцами и, в меньшей степени, артезианскими скважинами и каптированными родниками. Протяженность водопроводных сетей на конец 2010 г. составляла 3485,9 км, из которых 1313,3 км (37,7 %) нуждались в замене. Из общей протяженности водопроводных сетей, нуждающихся в замене, 287,5 км (34,4 %) составляли водоводы, 890,4 км (40,0 %) – уличные водопроводные сети, 135,4 км (32,0 %) – внутриквартальные и внутридворовые сети. 58 Секция 2 Суммарный водоотбор по области составляет от 272 до 298 тыс. м3/сут в разные годы, при этом имеется тенденция к снижению водоотбора. Наибольший водоотбор зафиксирован в городах и райцентрах области: 197–200 тыс. м3/сут или 67–72 % от общего количества добытой воды и только четвертая часть используемой подземной воды приходится на сельскую местность. Основная доля водоотбора приходится на г. Томск – 180–185 тыс. м3/сут (62–66 % от общей доли водоотбора). В 2010 г. сохранилась тенденция сокращения подъёма воды насосными станциями. Так, в 2010 г. по сравнению с 2009 г. сокращение составляло 5,9 млн м3 (5,6 %). В 2010 г. насосными станциями поднято 99,6 млн м3 воды, в том числе 97,8 млн м3 (98,3 %) подземной воды. В 2010 г. всем потребителям отпущено 61,2 млн м3 воды, что на 2,3 млн м3 (3,8 %) меньше, чем в 2009 г. В структуре распределения отпуска воды потребителям 71,5 % – приходилось населению, 8,1 % – бюджетным организациям, 20,4 % – прочим организациям. Значительными остаются утечки воды при транспортировке ее к потребителям вследствие неисправностей и аварий на водопроводных сетях. В 2010 г. утечки и неучтенные расходы воды составили 33,3 млн м3 или 35,3 % от общего объема воды, поданной в сети (в 2009 г. – 36,6 %). Значительная часть водопроводных сетей эксплуатируется сверх нормативного срока, что является причиной большого числа аварий. Протяженность водопроводных сетей, не отвечающих санитарным нормам и правилам (ветхие сети, не имеющие зон санитарной охраны) составляет 1313,3 км (37,7 %). Обеспеченность населения водоснабжением в области составляет 78 %, в 11 районах области охват населения водоснабжением составляет менее 50 % (Бакчарский – 27,5 %, Зырянский – 30,3 %, Колпашевский – 47,1 %, Кривошеинский – 40,8 %, Молчановский – 42,5 %, Парабельский – 39,3 %, Шегарский – 47,1 %, Верхнекетский – 14,9 %, Каргасокский – 17,5 %, Чаинский – 19,7 %, Тегульдетский – 1,2 %). Схемы водоснабжения сельских населенных пунктов Томской области представлены как раздельными системами водоснабжения, так и объединенными (жилищной и производственной зонами). Набор сооружений для водопроводных систем представлен одной-двумя водозаборными скважинами, водонапорной башней, чаще всего расположенной рядом со скважиной, и водопроводной сетью тупикового типа, как правило, протяженностью от 1 до 8 км. Кольцевые водопроводные сети имеются в райцентрах области и крупных сельских населенных пунктах. Недостаточная санитарная надежность систем водоснабжения, высокая изношенность (в ряде случаев до 50–60 % и более) водопроводных и канализационных сетей, их высокая аварийность приводит к вторичному загрязнению питьевой воды, создающему угрозу для здоровья населения. Проблемы в сфере водоснабжения Томской области достаточно типичны для многих субъектов Российской Федерации: изношенность сетей, большие потери воды, отсутствие должного учета воды и энергоресурсов (особенно в сельской местности), наличие дефицита воды, отсутствие в населенных пунктах централизованного водоснабжения. Отведение сточных вод от населения и бюджетных организаций на территории области в 2011 г. осуществляли 73 самостоятельных канализации и 21 отдельная канализационная сеть, из них 56 единиц находились в аренде, 1 – в концессии. Протяженность канализационных сетей на конец 2011 г. составляла 1161,2 км, из которых 488,1 км (42,0 %) нуждались в замене. Из общей протяженности канализационных сетей на конец 2011 г, нуждающихся в замене, 139,2 км (44,8 %) составляли главные коллекторы, 143,8 км (31,3 %) – уличная канализационная сеть, 205,1 км (52,4 %) – внутриквартальная и внутридворовая сеть. Пропускная способность очистных сооружений (2011 г.) составляла 349,4 тыс. м3 в сутки, в т. ч. 97,9 тыс. м3 в сутки – на сооружениях механической очистки и 264,9 тыс. м3 в сутки – на сооружениях биологической очистки сточных вод. За 2011 г. через систему канализации пропущено 64 328,5 тыс. м3. Пропуск сточных вод от населения составил 48 796,5 тыс. м3 (75,9 %), от бюджетофинансируемых организаций 5679,9 тыс. м3 (8,8 %), от промышленных предприятий и от прочих организаций 9852,1 тыс. м3 (15,3 %). За 2011 г. через очистные сооружения области пропущено 83,5 млн м3 сточных вод, в том числе 83,3 тыс. м3 сточных вод прошли полную биологическую очистку. В 2011 г. на системах водоотведения населенных пунктов Томской области произошло 36 аварий, в том числе 25 аварий – на канализационных сетях со сбросом неочищенных сточных вод в водоемы, на рельеф и т. п. 59 Роговские чтения В целом по Томской области, обеспеченность централизованной канализацией составляет 69,9 %, в т. ч. в г. Томске – 84,8 %, в г. Кедровый – 69,3 %, в г. Стрежевой – 99,5 %. По административным районам области обеспеченность канализационными системами составляет от 0,1 % (Тегульдетский район) до 65,2 % (Томский район). Действующие организационно-экономические и нормативно-правовые основы функционирования жилищно-коммунального сектора не позволяют генерировать внутри него финансовые средства, необходимые для охраны и восстановления источников водоснабжения, эффективной эксплуатации водопроводных и канализационных сооружений, их обновления и расширения. В последние годы из-за сложившегося недостатка финансирования в сфере коммунальных услуг крайне осложнилась и требует безотлагательного решения проблема водоснабжения и водоотведения. Для ее решения необходим программно-целевой подход, который позволит стабилизировать и значительно улучшить обеспечение населения питьевой водой. Планомерная реализация мероприятий, направленных на обеспечение населения питьевой водой, укрепление и развитие систем водоснабжения и водоотведения позволит приостановить разрушение отрасли и в значительной степени повлияет на уровень бытовых услуг населению и на сохранение его здоровья. Обеспечение населения Томской области чистой питьевой водой нормативного качества, безопасность водопользования являются одним из главных приоритетов социальной политики Томской области, лежат в основе обеспечения здоровья и благополучия человека. При этом безопасность питьевого водоснабжения – важнейшая составляющая охраны здоровья населения. Основными задачами Программы определены: 1. Развитие государственно-частного партнёрства в секторе водоснабжения коммунального хозяйства Томской области на основе концессионных соглашений. 2. Увеличение инвестиционной привлекательности организаций коммунального комплекса, осуществляющих водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод. 3. Развитие централизованных систем водоснабжения. 4. Осуществление строительства, реконструкции, повышения технического уровня и надежности функционирования существующих централизованных систем водоснабжения, артезианских скважин, шахтных колодцев с применением прогрессивных технологий и оборудования, в том числе отечественного производства, обеспечивающих подготовку воды, соответствующей установленным требованиям в сфере рационального водопользования. 5. Снижение непроизводительных потерь воды при её транспортировке и использовании. 6. Осуществление строительства, реконструкции систем и сооружений по сбору, очистке и отведению сточных вод с применением прогрессивных методов, технологий, материалов и оборудования, обеспечивающих качество сточных вод, соответствующее установленным требованиям, при сбросе их в водные объекты. 7. Повышение энергоэффективности технологических процессов в сфере водопроводно-канализационного хозяйства. Повышение уровня антропогенного загрязнения территории источников питьевого водоснабжения, ужесточение нормативов качества питьевой воды, значительный износ сооружений и оборудования водного сектора, определяют актуальность проблемы гарантированного обеспечения жителей Томской области чистой питьевой водой и выводят ее в приоритетные задачи социальноэкономического развития области. Возрастающие экологические требования предопределяют необходимость повышения качества очистки сточных вод. Масштабность проблемы определяет необходимость использования программно-целевого подхода к решению комплекса организационно-технических, правовых, экономических, социальных, научных и других задач и мероприятий, обеспечивающих условия реализации Программы, поскольку они: – входят в число приоритетов социальной политики Томской области; – не могут быть решены в пределах одного финансового года и требуют значительных бюджетных расходов; – требуют проведения институциональных преобразований, направленных на обеспечение рыночных отношений в водном секторе; 60 Секция 2 – требуют проведения единой технической политики, направленной на внедрение в водном секторе наиболее прогрессивных, эффективных и доступных технологий, современного оборудования; – носят комплексный, масштабный характер, а их решение окажет существенное положительное влияние на социальное благополучие жителей Томской области, экологическую безопасность, увеличение продолжительности жизни, дальнейшее экономическое развитие Томской области. Эффективное использование и охрана водных ресурсов – это проблема, которую невозможно успешно решить только на уровне отдельных ведомств или в рамках одного муниципального образования. Применение программно-целевого метода при разработке Программы должно обеспечить эффективное решение системных проблем в водном секторе Томской области за счет реализации комплекса мероприятий, увязанных по задачам, ресурсам и срокам. Анализ выполнения мероприятий областной целевой программы «Питьевая вода Томской области на 2006–2010 годы» за период с 2006 по 2008 г. (период финансирования программы) говорит об их положительном результате. За этот период в результате реализации мероприятий областной целевой программы было построено: 2 насосных станции водоснабжения; 22 очистных станции водоснабжения, включая реконструкцию и новое строительство; обеспечено питьевой водой нормативного качества 71,1 тыс. чел.; была разработана проектно-сметная документация для строительства 16 очистных станций водоснабжения. Объем финансирования из федерального бюджета за период 2005–2008 гг. в рамках программы составил 45 541 тыс. руб. Основой Программы на 2012–2017 гг. является комплекс технических и организационных мероприятий, необходимый для выполнения общегосударственной задачи – повышение уровня обеспечения населения питьевой водой, соответствующей установленным санитарно-гигиеническим требованиям экологической безопасности и улучшение качества окружающей природной среды в Томской области. Программные мероприятия согласованы по объектам, объемам, видам работ с указанием муниципальных образований Томской области, мощности, срокам выполнения, источникам финансирования и обеспечивают достижение намеченных показателей Программы. Программа предусматривает реализацию строительных, технических и технологических мероприятий, направленных на повышение качества водоснабжения населённых пунктов Томской области с численностью населения не более 100 тыс. чел., что соответствует условиям федеральной целевой программы «Чистая вода» на 2011–2017 годы». Основная доля (80,4 %) мероприятий Программы реализуется в населенных пунктах с численностью населения до 100 тыс. чел. В ходе реализации Программы предполагается максимально возможное использование механизмов государственно-частного партнерства и усиления инвестиционной привлекательности сектора водопроводно-канализационного хозяйства. Выполнение программных мероприятий разделено по годам реализации с учетом следующих показателей: – состояние источников водоснабжения; – наибольший охват населения услугами водохозяйственного комплекса; – эксплуатационно-техническое состояние объектов; – наличие проектной документации; – наличие государственной экологической экспертизы проекта; – возможностей муниципальных бюджетов; – проработанность вопросов о готовности частных инвесторов осуществлять инвестиции в сферу водопроводно-канализационного комплекса. В рамках Программы планируется реализовать следующие мероприятия: 1. Совершенствование системы управления сектором водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод. Для повышения инвестиционной привлекательности муниципальных предприятий сферы водопроводно-канализационного хозяйства предполагается поэтапный переход на долгосрочные тарифы на услуги водоснабжения и водоотведения во всех муниципальных образованиях Томской области. Реализация комплекса организационных мероприятий позволит: – довести долю капитальных вложений в системы водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод в общем объеме выручки организаций сектора водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод к 2017 г. до 31 %; 61 Роговские чтения – увеличить долю заемных средств в общем объеме капитальных вложений в системы водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод к 2017 г. до 30 %; – увеличить долю воды, поставляемой организациями коммунального комплекса, работающими на основании концессионных соглашений к 2017 г. до 75 %; – довести долю воды, поставляемой организациями коммунального комплекса по тарифам, установленным на долгосрочный период регулирования, к 2017 г. до 75 %. 2. Строительство и реконструкция водопроводных сетей. Необходимость реализации данного направления Программы во многом обусловливается продолжающимся увеличением фактического (среднего амортизационного) износа сетей водопровода во многих населённых пунктах Томской области. В целом за период действия программы предполагается восстановить нормативное состояние 271 км водопроводных сетей. Данным направлением также предусмотрено восстановление централизованного водоснабжение населённых пунктов, водопроводы которых в настоящее время не функционируют, а обеспечение населения водой осуществляется из децентрализованных источников, качество воды которых далеко от требуемых стандартов. Предполагается, что выполнение мероприятий по реконструкции и строительству сетей водопровода в совокупности с плановыми внепрограммными мероприятиями позволит не только приостановить рост показателя амортизационного износа сетей водопровода, но и осуществить его значительное снижение. В ходе реализации мероприятий предполагается применять передовые методы строительства сетей с использованием технологий бестраншейной прокладки трубопроводов, а также использования труб, изготовленных из полимерных материалов и высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, срок эксплуатации которых составляет не менее 40 лет. В целом за период действия и реализации программы предполагается выполнить строительство и реконструкцию 6 насосных станций второго подъема общей производительностью 327 тыс. м3/сут., строительство и реконструкцию 60 станций водоподготовки общей производительностью 215 тыс. м3/сут., строительство и реконструкцию 8 водонапорных башен. 3. Строительство и реконструкция канализационных сетей. Проведение работ по строительству и реконструкции сетей канализации в районах области позволит снизить их ветхость до 27,8 %. В целом за период действия и реализации программы предполагается восстановить нормативное состояние 123 км канализационных сетей. 4. Строительство водозаборов и реконструкция (перебуривание) скважин. Необходимость реализации данного направления Программы обусловливается следующими причинами: – необходимостью ликвидации поверхностных водозаборов и подземных водозаборов, вода которых не соответствует санитарным нормам по химическим или микробиологическим показателям; – дефицитом воды для развития отдельных территорий, подаваемой в системы коммунального водоснабжения; – истощением подземных водоносных горизонтов, процессами, ухудшающими их водоотдачу, ставшими причинами значительного срока эксплуатации водозаборов и естественным эксплуатационным износом трубчатых конструкций. Восстановление или увеличение проектной мощности водозаборов будет выполняться за счёт проведения следующего комплекса работ: – реконструкции артезианских скважин действующих подземных водозаборов; – строительство новых водозаборов, в том числе в целях ликвидации действующих поверхностных водозаборов; – строительство новых водозаборов на территориях, где уже разведаны запасы подземных вод, качество которых соответствует нормативам СанПиН [1]. В целом за период действия и реализации программы предполагается осуществить строительство и реконструкцию водозаборов общей мощностью 35 тыс. м3/сут., перебуривание 33 артезианских скважин. С целью предотвращения загрязнения и истощения запасов подземных вод Програм62 Секция 2 мой предусматривается ликвидационный тампонаж скважин, представляющих прямую угрозу наиболее продуктивным водоносным горизонтам. 5. Строительство водоочистных станций для подготовки питьевой воды. Необходимость реализации данного направления Программы обуславливается необходимостью доведения забираемой природной воды до питьевого стандарта и подаваемой в системы коммунального хозяйственно-питьевого водоснабжения, в том числе за счёт нового строительства станций водоподготовки. Программные мероприятия направлены на строительство станций очистки воды. При проектировании станций приоритеты будут отдаваться применению передовых технологий водоподготовки, в том числе разработанных российскими производителями. Учитывая фактический химический состав подземных источников водоснабжения, содержание железа, марганца, сероводорода, нитратов и т. д., концентрация которых по ряду водозаборов превышает предельно допустимые значения в несколько раз, в ходе выработки проектных решений будут применяться разнообразные передовые технологии очистки воды, включая фильтрующие материалы, позволяющие более эффективно осуществлять получение качественной питьевой воды, соответствующей требованиям СанПиН [1]. За период действия и реализации Программы предполагается осуществить реконструкцию и новое строительство 60 станций обезжелезивания с доведением общей производительности до 327 тыс. м3/сут. 6. Строительство новых и модернизация существующих канализационных очистных сооружений и станций доочистки В результате реализации программных мероприятий по строительству и реконструкции очистных сооружений и систем водоотведения в районах Томской области значительно сократится сброс в водные объекты неочищенных стоков и объем сброса загрязняющих веществ, тем самым улучшится санитарное состояние поверхностных водных объектов в Томской области, уменьшится загрязнение подземных водоносных горизонтов. В целом за период действия и реализации Программы предполагается осуществить реконструкцию и новое строительство 19 канализационных очистных сооружений с общей производительностью до 233 тыс. м3/сут. 7. Внедрение энергоэффективного оборудования. В соответствии с требованиями статьи 13 Федерального закона от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» в ходе реализации Программы собственники зданий, строений, сооружений и иных объектов должны завершить оснащение указанных объектов приборами учета используемых воды, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии и ввод установленных приборов учета в эксплуатацию. На конец 2011 г. предприятиями водохозяйственного комплекса Томской области осуществлены следующие мероприятия: – на многоквартирных домах установлено 1325 приборов учета холодной воды и 1603 приборов учета горячей воды; – в бюджетных учреждениях установлено 1380 приборов учета холодной воды и 605 приборов учета горячей воды. В целом по Томской области на конец 2011 г. обеспеченность приборами холодного водоснабжения составляет 50 % и горячего водоснабжения – 35,4 %. В результате реализации Программы будет решена задача автоматизации и оптимизации функционирования систем водоснабжения, диспетчеризации управления. До 78 % мероприятий Программы предусматривают реконструкцию или создание новых мощностей добычи, подготовки и подачи качественной питьевой воды населению, а также перекачку и очистку сточных вод. При реализации данных мероприятий будет использовано современное, энергоэффективное и энергосберегающее оборудование. Кроме этого в Программе запланированы отдельные мероприятия по внедрению энергоэффективного оборудования на действующих муниципальных объектах водопроводно-канализационного хозяйства Томской области, прежде всего это оснащение насосных станций всех типов системами частотного регулирования и плавного пуска, а так же внедрение автоматизированных систем управления подачи и распределения воды. 63 Роговские чтения Реализация мероприятий позволит: – снизить потребление электроэнергии до 60% за счет формирования оптимальных режимов работы электроприводов; – обеспечивать эффективное автоматическое поддержание заданного параметра (давление в магистрали) за счет изменения частоты вращения насосов, а также изменения количества подключенных к магистрали насосов; – обеспечить плавный пуск электродвигателей большой мощности без механических толчков и перегрузки электрических сетей; – обеспечить защиту двигателей от перегрузок, повышенного и пониженного напряжения, перегрева и других аварийных ситуаций; – обеспечить автоматическое отключение электродвигателей при исчезновении питающего напряжения и осуществление «Автозапуска» при восстановлении энергопитания; – значительно повысить срок службы и надежности насосного и технологического оборудования. Реализация мероприятий по повышению энергоэффективности в системах водопроводноканализационного хозяйства совместно с мероприятиями по установке приборов учета, мероприятий по внедрению оборотных систем водоснабжения на промышленных предприятиях и крупных станциях водоподготовки, а также изменения в тарифной политике (включение в тариф инвестиционной составляющей) приведет к снижению общего водопотребления и соответственно к более рациональному расходованию воды потребителями. В связи с этим основная часть мероприятий Программы, реализация которых планируется к выполнению, начиная с 2012 г., будет проводиться с учетом показателей снижения водопотребления отдельными группами потребителей. Сроки реализации Программы: 2012–2017 гг. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. – М. : Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2002. – 103 с. 2. Алферова, Л.И. Оценка потенциала и характеристика водных ресурсов территорий Сибирского региона на фоне их водохозяйственной деятельности: Томская, Новосибирская, Кемеровская и Омская области / Л.И. Алферова, В.В. Дзюбо, М.Э. Бутовский // Вода: Технология и Экология. – 2007. – № 4. – С. 3–20. 3. Алферова, Л.И. Томская область: водные ресурсы, водохозяйственная деятельность и проблемы питьевого водоснабжения населения / Л.И. Алферова, В.В. Дзюбо // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – 2005. – Т. 7. – № 4. – С. 333–345. 4. Алферова, Л.И. Подземные воды Западно-Сибирского региона и проблемы их использования для питьевого водоснабжения / Л.И. Алферова, В.В. Дзюбо // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – 2006. – № 1. – С. 78–92. 64 Секция 2 УДК 628.1:681.121 ЭКОНОМИКА ПОКВАРТИРНОГО ПРИБОРНОГО УЧЕТА ВОДЫ Л.И. Алферова, В.В. Дзюбо Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: dzv1956@mail.ru Сделан и приведен сравнительный анализ оплаты потребителем за воду по установленной формальной «норме» и по фактическим показаниям приборов учета воды. Цель данного материала – обратить внимание потребителей на экономическую выгоду и необходимость установки приборов учета воды, а также на предполагаемую реакцию поставщиков воды в случае ее повсеместного приборного учета. Ключевые слова: норма водопотребления, фактическое водопотребление, приборы учета воды, экономия оплаты. В настоящее время плата за количество (о качестве здесь речь не идет) потребляемой воды по установленной «норме водопотребления» является все еще самой распространенной формой взаиморасчетов между потребителем и организациями-поставщиками воды (водоканалы, ПО ЖКХ и др.), хотя Российский рынок уже достаточно насыщен приборным оборудованием для индивидуального и коллективного учета потребляемой воды. Большое разнообразие бытовых водосчетчиков отечественного и зарубежного производства, представленных на Российском потребительском рынке, позволяет без особого труда подобрать необходимое оборудование по приемлемой цене и качеству. Отказ от сложившейся системы оплаты за потребляемую «норму» питьевой воды и повсеместный переход на приборный учет идет медленно и этому есть две основных причины. Первая заключается в том, что поставщики питьевой воды в этом экономически не заинтересованы. Установленная и завышенная «норма» потребляемой воды, которая подлежит обязательной оплате по установленному опять же тарифу, вполне устраивает поставщика. Вторая – сила привычки потребителя и непонимание экономической выгоды перехода на приборный учет воды. Ниже приведены результаты расчетов полученной фактической экономии денежных средств при оплате за пользование холодной, горячей водой и канализацией после установки водосчетчиков (г. Северск, Томская обл., тариф 2009 г.), при этом расчеты выполнены для 4 чел., фактически проживающих и для 5 чел., зарегистрированных на жилплощади: Вариант 1: В квартире установлены водосчетчики – 2 шт. на кухне, 2 шт. – в ванной комнате. Фактически проживает 4 чел., до установки водосчетчиков оплата осуществлялась по установленной норме за воду и канализацию за 4 чел., проживающих и зарегистрированных на жилплощади. Экономия, получаемая за счет фактического учета воды – 469,35 руб./мес., в т. ч. хол. вода: 422,0 руб./мес. – 176,2 руб./мес. = 245,8 руб./мес.; гор. вода : 440,0 руб./мес. – 216,45 руб./мес. = = 223,55 руб./мес. Экономия на водоотведении – 145,16 руб./мес. (260,62 руб./мес. – 115,46 руб./мес.). Итого: 469,35 руб./мес. + 145,16 руб./мес. = 614,51 руб./мес. Суммарная стоимость счетчиков воды, включая установку – 650 руб. 4 шт. = 2600 руб. Срок окупаемости установленных счетчиков воды за счет полученной экономии: 2600/614,51 = 4,23 мес. Чистая экономия (после срока окупаемости установленных счетчиков) – 614,51 руб./мес. = 7374,12 руб./год (614,51 12). Вариант 2: В квартире установлены водосчетчики – 2 шт. на кухне, 2 шт. – в ванной комнате. Фактически проживает 4 чел., но до установки водосчетчиков оплата осуществлялась по установленной норме за воду и канализацию за 5 чел., зарегистрированных на жилплощади. Экономия, получаемая за счет фактического учета воды – 689,55 руб./мес., в т. ч. хол. воды: 532 руб./мес. – 176,2 руб./мес. = 356 руб./мес.; гор. воды: 550 руб./мес. – 216,45 руб./мес. = 333,55 руб./мес. Экономия на водоотведении – 210,35 руб./мес. (325,81 руб./мес. – 115,46 руб./мес.). Итого: 689,55 руб./мес. + 210,35 руб./мес. = 899,90 руб./мес. Срок окупаемости счетчиков воды по данному варианту за счет полученной экономии: 2600/899,90 = 2,9 мес. Чистая экономия (после срока окупаемости установленных счетчиков) – 899,90 руб./мес. = 10 798,80 руб./год (899,90 12). Можно утверждать, что при всех прочих равных условиях, а также несмотря на затраты, связанные с установкой и регистрацией проборов учета воды, приборный учет фактически расходуемой 65 Роговские чтения воды по установленным организациями-поставщиками тарифам позволяет потребителю получить существенную денежную экономию собственного бюджета. Приведенный выше пример говорит о том, что за фактически «не потребленную» и, соответственно, за «не отведенную» воду семья экономит до 10 тыс. руб. в год. При этом следует учесть, что экономия денежных средств может быть бóльшей, если по условиям планировки квартиры необходимо устанавливать 2 водосчетчика, а не 4, как чаще всего предполагают типовые планировки квартир. Приведенные нами цифры говорят о следующем: «норма» превышает «факт» по холодной воде в 2,4 раза, по горячей воде – в 2 раза, по водоотведению (канализация) «норма» превышает «факт» – в 2,26 раза. Подтверждение тому же показано в работе [1], где сказано, что установка в жилых зданиях квартирных водомеров при прочих равных условиях способствует снижению водопотребления в 1,8–2,2 раза, т. е. «факт» и «норма» различаются в среднем в 2 раза. Иными словами, потребитель переплачивает поставщику за воду в 2 раза больше, чем потребляет. Те же цифры (выше) говорят о том, что квартирные водосчетчики, учитывающие фактическое водопотребление, позволяют экономить (не платить поставщику) каждому потребителю (человеку) до 2500 руб. в год. Завышенной и разной «норме» всегда находились и находятся официальные объяснения и обоснования [2, 3]. Когда-то (в советские времена) это было гордостью и высокая «норма» преподносилась под видом благосостояния советского народа. При этом, конечно, понималось, что человек физически не может израсходовать для своих нужд столько воды (если просто не вылить), но заплатить обязан. Таким образом, это был зарезервированный и гарантированный возврат (изъем) денег из дохода населения. По всей видимости, это и было главным, но официально не афишируемым обоснованием для установления завышенной «нормы». Теперь нетрудно посчитать, какой «доход» (условно доход, т.к. ни один поставщик это доходом не показывает) получает поставщик воды (потребитель просто переплачивает) за ту воду, которую никто не расходует. Для города с населением 150 тыс. жителей – 375 млн руб. в год, для миллионного города – 2,5 млрд руб. в год. Потеря этих «простых» денег для поставщиков воды в случае повсеместного ее приборного учета и оплаты по «факту», по всей видимости, будет болезненной и поставщики (водоканалы, ПО ЖКХ и др.) будут всячески за эти деньги бороться, искать варианты как их не потерять, что впрочем, они уже делают, поскольку приборный учет, хотя и медленно, но внедряется, потеря денег из-за обоснованной оплаты потребителями «факта», а не «нормы» становится налицо и начинает ощущаться. Самый вероятный вариант реакции со стороны поставщиков воды – пересмотр тарифа, поиск новых обоснований его повышения (тарифы практически никогда не снижались и не снижаются), что в нынешнее время сделать не очень сложно. Тарифы на предоставляемые услуги во всех отраслях – вещь таинственная и загадочная, не являются исключением и тарифы на воду, и ее отведение. Но это тема отдельного разговора. На наш взгляд постепенный переход на приборный учет потребляемой воды населением будет сопровождаться постепенным повышением тарифов на нее (наше объяснение выше) и этому поставщики всегда будут находить соответствующее обоснование. Другой реакции с их стороны вряд ли стоит ожидать. В качестве подтверждения сказанному можно привести пример о повышении тарифов (г. Северск, Томская обл.) за последние три года (2008–2010 гг.): холодная вода (за м3): 14,87 руб. – 17,62 руб. – 18,08 руб.; горячая вода (за м3): 33,82 руб. – 43,07 руб. – 56,77 руб.; водоотведение (за м3): 5,95 руб. – 7,04 руб. – 7,35 руб. Полагаем, что в повышении данных тарифов есть определенная доля и приборного учета, учитывающего фактическое расходование воды потребителем. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Филатов, А.И. Плюсы и минусы поквартирного учета водопотребления / А.И. Филатов // Водоснабжение и санитарная техника. – 2010. – № 8. – С. 18–20. 2. Рекомендации по установлению эксплуатационных норм водопотребления в жилищном фонде. – М. : АКХ им. К. Д. Памфилова, 1983. 3. Постановление Правительства РФ от 23 мая 2006 г. № 306 «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг». 66 Секция 2 УДК 628.15 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЁТА СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ НАСОСОВ И ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ В.К. Махлаёв, Ю.С. Данилкина, В.А. Макаренко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: kaf_wiw@tsuab.ru, yuliya9318@gmail.com, basiliomak93@mail.ru В статье изложены общие принципы и методы расчёта совместной работы насосов и сети трубопроводов, предложен подход к графоаналитическому методу расчёта совместной работы насосов и водопроводной сети. Ключевые слова: подача насоса, напор насоса, рабочая характеристика насоса, приведенный напор насоса, геометрическая высота подъёма жидкости, сопротивление трубопровода, потери напора в трубопроводе, напорная характеристика трубопровода, режимная точка. Основной энергетической характеристикой насоса является зависимость напора H, развиваемого насосом, от подачи Q при постоянной частоте вращения вала рабочего колеса, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос, т. е. = ( ). Эта характеристика может быть представлена в виде аналитической зависимости либо в виде графического построения − . Как известно [1], требуемый напор насоса тр вычисляется по формуле тр = г + Σℎвс + Σℎн, (1) где г – геометрическая высота подъёма жидкости; Σℎвс – суммарные потери напора во всасывающей линии насоса; Σℎн – суммарные потери напора в напорной линии. Применительно к расчёту водопроводной сети зависимость (1) можно переписать в виде: тр = г + ℎн.с + ℎвод + ℎсети , (2) где ℎн.с – потери напора во внутренних коммуникациях насосной станции; ℎвод – потери напора в напорном водоводе; ℎсети – потери напора в магистральной сети. В общем случае требуемый напор насоса может быть представлен следующим образом: тр = г + тр тр , (3) – сопротивление трубопровода; Qтр – расход в трубопроводе. Таким образом, подача насоса зависит от развиваемого напора, а следовательно, в значительной степени от потерь напора в трубопроводах. Поэтому система «насос – трубопроводы» должна рассматриваться как единая система. Совместная работа насосов и водопроводной сети связана следующими зависимостями: где тр = ( ); б = ( н.с , сист ); ℎ = ( сист ), (4) где – напор, развиваемый насосом; – подача насоса; б – уровень воды в баке водонапорной башни; н.с – подача насосной станции; сист – расход воды в водопроводной системе; ℎ – потери напора в системе трубопроводов. Аналитический расчёт совместной работы насосов и сети в сложных водопроводных системах довольно затруднителен, так как приходится оперировать переменными величинами, находящимися между собой в функциональной зависимости, поэтому в практике широко применяется графоаналитический метод расчёта, преимуществом которого является наглядность и простота анализа. При построении графических характеристик для определения потерь напора удобно пользоваться формулами ℎн.с = ℎвод = н.с н.с ; вод вод ; (5) (6) 67 Роговские чтения ℎсети = сети сети , (7) где н.с – сопротивление трубопроводов насосной станции; вод – сопротивление водовода; сети – сопротивление трубопроводов магистральной сети; вод – расход в водоводе; сети – расход в магистральной сети. Графоаналитический метод расчёта совместной работы насосов и водоводов с использованием приведенной характеристики насоса изложен в работе [2]. Приведенная характеристика насоса Q – Hприв показывает, какую часть напора, полученного от насоса, жидкость сохраняет в начале напорного водовода. Приведенный напор прив вычисляется по формуле прив = − ℎн.с. (8) Достоинством такого подхода является удобство расчётов при разном количестве рабочих насосов и напорных водоводов. Недостатком, на наш взгляд, является то обстоятельство, что режимная точка определяет не расчётный напор насоса Hр, а напор Hвод р, требуемый для пропуска расчётного расхода по водоводу, что может вызвать неправильное восприятие информации о требуемых параметрах насоса. Мы предлагаем подойти к применению графоаналитического метода расчёта несколько поиному, с использованием не приведенной характеристики Q – Hприв, а рабочей характеристики насоса Q – H. Расчёт проводится следующим образом. Задавшись рядом значений подач насоса Q1, Q2, … Qi, по формуле (5) вычисляем соответствующие значения потерь напора во внутренних коммуникациях насосной станции ℎн.с , ℎн.с , … ℎн.с и строим напорную характеристику трубопроводов насосной станции − ℎн.с (рис. 1, а). а б Рис. 1. Напорные характеристики: а – Q – H – характеристика наоса; Q – hн.с. – характеристика внутренних коммуникаций насосной станции; б – Q – H – характеристика насоса; Q – Hвод – характеристика водовода; Q – Hтр – характеристика системы трубопроводов Затем строим напорную характеристику наружного водовода. Характеристика водовода − вод описывается уравнением (9) вод = г + вод вод , где – напор насоса, требуемый для пропуска расхода вод в пределах наружного напорного водовода. Задавшись рядом значений расходов вод , вод , … вод , по формуле (9) вычисляем соответствующие значения вод , вод , … вод и по этим данным строим напорную характеристику да − вод (рис. 1, б). Суммируя ординаты этих характеристик, получаем напорную характеристику системы трубопроводов − тр . Нанеся на один график характеристики − и − тр , находим 68 вод Секция 2 точку их пересечения, т. е. режимную точку А (рис. 1, б), которая определяет расчётную подачу и расчётный напор насоса . Если на насосной станции установлено n рабочих насосов, а в сети имеется m напорных водоводов, используя формулу (5), строим напорную характеристику внутренних коммуникаций насосной станции при n работающих насосах( − ℎн.с ) (рис. 2, а). Используя формулу (9), строим, как описано выше, напорную характеристику одного водовода Q – Hвод. Увеличив абсциссы характеристики Q – Hвод в m раз, строим напорную характеристику m работающих водоводов (Q − Hвод)m (рис. 2, б). Суммируя ординаты этих характеристик, получаем напорную характеристику системы трубопроводов Q – Hтр (рис. 2, б). Увеличив абсциссы рабочей характеристики одного насоса Q – H1 в n раз, получаем суммарную характеристику −H1+2+...+n для n параллельно работающих насосов. Найдя точку пересечения кривых −H1+2+...+n и Q – Hтр, получаем режимную точку А. Она определяет расчётные значения подачи насосной станции и напора насоса (рис. 2, б). а б Рис. 2. Напорные характеристики: а – (Q – hн.с.)n – характеристика внутренних коммуникаций насосной станции; б – (Q – Hвод)m – характеристика водоводов; Q – Hтр – характеристика системы трубопроводов; Q – H1+2+…+n – суммарная характеристика насосов При анализе совместной работы насосов и водопроводной системы, включающей в себя водоводы и магистральную сеть, расчёт проводим следующим образом. Строим характеристику трубопроводов насосной станции ( − ℎн.с. ) для n параллельно работающих насосов и напорную характеристику m работающих водоводов ( − вод ) . Затем строим напорную характеристику магистральной сети − сети , описываемую уравнением сети = г + сети сети , (10) – напор насоса, требуемый для пропуска расхода Qсети в пределах магистральной сети. Суммируя ординаты трёх этих характеристик, получаем напорную характеристику системы трубопроводов − тр . Найдя точку пересечения характеристики Q – Hтр и суммарной рабочей характеристики − 1+2+…+n для n параллельно работающих насосов, т. е. режимную точку А, получаем расчётные значения подачи насосной станции и напора насоса (рис. 3). где сети 69 Роговские чтения Рис. 3. Напорные характеристики: (Q – Hвод)m – характеристика водоводов; (Q – hн.с)n – характеристика внутренних коммуникаций насосной станции; Q – Hтр – характеристика системы трубопроводов; Q – H1+2+…+n – суммарная характеристика насосов Преимуществом такого подхода к расчёту, по нашему мнению, является то обстоятельство, что мы определяем именно расчётный напор насоса . Кроме того, такой подход даёт возможность провести анализ совместной работы насосов и сложной водопроводной сети. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Карелин, В.Я. Насосы и насосные станции / В.Я. Карелин, А.В. Минаев. – М. : Бастет, 2010. – 445 с. 2. Тернов, А.Ф. Совместная работа насосов и водоводов. Ч. 1 / А.Ф. Тернов. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2000. – 55 с. 70 Секция 2 УДК 502.55:556.18 УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ТЕРРИТОРИИ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Г.К. Парфенова1, Е.Ю. Осипова2 1 Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия, 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, Россия Е-mail: kyky60@bk.ru Современное развитие промышленного производства все в большей степени увеличивает масштабы антропогенного воздействия на водные ресурсы от локального до регионального уровня. Интенсивность и направленность антропогенного воздействия на водные ресурсы во многом обусловлены функциональноотраслевой структурой водопользования. Особенности сложившейся структуры водопользования обозначили геоэкологические проблемы, сопровождаемые разнообразными экологическими, социальными, экономическими последствиями, требующими всестороннего изучения. Базовой основой определения геоэкологических проблем послужил сравнительный анализ системы водопользования отраслей экономики и показателей удельного водопотребления на нужды промышленного производства и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Проанализированы возможности включения оценочных показателей структуры водопользования в определение стратегии устойчивого развития территории. Обобщения проведены на примере Кемеровской области, где действуют крупные комплексы теплоэнергетического, химического, металлургического, машиностроительного, угольного и аграрного производств. Ключевые слова: устойчивое развитие, геоэкологические проблемы, антропогенное воздействие, водные ресурсы, водопользование, качество вод. В работах по определению концепции устойчивого развития территорий [1, 9] подчеркивается, что водные ресурсы имеют особую социально-экономическую значимость. Обзор материалов по экологическим, экономическим, социальным и политическим аспектам потребления воды, приведенный в [2], свидетельствует об увеличении дефицита пресной воды во многих регионах мира. Водообеспеченность в мире в расчете на одного человека в 2002 г. уменьшилась в сравнении с 1970 г. почти вдвое, и к 2050 г. Следует ожидать ее дальнейшего снижения в 1,5 раза. Постоянно обостряются проблемы, связанные с использованием водных ресурсов в пределах промышленно развитых территорий. Эти проблемы обусловлены противоречиями между интенсификацией производства, стремлением к увеличению прибыли, с одной стороны, пределами устойчивости геосистем – с другой. Трудности, возникающие при определении критериев устойчивого развития территорий связаны с большим количеством параметров, целевые функции которых, различны. Любой регион имеет собственную историю развития, включающую процессы взаимодействия и трансформации основных компонентов социума, экономики и природы. Исходя из истории развития территорий, устойчивое развитие представляется как эволюция баланса компонентов социума, экономики и природы, имеющего региональный характер геоэкологических проблем. Согласно [9], водоотведение и водопотребление – составные части общей системы водопользования. Сложившаяся система водопотребления и водоотведения территорий определяет условия многолетней функционально-техногенной направленности трансформации природных вод. Одним из основных параметров методологии определения устойчивого развития территории, может рассматриваться состояние структурных и функциональных особенностей водопользования регионов. Методологические принципы определения устойчивого развития территорий с учетом структуры водопользования рассматриваются нами на примере Кемеровской области. Сравнительный анализ системы водопользования включает последовательное рассмотрение использования воды по видам хозяйственной деятельности, а также общие объемы водопотребления и водоотведения по населенным пунктам по средним данным за периоды 1996–2000 гг. и 2002–2006 гг. Социально-экономическое развитие Кемеровской области, предопределило структуру водопользования региона. Предприятия химической отрасли, металлургической, а также угледобывающие, формируют промышленный профиль региона. 71 Роговские чтения Данные по оценке состояния экономики за рассматриваемые периоды, свидетельствуют о различных темпах развития отраслевого производства [3, 5, 6]. Рост объемов производства к 2006 г. по отношению к середине 1990-х гг. наблюдается в электроэнергетике – 9 %, угледобыче – 6 %. Снижение происходит в химической отрасли – 22 %, черной металлургии – 9,6 %, цветной – 0,4 %, машиностроении и металлообработке – 34 %. Объем водопотребления за рассматриваемые периоды в целом по области снизился с 2449 до 2288 млн м3/год. Произошло снижение водозабора и поверхностных, и подземных вод. В результате соотношение объемов поверхностных и подземных вод в общем объеме водопотребления по периодам не изменилось – 93 и 7 % соответственно. Сравнение данных об использовании воды на различные цели показало уменьшение объема водопотребления на производственные нужды – с 1863 до 1731, на хозяйственно-питьевые – с 356 до 315 млн м3/год. Потери в общем объеме водопотребления составляют 5–10 %. Водопотребление по отраслям промышленного производства за рассматриваемые периоды изменилось (табл. 1). Таблица 1 3 Динамика водопотребления по отраслям экономики Кемеровской области, млн м /год (среднее за период) Вид экономической деятельности Электроэнергетика Черная и цветная металлургия Химическая промышленность Машиностроение и металлообработка Сельскохозяйственное водоснабжение и орошение Период 1996–2000 гг. 1388,28 12 85 13 108 2002–2006 гг. 1509 10,92 64,6 7,67 7,8 По всем отраслям промышленного производства, кроме электроэнергетики, произошло снижение водопотребления, причем более всего в секторе орошения и сельскохозяйственное водоснабжение – с 108 до 7,8 млн м3/год. Наиболее водоемкой отраслью промышленного производства остается электроэнергетика. Забор воды для этой отрасли производства осуществляют из поверхностных водных объектов. Наибольший объем воды потребляет Томь-Усинская ГРЭС (г. Мыски) порядка 1003 млн м3/год, при выработке электроэнергии 8329 МВт. Технологическая схема водоснабжения предприятия представляет собой прямоточный забор воды из р. Томь и сброс в этот же водный объект. Для сравнения водопотребление Южно-Кузбасской ГРЭС (г. Калтан) составляет 68 млн м3/год, выработка электроэнергии 1733 МВт, Кемеровской ГРЭС (г. Кемерово) – 129 млн м3/год и 2414 МВт. Отработанные в отраслях экономики и жилищно-коммунальном хозяйстве воды, отводятся в поверхностные водотоки, накопители и понижения рельефа. В целом по области отмечается снижение объема сточных вод за сравниваемые периоды: c 2241 до 2002 млн м3/год. Сравнение качественного состава отводимых вод показало, что количество вод по категориям без очистки и недостаточно очищенных увеличилось с 706 до 732 млн м3/год, нормативно чистых без очистки снизилось с 1333 до 1264 и нормативно очищенных с 202 до 6,0 млн м3/год. Как значимое дополнение к характеристике водоотведения, можно рассматривать объемы сточных вод в отдельных секторах экономики (табл. 2). Согласно представленным данным, отмечается рост водоотведения в электроэнергетике и шахтном производстве (добыча угля), для других видов экономической деятельности характерно снижение объемов сточных вод, в большой мере в машиностроении и металлообработке. Структурные изменения в системе водоотведения по отраслям экономики определяются, с одной стороны, уменьшением количества выпускаемой продукции, с другой – реконструкцией предприятий, во многом обеспечивающей увеличение количества оборотной и повторно – последовательно используемой воды. В последние годы в целом по области, экономия воды за счет потребления и повторно – последовательно используемой волы, составила 75 %. Наибольшая экономия воды зафиксирована в отраслях черной и цветной металлургии, химической и пищевой промышленности [5]. 72 Секция 2 Таблица 2 Структура водоотведения по видам экономической деятельности, % от общего объема сточных вод (среднее за период) Период Вид экономической деятельности 1996–2000 гг. 57 12 5,3 6,7 3,2 1,3 1,2 13,3 Электроэнергетика Шахтные воды Черная и цветная металлургия Химическая промышленность Машиностроение и металлообработка Пищевая промышленность Сельскохозяйственное производство Прочие 2002–2006 гг. 61 15 2,2 4,8 0,2 0,1 0,1 16,6 Типовая характеристика структуры водопользования, включающая объемы водопотребления и водоотведения территории, не отражает всех уровней социально-экономической системы использования воды. Важнейшей отраслевой водопотребитель – население области. Проблема обеспечения населения питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве остается актуальной. Необходим анализ социально – экономических потребностей использования воды. Такой анализ можно провести на основе сопоставимых показателей удельного водопотребления на нужды промышленного производства и хозяйственно-питьевого водоснабжения (л/сут на человека). По наиболее полным данным Верхнеобского бассейнового управления за 1996–2000 гг. о водозаборе в целом на все виды хозяйственной деятельности, а также водопотреблении на промышленные, хозяйственно-бытовые нужды и водоотведении, рассчитана структура водопользования населенных пунктов Кемеровской области (табл. 3). Таблица 3 Структура водопользования населенных пунктов Кемеровской области (среднее за 1996-2000 гг.) Использование Численность Всего исполь- воды на производНаименование населения, зовано, л/сут ственные нужды, населенного пункта тыс. чел. на человека % от всего использования воды Кемерово Анжеро-Судженск Белово Гурьевск Калтан Киселевск Ленинск-Кузнецкий Мариинск Междуреченск Мыски Новокузнецк Осинники Прокопьевск Салаир Тайга Топки Юрга 505,6 100,6 86,8 28,5 25,5 118,2 123,3 39,9 106,1 45,3 582,8 60,6 256,6 11,2 25,8 33,3 90,1 1885 514,6 1299 581 34754 722,5 797,3 468,5 897 48224 1495 770,2 606,1 1117 542,8 428,2 903,6 64 48 55 73 99 75 61 65 59 99 87 58 65 67 16 44 63 Использование воды на хозяйственно-питьевые нужды, л/сут на человека Отношение сброса сточных вод к всего использованной воды, % 641 268 545 157 347 58 207 149 154 482 105 46 133 357 456 227 307 85,6 141 102 112 106 84,4 157 103 156 102 68,9 94,8 278 36,0 80,6 76,1 70,3 Примечание. Демографические показатели по населенным пунктам на расчетный период взяты как [12] среднее на 1991 и 2000 гг. 73 Роговские чтения Для всех рассмотренных населенных пунктов, кроме трех (гг. Анжеро-Судженск, Тайга, Топки), использование воды для промышленных нужд составляет 50 %. В городах Мыски, Калтан на нужды теплоэнергетики и агломерационных фабрик используется 99 % от общего объема водопотребления. В г. Новокузнецк, в котором сосредоточено крупное металлургическое производство, на промышленные нужды поступает 87 % от всего количества водопотребления; в г. Кемерово с развитыми химическими отраслями – 64 %. Отдельная группа населенных пунктов представлена городами с угольным производством, где водоотведение больше водопотребления за счет откачки шахтных вод: Анжеро-Судженск – 141 %, Белово – 102 %, Гурьевск – 112 %, Калтан – 106 %, Ленинск-Кузнецкий – 157 %, Мариинск – 103 %, Междуреченск – 156 %, Мыски – 102 %, Прокопьевск – 278 % соответственно отношение общего объема сбросных сточных вод к объему водопотребления. Анализ региональной структуры водопользования Кемеровской области отражает неравноправное распределение водопотребления на промышленные и хозяйственно-питьевые нужды. Использование воды на хозяйственно-питьевые нужды на уровне достаточном и среднем, осуществляется в городах Кемерово, Белово, Калтан, Мыски, Салаир, Тайга. В остальных населенных пунктах отмечается дефицит воды хозяйственно-питьевые нужды (л/сут на человека): АнжероСудженск (–82), Гурьевск (–93), Киселевск (–192), Ленинск-Кузнецкий (–143), Мариинск (–101), Междуреченск (–196), Новокузнецк (–245), Осинники (–204), Прокопьевск (–217), Топки (–23) соответственно разработанным нормативам [4]. Водоснабжение населения мало зависит или совсем не зависит от использования общего количества воды. Водопользование ориентировано на промышленное водопотребление в ущерб хозяйственно-питьевому. Достаточно стабильные показатели экономического развития региона сосуществуют с отсутствием удовлетворения потребностей населения в чистой питьевой воде. Сложившаяся структура водопользования, характеризует антропогенную нагрузку на поверхностные воды. Соотношение объемов сточных вод по различным видам хозяйственной деятельности и их состав определяют условия формирования качества вод речных бассейнов. В результате сложнейшей истории развития и дифференциации промышленного производства сформировалось разнообразие бассейновой гидрохимической характеристики природных вод. Исследование химического состава поверхностных вод рассматривается как один из этапов определения геоэкологических условий территории. При этом интерес представляет химический состав поверхностных вод тех бассейнов, где преобладает определенный тип промышленного производства, в качестве которых и представлены бассейны рек Кия, Яя, Томь. В бассейнах рек Яя, Кия основной тип промышленного производства – крупные шахтные разработки. Откачка шахтных вод производится в поверхностные водотоки, а также понижения рельефа. При этом создаются условия для засоления поверхностных вод за счет повышенной минерализации шахтных вод. Характеристика формирования химического состава поверхностных вод рек Кия, Яя дана по [8]. Сравнительный анализ данных по изменению ионно-солевого состава поверхностных вод рек Кия, Яя и исследования по формированию шахтного водоотлива, указывают на определенное сходство в проявлении изменений химического состава поверхностных и шахтных вод. Оценка изменений химического состава воды по сезонам года показала большой диапазон колебаний содержания главных ионов в половодье и межень. Наибольшие изменения характерны для ионов SO24 , Mg 2 , Nа+ + K+. Так, в бассейне р. Кия в отдельные годы вода становится сульфатногидрокарбонатной магниево-кальциевой как в период половодья, так и межени. В бассейне р. Яя в химическом составе воды в половодье высоко содержание иона SO24 , а в межень повышено содержание Mg 2 , в отдельные годы – Nа+ + K+. В бассейне р. Томь основной тип промышленного производства – металлургический и химический. Характеристика химического состава поверхностных вод р. Томь дана по [3, 5, 11]. Загрязнение воды р. Томь определяется содержанием фенолов, нефтепродуктов и галогенорганических соединений. По всей длине водотока, для всех проб воды концентрации фенолов и нефтепродуктов превышают ПДК. 74 Секция 2 В состав галогенорганических соединений входят: хлороформ, дихлорметан, бромдихлорметан, трихлорэтилен и др. Преобладающее соединение по абсолютному содержанию – дихлорметан. Содержание галогенорганических соединений в воде р. Томь превышает допустимые санитарные нормы, нарастает вниз по течению с увеличением поступления сточных вод. Водопотребление на хозяйственно-питьевые нужды в условиях дефицита осложняется неудовлетворительным состоянием качества воды. Как отмечается [5, 10], в городах Кемеровской области от 12,5 до 17,7 % проб воды не удовлетворяют санитарным нормам по бактериологическим и химическим показателям. В сельских районах и поселках городского типа от 20,5 до 55,4 % отобранных для исследования проб питьевой воды не соответствуют санитарным нормам. Следует отметить, что в регионе действуют базовые отрасли промышленного производства (угольная, металлургическая, химическая, энергетическая промышленность), они сохраняют свои приоритетные позиции не только в экономике области, но и в России в целом. Невозможность существенных структурных изменений в отраслях экономики, способных повлечь оптимальное перераспределение между промышленным производством и хозяйственно-питьевым водопользованием, порождает глубокое противоречие в решении геоэкологических проблем и может быть причиной нарушения долгосрочного устойчивого развития территории. Структуру водопользования можно рассматривать как определяющий показатель социального и геоэкологического контроля устойчивого развития регионов. Устойчивое развитие территорий может быть достигнуто путем решения региональных и национальных геоэкологических проблем, так как государство прежде всего несет ответственность за обеспечение населения высококачественной питьевой водой в достаточном количестве. Наиболее значимо геоэкологические проблемы территории проявляются при разработке месторождений твердых полезных ископаемых, горные выработки шахт и карьеров с действующим водоотливом или системой дренажных сооружений способствуют понижению уровня подземных вод, создают крупные очаги их техногенной разгрузки и вызывают формирование депрессионный воронок. Откачка шахтных вод в поверхностные водотоки ведет к изменению их ионно-солевого состава. Выводы Полученные результаты сравнительного анализа структуры водопотребления и водоотведения по отраслям экономики и населенным пунктам позволили сделать следующие выводы: Геоэкологические проблемы водопользования определены как следствие условий жизнедеятельности в результате функционирования крупных промышленных комплексов (теплоэнергетика, химическое и металлургическое производство, машиностроение), водоснабжение которых становится приоритетным для целей развития экономики, а интересы населения в снабжении их чистой водой учитываются в меньшей мере. Комплексная оценка структуры водопользования на основе динамики отраслевых и территориальных пропорций и соотнесение показателей удельного водопотребления на производственные и хозяйственно-питьевые нужды могут рассматриваться как элемент технологии управления качеством окружающей среды. Особенности сложившейся структуры водопотребления и водоотведения позволяют выявить гидрохимические аномалии и определить ключевые участки мониторинга поверхностных вод. В контексте устойчивого развития показатели водопользования отражают уровни взаимодействия в системе «водные ресурсы – социальная и производственная сферы» и определяют информационно-аналитическую базу функционально-отраслевой оптимизации структуры водопотребления и водоотведения для снижения риска опасных геоэкологических процессов территории. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бобров, А.Л. Эколого-экономическая устойчивость регионов России / А.Л. Бобров. – М. : Наука, 1999. – 170 c. 2. Данилов-Данильян, В.И. Потребление воды: Экологический, экономический, социальный и политический аспекты / В.И. Данилов-Данильян, К.С. Лосев. – М. : Наука, 2006. – 219 с. 3. Доклад о состоянии окружающей природной среды Кемеровской области в 1996 году / под ред. С.М. Малахова. – Кемерово : Гос. ком. охр. окр. ср. Кем. обл., 1997. – 112 с. 75 Роговские чтения 4. Еремин, В.Г. Экологические основы природопользования / В.Г. Еремин, В.В. Сафронов. – М. : Высшая школа, 2002. – 253 с. 5. Материалы к Государственному докладу «О состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области, Государственное учреждение «Областной комитет природных ресурсов». – Кемерово : АРФ, 2007. – 318 с. 6. Мониторинг социально-экономического развития регионов Сибирского соглашения за 1996 год. – Томск, 1997. – 21 с. 7. Наше общее будущее : доклад международной комиссии по окружающей среде и развитию. – М. : Прогресс, 1989. – 368 с. 8. Парфенова, Г.К. Многолетняя изменчивость ионно-солевого состава поверхностных вод в районах угледобычи (на примере рек Кемеровской обл.) / Г.К. Парфенова // Геоэкология. – 2002. – № 4. – С. 326–332. 9. Правила охраны вод. – М. : Госкомприрода СССР, 1991. – 34 с. 10. Рогов, Г.М. Проблемы использования природных вод бассейна реки Томи для хозяйственно-питьевого водоснабжения / Г.М. Рогов, В.К. Попов, Е.Ю. Осипова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2003. – 218 с. 11. Сергеев, С.Г. Структура и закономерности загрязнения хлорорганическими соединениями речной и питьевой воды в Кузбассе / С.Г. Сергеев, Ю.Ф. Казнин, А.В. Кравчук // Гигиена и санитария. – 1993. – № 8. – С. 11–13. 12. Численность населения РФ по городам, ПГТ и районам на 1 января 2000 г. – М. : Госкомиздат, 2000. – 194 с. 76 Секция 2 УДК 628.161 ВЛИЯНИЕ БЫТОВЫХ ОЧИСТНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К.С. Янкович Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: yankovich.k.s@gmail.com В данной работе рассмотрено влияние бытовых очистных фильтров на химический состав подземной воды. Приведены результаты анализов проб трех степеней очистки. Исследование проводилось для нецентрализованного источника в г. Барнаул. Ключевые слова: подземная вода, бытовые фильтры, качество, химические элементы. Проблемы загрязнения окружающей среды актуальны в современном мире. Кроме того, важным фактором является воздействие загрязняющих веществ на здоровье человека [1]. Основная часть химических элементов поступает в организм пероральным путем [2]. Население, которое использует для хозяйственно-питьевых нужд воду из нецентрализованного водоснабжения подвергаются риску. Так как добываемая вода часто не соответствует гигиеническим нормам по содержанию ряда химических компонент, для ее очистки используют различные фильтры. Для очистки воды применяют бытовые фильтры. Цель данной работы – исследование изменения химического состава воды в процессе ее обработки бытовыми фильтрами. Отбор проб осуществлялся в г. Барнаул, который расположен в южной оконечности ЗападноСибирской платформы на территории Приобского плато [3]. Глубина скважины 105 м. Анализы проводились в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» ИПР ТПУ по стандартным методикам. Природные воды пресные гидрокарбонатные, характеризуются повышенным содержанием железа (формула, таблица). M 0,505 HCO3 98Cl1SO 41 pH7, 4. Ca52Mg36Na12 Результаты химического анализа воды Компонент рH, ед. рН Удельная электрическая проводимость, мкСм/см Перманганатная окисляемость, мгО2 /л Вкус, балл Запах при 60 °С, балл Характер запаха Мутность, мг/л Цветность, 0цветн. Двуокись углерода Аммоний-ион Нитрит-ион ПДК, мг/л Исходный состав мг/л 6,5–8,5 7,4 Содержание После фильтра № 1 мг/л 7,6 После фильтра № 2 мг/л 7,26 2500 644 644 652 5,0–7,0 0,99 0,95 1,11 2 2 0 2 Землистый 17,7 0 8,8 0,26 < 0,02 0 0 Отсутствует 2,8 0 2,6 0,13 < 0,02 0 0 Отсутствует 0 0 10,5 0,07 < 0,02 1,5 20 2 3 77 Роговские чтения Окончание таблицы Компонент Нитрат-ион Сульфат-ион Хлорид-ион Фосфат-ион Кальций Магний Натрий Калий Железо общее Кремний Минерализация по сумме солей, мг/л ПДК, мг/л Исходный состав мг/л 45 < 0,1 500 3,77 350 1,39 3,5 0,066 66 50 28,06 200 18 0,46 0,3 (1) 3,43 10 8,84 1000 Содержание После фильтра № 1 мг/л < 0,1 1,21 1,39 0,069 66 28,06 18 0,48 0,49 8,32 После фильтра № 2 мг/л < 0,1 1,66 1,39 0,2 66 28,06 15,05 0,55 0,06 8,1 502 491 505 Первоначально в воде обнаружено превышение предельного уровня содержания железа, а так же повышенное содержание магния и кремния (величины данных веществ превышают 0,5*ПДК). Очистка воды производилась в два этапа. На первоначальном этапе применялся магистральный угольный фильтр Гейзер[4]. Фильтр очищает воду от механических примесей, устраняет повышенное содержание железа и др. элементов (в зависимости от применяемого картриджа). Использование магистрального фильтра Гейзер (фильтра № 1) позволило значительно снизить в воде содержание железа общего, сульфатов, двуокиси углерода, кремния; мутность и пропал запах (табл.). На втором этапе очистки использовался фильтр для питьевой воды Барьер EXPERT Standard (фильтр 2), имеющий три степени очистки. После фильтра № 2 еще снизилось содержание общего железа, кремния, натрия; значение показателя мутности сократилось до нуля. Содержание двуокиси углерода увеличилось в пять раз, на порядок возросла величина фосфатов (таблица). Таким образом, обработка подземной воды бытовыми фильтрами Гейзер и Барьер EXPERT Standard позволило снизить содержание железа общего, сульфатов, кремния, удалить мутность и запах. Однако, повысилось содержание двуокиси углерода и фосфатов. В целом можно сказать, что применение бытовых фильтров эффективно при нецентрализованном использовании подземной воды для хозяйственно-питьевых целей. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Окружающая среда и здоровье: подходы к оценке риска / под ред. А.П. Щербо. – СПб. : МАПО, 2002. – 370 с. 2. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду / Г.Г. Онищенко, Ю.А. Новиков, С.Л. Авалмани [и др.] ; под ред. Ю.А. Рахманина, Г.Г. Онищенко. – М. : НИИ ЭЧ и ГОС, 2002. – 408 с. 3. Энциклопедия Барнаула / под ред. В.А. Скубневского. – Барнаул : Изд-во АлтГУ, 2000. 4. Компания «Гейзер»: описание продукции компании. Фильтры. – Калуга, 2013. – Условия доступа : http://geizerkaluga.ru, свободный. 5. СанПиН 2.1.4.1175–02. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников.- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 19 марта 2002 г. № 12 «О введении в действие санитарно-эпидемиологических правил и нормативов “Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. СанПиН 2.1.4.1116–02”». 78 Секция 2 УДК 628.1.033(571.16) О ПРОБЛЕМЕ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО И НЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ О.Д. Лукашевич Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: odluk@yandex.ru Рассмотрены показатели, характеризующие долю проб безвредной и безопасной воды из централизованных и нецентрализованных источников, и количество жителей Томской области, не обеспеченных доброкачественной водой. Причины низкого качества питьевой воды в сельской местности – наличие химических и бактериальных загрязнителей в природной воде, отсутствие водопроводов, устаревшие системы водоочистки, вторичное загрязнение, человеческий фактор (халатность). Кондиционирование воды в домашних условиях не заменяет обеспечение очищенной водой из систем централизованного и нецентрализованного водоснабжения. Для разрешения проблем в хозяйственно-питьевом секторе экономики необходимы энерго- и ресурсосбережение, ужесточение контроля, расширение социально-гигиенического мониторинга и другие мероприятия. Ключевые слова: качество воды, водоподготовка, централизованные источники водоснабжения, нецентрализованные источники водоснабжения. Обеспечение населения питьевой водой, соответствующей критериям безопасности по санитарно-эпидемиологическим нормативам – важнейшая задача власти и соответствующих бизнесструктур каждого региона и государства в целом. Вступление в силу Федерального закона № 416-ФЗ от 07.12.2011 «О водоснабжении и водоотведении» требует конкретных действий по реализации его положений в нескольких направлениях: технико-технологическом (обеспечение технического перевооружения инженерных сооружений водоочистки, водопровода и т. д.), нормативно-правовом (устранения «пробельности» и противоречий в действующих ФЗ и других нормативно-правовых актах), обновление технического законодательства (гармонизация и согласование ведомственной и иной документации) и т. д. По официальным данным, [1] только около 65 % населения Томской области обеспечено доброкачественной питьевой водой. При этом пропорция в отношении городского и сельского населения явно не в пользу последних: если у 92,1 % горожан водопроводная вода удовлетворяет нормативным показателям, то, по результатам социально-экологического мониторинга, в сельской местности лишь у 9,4 % жителей есть возможность использовать для хозяйственно-бытовых целей воду, соответствующую санитарно-эпидемиологическим требованиям [2] (табл. 1, 2). Удельный вес водопроводов, не отвечающих санитарным требованиям из-за отсутствия водоочистных сооружений, составляет на сегодня 81 %, причем на сельскую местность приходится 86,8 %. В поселениях Асиновского, Бакчарского, Кожевниковского, Шегарского районов этот показатель составляет от 95 до 100 %. Таблица 1 Обеспеченность населения Томской области водой Показатели Доля населения, обеспеченного доброкачественной питьевой водой (% от общей численности населения) Доля городского населения, обеспеченного доброкачественной питьевой водой (% от общей численности населения) Доля сельского населения, обеспеченного доброкачественной питьевой водой (% от общей численности населения) Доля источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, эксплуатируемых с нарушением требований по организации зон санитарной охраны (общее число водоисточников – 1021) 2011 2012 2013 61,5 63,9 65,0 91,6 91,9 92,1 3,1 7,5 9,4 9,4 8,5 8,2 79 Роговские чтения Таблица 2 Экологическая безопасность питьевой воды в источниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения Томской области Показатели Доля проб воды из источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по санитарно-химическим показателям (%) Доля проб воды из источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по микробиологическим показателям (%) Доля проб воды из подземных источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по санитарно-химическим показателям (%) Доля проб воды из подземных источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по микробиологическим показателям (%) 2011 2012 2013 78,6 79,6 68,7 3,4 2,9 0,7 79,5 79,6 69,9 2,5 2.1 0,6 Отметим, что основную часть случаев выявления нестандартных проб воды составляют те, в которых повышенное содержание железа обусловливает несоответствие воды сразу по целой группе нормативов. Это такие показатели, как запах, привкус, мутность, прозрачность, цвет, цветность. Выпадая на поверхностях труб, емкостей, оборудования в виде оксидно-гидроскидной смеси, железистый осадок вместе с водой над ним служит средой для развития и накопления группы непатогенных железоокисляющих бактерий. При определении общего микробного числа в пробах воды, отобранных на таких участках сетей, обычно фиксируется большое количество колоний бактерий. В ряде случаев снизить содержание железа и, как следствие – улучшить показатели качества воды в водопроводе сельского поселения можно своевременной промывкой баков-накопителей воды с удалением накопившегося железистого осадка. Игнорирование этой процедуры при обслуживании жителей – халатность, влекущая за собой негативные последствия, которых можно избежать. Обеспечение населения сельских территорий доброкачественной питьевой водой наиболее остро стоит в Верхнекетском, Парабельском, Бакчарском, Кожевниковском, Чаинском, Шегарском районах. Доля проб воды из распределительной сети, не соответствующих гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям, составляет в этих районах более 80 %, что превышает среднеобластной уровень. Проводимый социально-гигиенический мониторинг, внеплановые проверки, которые нацелены на недопущение вредного влияния на здоровье населения некачественной питьевой воды, позволяют выявить лишь часть нарушений и несоответствий. Но даже они показывают, что развивается кризисная ситуация на действующих муниципальных объектах водопроводно-канализационного хозяйства Томской области. В многолетней (2000–2013 гг.) динамике показателей доля проб воды, отобранных их распределительной сети централизованных систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, не соответствующих гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям, находится на уровне 45–55 %. В 2013 г. доля водопроводов, не отвечающих санитарным требованиям, составила 82,7 %, в том числе из-за отсутствия зоны санитарной охраны – 14,4 %. [1, 3]. Считая подземные воды наиболее защищенными от загрязнения со стороны хозяйственной деятельности человека, следует учитывать их уязвимость на миграционно-ослабленных участках комплексов горных пород. Основное нарушение – расположение скважин в черте населенных пунктов, вследствие чего на территории первого, второго, третьего поясов ЗСО оказываются размещены частные жилые дома, усадьбы, не имеющие канализационных систем удаления сточных вод, встречаются даже несанкционированные свалки. Нарушения в этом вопросе отмечаются повсеместно. Они касаются и отсутствия соответствующей документации, и мер по обеспечению экологически безопасного использования водоисточника. Даже на крупном Томском водозаборе из подземных источников, эксплуатирующемся с 1973 г., не была до 2013 г. разработана научно обоснованная, оформленная в соответствии с нормативными требованиями документация, содержащая геоэкологические расчеты расположения I–III поясов зон санитарной охраны. Основными источниками воды для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения служат подземные водоносные комплексы, преимущественно палеогеновых отложений, реже – палеозойских и неоген-четвертичных. С геохимическими условиями их формирования связано высокое содержание 80 Секция 2 в подземных водах природных химических соединений железа и марганца [1, 3–5]. Реже наблюдаются отклонения от нормативных показателей по содержанию аммонийного азота, кремния. Такие показатели, как общая жесткость, цветность, мутность, перманганатная окисляемость также часто выходят за пределы допустимых значений. Есть отдельные водоисточники с повышенным содержанием сероводорода, нитратов. Этим объясняется высокая доля проб воды из подземных источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по санитарно-химическим показателям (см. табл. 2). Вместе с тем, было бы неправильным отказаться от добычи подземных вод и перейти к использованию речных вод. Этот вариант, как более выгодный в экономическом отношении, всерьез рассматривался в 2012–2013 гг. как перспективный для томичей. В буквальном смысле «отстоять» уникальный Томский водозабор из подземных источников удалось благодаря совместным усилиям общественности и ученых, в первую очередь – профессора С.Л. Шварцева. Здесь уместно вспомнить имя Г.М. Рогова. Многие его устные выступления, газетные и научные статьи, монографии и другие публикации были направлены на защиту месторождения подземных вод на Обь-Томском междуречье от многокомпонентного техногенного воздействия на гидролитосферу, на экологические проблемы мелеющей реки Томи, русло которой и сегодня страдает из-за добычи гравия, критиковал проект строительства Крапивинского водохранилища [6–9]. Авторитет Г.М. Рогова как широко известного ученого, организатора высшего образования, общественного деятеля, гражданина всегда служил интересам науки и томичей. Таблица 3 Общая характеристика централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения Томской области Показатели Число Доля проб воды из источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по микробиологическим показателям (%) Доля проб воды из подземных источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по санитарно-химическим показателям (%) Доля проб воды из подземных источников централизованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по микробиологическим показателям (%) 2011 78,6 2012 79,6 2013 68,7 3,4 2,9 0,7 79,5 79,6 69,9 2,5 2.1 0,6 Около 3 % населения использует воду из нецентрализованных источников – родников, колодцев. Еще 13 % можно охарактеризовать как использующие смешанный тип – как централизованное, так и нецентрализованное водоснабжение. Есть также незначительное число (63 чел.) жителей, которые обеспечиваются привозной питьевой водой. Органами Роспотребнадзора по Томской области и ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Томской области осуществляется лабораторный контроль, результаты которого не показывают статистически значимых тенденций в изменении количества проб воды из источников нецентрализованного водоснабжения, не соответствующих показателям безопасности и безвредности. Доля проб воды из источников нецентрализованного водоснабжения, не соответствующих требованиям по микробиологическим показателям (%) составляла в 2011, 2012, 2013 гг. величину 21,1; 22,0; 9,7, соответственно. Доля проб воды из источников нецентрализованного водоснабжения, не удовлетворяющих требованиям по санитарно-химическим показателям (%) составляла 41,6; 67,4; 35,3 в 2011, 2012, 2013 гг., соответственно [3]. Такие официальные данные позволяют сделать вывод об отсутствии доступа части населения к чистой воде, что является нарушением ряда международных соглашений, подписанных представителями России. Не случайно ежегодно несколько жителей Томской области обращаются с жалобами о нарушении прав человека, в части не обеспеченности доброкачественной водой, к Уполномоченному по правам человека по Томской области. Крайне мало опубликованных данных о качестве воды, используемой для питьевых нужд, добытой из частных колодцев и скважин, расположенных на придомовых территориях. Они, как прави81 Роговские чтения ло, не бывают включены в программы мониторинга, а у пользователей нет возможности самостоятельно осуществлять контроль. Однако социологические опросы населения показывают, что подавляющая часть жителей в сельской местности не удовлетворены качеством воды, используемой в хозяйственно-бытовых целях. Многие жители области самостоятельно улучшают качество воды для хозяйственных целей аэрацией, отстаиванием, известкованием, кипячением, вымораживанием. Следует отметить, что не только люди, проживающие в небольших сельских поселениях и не имеющие водопровода и канализации и нуждающиеся в доступе к этим социальным благам, негативно отзываются о качестве воды. Как свидетельствуют результаты мини-опроса, проведенного студентами ТГАСУ, около 50 % горожан, проживающих в благоустроенных квартирах, также не довольны качеством водопроводной воды. По-видимому, этому есть две основные причины. Первая – возможность вторичного загрязнения воды в водопроводах и внутридомовых сантехнических коммуникациях. При продолжительном контакте воды с железными или медными трубами она приобретает металлический привкус; существует возможность попадания в воду твердых частиц после ремонтных работ на водопроводе; при малом разборе воды в тупиковых участках застоявшаяся вода подвержена микробному загрязнению, что сопровождается появлением неприятного запаха и привкуса. Вторая причина недоверия населения к декларируемой Водоканалом безопасности питьевой воды кроется в настойчивом убеждении в обратном через СМИ. Рекламные и откровенно популистские статьи, выступления по радио и телевидению, Интернет-сайты постоянно убеждают, что водопроводная вода в принципе не может быть чистой. Коммерческие интересы многочисленных производителей бытовых фильтров, устройств для многоступенчатой очистки воды, а также фирм, занимающихся подготовкой и доставкой бутылированной воды направлены на захват и расширение рынков. Наблюдается опасная тенденция: малообеспеченные слои населения, не довольные качеством воды, используют это как аргумент, и либо отказываются платить за нее, либо не желают ставить водосчетчики, поскольку им выгоднее оплачивать счета по тарифу за 1–2 чел. при большем количестве реальных жильцов в квартире, а иногда – и при «нулевой» прописке. Население, которое можно отнести к «среднему классу», используя водопровод для бытовых нужд, параллельно приобретает устройства для доочистки воды либо бутылированную воду. Наиболее обеспеченные томичи, как правило, проживающие в коттеджах, устанавливают автономные малогабаритные станции очистки воды. Таким образом, денежные средства населения, которые могли бы быть направлены на развитие Водоканала, частично теряются. В то же время, все коммерческие структуры, получающие свою часть «водного финансового потока» за счет торговли водоочистными устройствами и бутылированной водой, не могли бы это делать при отсутствии Водоканала: для того, чтобы бытовые водоочистители успешно работали, необходима уже изъятая из водоисточников и доставленная в квартиру вода, а также канализация, куда будут сливаться отходы. Использование жителями устройств со сменными патронными фильтрами-картриджами для очистки не водопроводной, а природной воды с высоким содержанием железа, особенно в устойчивых формах, стабилизированных присутствием органических веществ, сразу ставит обладателя устройства в зависимость от производителя и продавца картриджей (ввиду необходимости частой их замены), и часть покупателей отказываются от таких услуг. Бутылированная вода только частично решает проблему обеспечения населения доброкачественной водой (например, в случае ЧС). Она зачастую представляет собой доочищенную (или даже не обработанную химическими веществами, излучениями или иными способами) водопроводную воду. Предпринимателям экономически не выгодно транспортировать воду издалека или самостоятельно строить современную станцию обезжелезивания. Поэтому «коммерция на воде» будет успешной только при стабильной работе крупных водопроводов. Общероссийский опыт показывает, что содержание в удовлетворительном состоянии инженерных сооружений (оборудования, водоводов, распределительных сетей), обеспечивающих хозяйственно-питьевое водоснабжение, становится все более трудной задачей. Значительный износ труб и оборудования, являющийся причиной частых аварий, требует крупных финансовых вложений в инфраструктуру. Их невозможно обеспечить только из поступлений средств от потребителей воды. Возникает «вилка»: социальная значимость воды не позволяет относиться к ней как к обычному товару в вопросах ценообразования, а необходимость устанавливать низкую стоимость воды для потребителя в рыночных условиях сдерживает необходимые темпы развития и модернизации предприятий Росводоканала, делает их дотационными. 82 Секция 2 За последние 25 лет неоднократно разрабатывались, утверждались, частично выполнялись программы различного ранга для обеспечения доброкачественной водой населения РФ, СФО и Томской области. Если бы эти программы были реализованы, то уже в 2011 г. население Томской области (как и всей России) было обеспечено чистой питьевой водой, как это планировалось. В принятой 2 года назад долгосрочной (на 2012–2017 гг.) целевой программе «Чистая вода Томской области», поставлена цель обеспечить население региона питьевой водой, «соответствующей установленным санитарногигиеническим требованиям, в количестве, достаточном для удовлетворения жизненных потребностей и сохранения здоровья граждан», снизить загрязнение природных водных объектов – источников питьевого водоснабжения сточными водами бытовых объектов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Для этого планируется реализовать поэтапный переход на долгосрочные тарифы на услуги водоснабжения и водоотведения; провести реконструкцию и строительство сетей, что позволит привести в нормативное состояние более 200 км водопроводов, реконструировать 6 насосных станций и создать 60 станций обезжелезивания и 8 водонапорных башен и т. д. Предусмотрено строительство новых водозаборов и реконструкция скважин (вместо ликвидированных поверхностных или подземных водозаборов, вода которых не соответствует санитарно-эпидемиологическим нормативам). Предполагается, что при разработке проектных решений должны применяться наилучшие доступные технологии очистки воды. Однако, в условиях нарастания кризиса и девальвации рубля выполнение вышеназванной программы в полном объеме не представляется реалистичным. Вместе с тем, имеющийся опыт производственной деятельности в условиях финансового дефицита, созданные сотрудниками предприятий водохозяйственного комплекса совместно с учеными научно-практические разработки, активность муниципалитетов позволяют двигаться вперед по направлению улучшения качества питьевой воды, причем даже при минимальных затратах. При этом, на наш взгляд, на действующих муниципальных объектах водопроводноканализационного хозяйства Томской области важно осуществить: – усиление контроля за реализацией областной целевой программы по улучшению водоснабжения населенных мест и планами действий на местах; – ужесточение требований к организациям, эксплуатирующим инженерные системы водоснабжения и водоотведения; – обеспечение решения муниципалитетами проблем сбора, безопасного хранения, утилизации отходов для недопущения захламления и загрязнения зон санитарной охраны вблизи водоисточников; – усиление надзора за управляющими компаниями, осуществляющими обслуживание и содержание жилого фонда в части соблюдения водоохранного, санитарного законодательства и защиты прав потребителей; – ужесточение требований к организациям, эксплуатирующим полигоны твердых бытовых отходов; – совершенствование системы лабораторных исследований качества воды при осуществлении санитарно-эпидемиологического надзора, социально-гигиенического мониторинга, геомониторинга; – контроль за работами по установке приборов учета, что обеспечит снижение общего водопотребления за счет более рационального расходования воды потребителями; – осуществление мероприятий по освоению замкнутых систем водоснабжения на промышленных предприятиях и крупных станциях водоподготовки; – применение гибкой тарифной политики, стимулирующей минимизацию расходования воды потребителями; – внедрение энергоэффективного оборудования; – обеспечение автоматизации и оптимизации функционирования систем водоснабжения, диспетчеризации управления; – просвещение населения через СМИ и образовательные учреждения по водно-экологическим проблемам. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Томской области в 2013 году». – Томск, 2014. – Условия доступа : http: //70.rospotrebnadzor.ru/s/70/files/documents/regional/ gos_doklad/107015 83 Роговские чтения 2. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. – М. : Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2002. – 103 с. 3. Экологический мониторинг : доклад о состоянии и охране окружающей среды томской области в 2013 году / глав. ред. А.М. Адам. – Томск : Дельтаплан, 2014. – 194 с. 4. Лукашевич, О.Д. Совершенствование хозяйственно-питьевого водопользования для повышения уровня его экологической безопасности (на примере Западной Сибири) / О.Д. Лукашевич ; под ред. Г.М. Рогова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. – 350 с. 5. Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2013 году». – Условия доступа : http://www.rospotrebnadzor.ru/upload/iblock/3b8/gd_2013_dlya-sayta.pdf 6. Проблемы водоснабжения населения Томской области / Д.С. Покровский, Ю.В. Макуушин, Е.М. Дутова [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2001. – № 1. – С. 154–165. 7. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов, В. А Коробкин, Г.М. Рогов [и др.]. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2002. – 143 с. 8. Рогов, Г.М. Надо ждать беды / Г.М. Рогов, В.А. Афонин // Красное знамя. – 1990. – 2 окт. 9. Хранилище строить нельзя: мнение ученых / Н.А. Ермашова, В.К. Попов, Г.М. Рогов [и др.] // Красное знамя. – 1992. – 2 дек. 84 Секция 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ, ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ УДК 550 ФОРМИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЗБАССА ПРИ ЛИТОГЕНЕЗЕ В.Е. Ольховатенко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: igg@tsuab.ru Освещаются закономерности формирования физико-химических свойств горных пород угленосных отложений Кузбасса при литогенезе. Выявлено влияние процессов прогрессивного и регрессивного литогенеза на прочность структурных связей пород и их физико-механическихесвойства. Ключевые слова: литогенез, угленосные отложения, катагенез, структурные связи, физико-механические свойства. Выполненные на территории Кузбасса инженерно-геологические исследования показали [1, 2], что формирование физико-механических свойств горных пород угленосных отложений тесным образом связано с его геотектоническим развитием, фациальными условиями осадконакопления, особенностями диагенетического преобразования осадков, катагенетическими изменениями горных пород и структурно-тектонической перестройкой бассейна в постинверсионный период под воздействием проявившихся здесь фаз тектогенеза. С учетом особенностей геологического и тектонического строения Кузбасса для решения поставленной задачи были подробно изучены состав, структурнотекстурные особенности и физико-механические свойства пород угленосных отложений балахонской (С1-2-P1bl), кольчугинской (Р2) и тарбаганской (I1-2) серий, находящихся на различных стадиях литогенетических преобразований и распространенных в различных геотектонических зонах. Это позволило установить закономерности постдиагенетических преобразований горных пород и выявить их роль в формировании физико-механических свойств. Катагенез, как процесс преобразования углевмещающих пород, выражается в перераспределении вещества и может быть представлен в виде: минералы цемента MgO AI2O3 5SiO2 nH2O + 2[AI2O3 + 2SiO2 монтмориллонит 2H2 O] + каолинит минералы в обломках 2[K2O [AIO3 3SiO2] + CaOAI2O3 2SiO2 + CO → ортоклаз антортитовая молекула Р-Р плагиоклаза минералы катагенеза → 2[K2O 3AI2O3 6SiO2 2H2O] + 2CaMgO (CO3)2 + 5 SiO2 + nH2O мусковит (серицит) доломит регенерациионный кварц 85 Роговские чтения Так как этот процесс протекает при относительно низких температурах, то подвижность компонентов весьма ограничена и состояние близкое к равновесному достигается в отдельных точках. Это приводит на одних участках к регенерации кварцевых зерен, а на других, где создается недостаток SiO2, в связи с образованием вторичной слюды (серицита, гдиромусковита), к разъеданию кварцевых зерен. Но в том и другом случае это в конечном счете приводит к появлению более прочных вторичных структурных связей и увеличению прочности пород. Катагенетические карбонаты образуют псевдоморфозы по обломкам эффузивов и полевых шпатов или полностью замещают глинистый цемент. Иногда замещение глинистого цемента приводит к образованию мергелей, а катагенетические преобразования приобретают характер метасоматических. Подвижными в этом случае оказываются не только щелочи, но и AI2O3. От типичных метасометических процессов катагенетические преобразования в углевмещающих породах отличаются тем, что они не приводят к образованию сколько-нибудь значительных по объему масс метасоматических пород, а приводят к возникновению своеобразных поликристаллических псевдоморфоз доломита, преимущественно по обломкам полевых шпатов и эффузивов. Важно отметить, что появление катагенетических карбонатов возможно при условии привноса углекислоты. Именно в результате углефикации растительного материала происходит высвобождение жидких и газообразных продуктов: воды, углекислоты, метана и других. При соответствующих термобарических условиях происходит перераспределение веществ в пределах угленосной толщи под воздействием поровых растворов, обогащенных газовыми компонентами (СО2, СН4, и др.). На стадии позднего катагенеза при повышении температуры до 300 °С скорость химико-минералогических преобразований заметно возрастает, что приводит к появлению регенерационных микростиллолитовых, конформных и других вторичных структур. Одновременно в породах исчезают пироксены, амфиболы, биотит и появляются новообразования в виде серицита (гидромусковита), карбонатов, хлорита. Регенерационные минералы развиваются на месте порового пространства, карбонаты вследствие привноса СО2 отлагаются не только в порах цемента, но и замещают первичные минералы, чаще всего плагиоклазы, а также обломки эффузивных и осадочных пород. Исследованиями установлено, что среди угленосных отложений Кузбасса наименьшие катагенетические изменения претерпели породы тарбаганской серии, вмещающие бурые угли. Минеральный состав обломочной части песчаников и алевролитов данной серии характеризуется высоким содержанием серицитовых и хлорит-серицитовых сланцев (до 50 %), кварца (25–30 %) и полевых шпатов (20–25 %). Следует подчеркнуть, что обломки полевых шпатов и кварца, как правило, свежие, в них не обнаружено следов замещения, растворения и регенерации. По данным электронно-микроскопических и рентгеноструктурных исследований, в глинистых породах и глинистом цементе обломочных сцементированных пород, присутствуют первичные гидрослюды и каолинит. О низкой степени литогенеза пород и углефикации углей тарбаганской серии свидетельствует присутствие в горных породах углистых включений с отчетливо выраженной клетчатой структурой растительной ткани (рис. 1). Следовательно, в начальную стадию катагенеза изменения минерального состава горных пород были крайне незначительными и существенного влияния на физико-механические свойства не оказали. Решающая роль в изменении физико-механических свойств на данной стадии принадлежала процессам гравитационного уплотнения. Горные породы кольчугинской серии находятся на средней стадии литогенетических преобразований и вмещают угли марок от длиннопламенных до жирных. Для отложений данной серии начало катагенетических преобразований установлено в обломочных сцементированных породах, вмещающих длиннопламенные угли, что выражается в частичном замещении полевых шпатов, обломков осадочных и эффузивных пород карбонатами (рис. 2). Вместе с тем в составе пород установлено довольно высокое содержание обломков средних и основных плагиоклазов (до 60–65 %), не претерпевших существенных изменений. Изучение глинистой фракции пород с помощью электронного микроскопа позволило сделать вывод, что присутствующие в ней глинистые минералы (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит) являются первичными. Катагенетические изменения в породах, вмещающих угли переходные от длиннопламенных к газовым, характеризуются дальнейшим развитием процессов замещения полевых шпатов (реже кварца) карбонатами. При этом установлено повсеместное разъедание плагиоклазов и кварцевых зерен карбонатами, что приводит к формированию новых связей между цементирующим веществом и обломочной частью пород. 86 Секция 3 Рис. 1. Клетчатое строение растительной ткани углистых включений в алевролите тарбаганской серии Рис. 2. Песчаник кольчугинской серии под микроскопом, николи скрещены, увел. 70. Начальная стадия катагенеза, характерно высокое содержание полевых шпатов (60–65 %). По контура обломков видны следы замещения карбонатом цемента в виде тонкой крустификационной каемки Граница сочленения замещающихся обломков с цементирующим веществом имеет вид шва. При катагенезе пород образование последнего сопровождалось раскристаллизацией вещества, нараставшего на обломки. Образовавшиеся таким образом вторичные связи являются более прочными по сравнению с первичными цементационными связями. Катагенетические преобразования пород, вмещающих газовые и газово-жирные угли, отличаются появлением в горных породах вторичных гидрослюд. На данной стадии в обломочной части пород происходило интенсивное замещение полевых шпатов карбонатным, реже глинистым веществом цемента. Одновременно наблюдалось растворение кварцевых зерен, сопровождающееся образованием причудливых кружевных форм, а также накоплением аутигенных минералов. Довольно часто аутигенный кварц, образует регенерационные наросты, а бесцветное опаловое вещество в виде пленочки обволакивает обломки. Изменения в составе пород, вмещающих жирные угли, имеют ту же направленность, но проявляются в еще большей степени. Горные породы балахонской серии находятся на самой высокой стадии литогенеза и вмещают угли марочного состава:от жирных до антрацитов. На стадии преобразования, соответствующей жирным углям, в обломочных горных породах балахонской серии наблюдается развитие процессов замещения полевых шпатов и эффузивов карбонатами, что приводит к образованию псевдоморфоз. В отдельных образцах песчаников установлено почти полное замещение эффузивов и полевых шпатов. Отмечается также повсеместное разъедание обломков веществом цемента, а на отдельных зернах развиты регенерационные наросты. Широким распространением в породах пользуется катагенетический доломит, который чаще развит по обломкам эффузивов (рис. 3). Полевые шпаты нередко замещаются карбонатами (рис. 4), одновременно по ним развивается серицит и мусковит. На рассматриваемой стадии происходит перекристаллизация карбонатов под большим давлением и замещение глинистого вещества цемента пород карбонатным. Рис. 3. Катагенетический доломит, развивающийся на месте обломка эффузивной породы в песчаниках балахонской серии, вмещающих угли марки ПА-А. Снимок под микроскопом, николи скрещены, увел. 400 Рис. 4. Замещение плагиоклаза кальцитом в полимиктовом песчанике балахонской серии. Стадия преобразования соответствует углям марки ПА-А. Снимок под микроскопом, николи скрещены, увел. 80 87 Роговские чтения Таким образом, вторичные изменения в горных породах, вмещающих угли от длиннопламенных до антрацитов, являются весьма существенными и играют немаловажную роль при формировании свойств пород, особенно их прочности. В широком диапазоне катагенетических преобразований пород и соответствующих им стадий углефикации установлены всевозможные вариации замещения карбонатами обломков – от частичного, еле заметного, в виде незначительной коррозии (на ранних стадиях преобразования) до полного замещения с образованием псевдоморфоз. Замещению чаще всего подвергались полевые шпаты (средние и основные плагиоклазы), эффузивы, осадочные породы. Вновь образованные псевдоморфные обломки, как правило, представлены доломитом, реже кальцитом. Следует подчеркнуть, что в процессе катагенетических преобразований изменялся не только состав пород, но и характер структурных связей, оказавших большое влияние на физико-механические свойства пород. Выполненный анализ результатов исследований физико-механических свойств горных пород Кузбасса позволил установить следующие закономерности их изменения на различных стадиях катагенеза (рис. 5). Рис. 5. Графики изменения физико-механических свойств горных пород Кузбасса на различных стадиях литогенеза: 1 – плотность; 2 – влажность; 3 – пористость; 4 – временное сопротивление сжатию; 5 – угол внутреннего трения; 6 – сцепление; а – песчаники; б – алевролиты Плотность минеральных частиц песчаников и алевролитов начиная с конечного диагенеза и кончая метагенезом изменяется крайне незначительно. Изменения плотности минеральных частиц песчаников, находящихся на стадии начального катагенеза, по сравнению со стадией конечного диагенеза не превышают 0,01 г/см3, а на стадиях среднего и конечного катагенеза и метагенеза различия в средних значениях этого показателя практически отсутствуют. Совершенно иная картина наблюдается с плотностью пород, в процессе формирования которой отчетливо выделяется три этапа. Первый этап характеризуется резким возрастанием плотности при переходе от конечного диагенеза к начальному катагенезу (рис. 5). Увеличение среднего значения 88 Секция 3 этого показателя здесь составляет для песчаников 0,3; а для алевролитов 0,28 г/см3. Второй этап характеризуется значительно меньшим приращением плотности в интервале между начальным и конечным катагенезом. Для песчаников оно составляет не более 0,17 г/см3, а для алевролитов – не более 0,11 г/см3. И наконец, начиная с конечного катагенеза и кончая метагенезом этот показатель увеличивается крайне незначительно как для песчаников (0,03 г/см3), так и для алевролитов (0,01 г/см3). В целом закономерности изменения данного показателя не зависят от литологического состава пород; все же на стадии диагенеза он выше у алевролитов, а на стадии метагенеза – у песчаников. Следовательно, решающее влияние на плотность пород оказали процессы уплотнения в постдиагенетический период. Начиная со среднего катагенеза и кончая метагенезом уплотнение пород является весьма затрудненным и не может обеспечить значительного их упрочнения. По мере возрастания степени литогенеза пород установлено закономерное уменьшение пористости и влажности. Среднее значение пористости песчаников снижается с 36 до 4,8 % на стадии метагенеза. Для алевролитов оно снижается соответственно с 33,68 до 5,02 %. Особенно резко снижается пористость пород на стадии начального катагенеза по сравнению с конечным диагенезом. Для песчаников это снижение составляет 22 %, для алевролитов – 20,44 %. В то же время на стадии метагенеза по сравнению с начальным катагенезом снижение пористости составляет для песчаников 9,2 %, для алевролитов – 8,22 %. Крайне незначительны отклонения в средних значениях пористости пород, находящихся на стадии конечного катагенеза и метагенеза (не более 1,44 % для песчаников и 0,28 % Для алевролитов). Как и в случае плотности, пористость пород Кузбасса в максимальной степени изменяется на стадиях конечного диагенеза и начального катагенеза, что, очевидно, обусловлено ведущей ролью процессов уплотнения пород при формировании их физико-механических свойств на упомянутых стадиях литогенеза. Дальнейшее увеличение давления на более высоких стадиях литогенеза не приводит к существенному изменению пористости; этому препятствует довольно высокая плотность упаковки частиц горных пород. Естественная влажность подчиняется тем же закономерностям, что и пористость (рис. 5). Ее максимальные значения наблюдаются у песчаников и алевролитов (0,186), находящихся на стадии конечного диагенеза. Затем на стадии начального катагенеза этот показатель уменьшается в обоих случаях в среднем на 0,16, а на стадии метагенеза – на 0,18. Колебания влажности пород, находящихся на стадии начального и конечного катагенеза, крайне незначительны (0,007); еще менее значительны они на стадии конечного катагенеза и метагенеза (0,0029). Отмеченные закономерности изменения влажности обусловлены особенностями изменения пористости на различных стадиях литогенеза. Установленные общие закономерности изменения физических свойств пород Кузбасса отличаются от закономерностей изменения прочностных показателей. Так, временное сопротивление сжатию на различных стадиях увеличивается примерно одинаково. Величина его приращения в интервале между конечным диагенезом и начальным катагенезом составляет для песчаников 29,6 МПа, а для алевролитов – 30,2 МПа. На конечной стадии катагенеза по сравнению со средней наблюдается увеличение временного сопротивления сжатию на 26,6 МПа для песчаников и на 26,4 МПа для алевролитов. Анализ результатов выполненных исследований показывает, что изменения временного сопротивления сжатию на различных стадиях литогенеза не отвечают изменениям физических свойств. Очевидным становится тот факт, что высокие приращения временного сопротивления сжатию на различных стадиях литогенеза не могут быть обусловлены только увеличением плотности и снижением пористости и влажности. На высоких стадиях литогенеза физические свойства изменяются крайне незначительно. Следовательно, решающим фактором упрочнения пород начиная со средней стадии катагенеза и вплоть до метагенеза являются изменения в составе, типе и прочности структурных связей, обусловленные изменениями минерального состава в постдиагенетический период. Важное значение при этом отводится гидролизу алюмосиликатов, способствовавшему образованию катагенетических карбонатов и замещению последними полевых шпатов, эффузивов, а также глинистого цемента пород. В тех районах Кузбасса, где геотектонические процессы постинверсионного периода проявились с наибольшей интенсивностью, они способствовали значительному снижению прочностных показателей. Так, для пород балахонской серии, развитых в Приколывань-Томской и Присалаирской зонах интенсивной линейной складчатости и находящихся на одинаковых стадиях преобразования, 89 Роговские чтения значения временного сопротивления сжатию близки и составляют в среднем 60 МПа. В Пригорношорской же зоне моноклиналей временное сопротивление сжатию пород достигает 120 МПа, а в югозападной части Присалаирской зоны интенсивной линейной складчатости составляет около 50 МПа. Последнее объясняется тем, что в пределах Присалаирской зоны линейной складчатости и разрывов горные породы интенсивно дислоцированы, смяты в кулисообразные складки с углами падения крыльев 70–90° и нарушены дизъюнктивной тектоникой. В Пригорношорской же зоне моноклиналей наблюдается значительно меньшая степень дислоцированности угленосных отложений, которые имеют моноклинальное, пологое (5–20°) залегание. Следовательно, процессы регрессивного литогенеза оказали исключительно большое влияние на прочностные показатели пород. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Инженерная геология угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока. Закономерности формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений / В.Е. Ольховатенко. – Томск : ТГУ, 1992. – Т. 1. – 258 с. 2. Ольховатенко, В.Е. Инженерная геология угольных месторождений Кузнецкого бассейна / В.Е. Ольховатенко. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. – 150 с. 90 Секция 3 УДК 550 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБНОГО ОСАЖДЕНИЯ КАЛЬЦИТА ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ Л.А. Строкова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: strokova@sibmail.com Микробно-индуцированное осаждение кальцита (MICP) – процесс цементирования с участием микроорганизмов, который улучшает геотехнические свойства горных пород в результате осаждения карбоната кальция, становится перспективным методом технической мелиорации грунтов. Эта технология в последние годы используется при производстве строительных материалов, создании водонепроницаемых барьеров, пленок для предотвращения утечек воды или загрязнителей из хранилищ. Как показано в лабораторных испытаниях, использование MICP приводит к увеличению жесткости грунта, снижению проницаемости и увеличению прочности на сдвиг. Ключевые слова: грунт, биоцементация, химические свойства, осаждение кальцита. Интерес к технологиям использования биологических процессов в геотехнической практике резко возрос в последнее десятилетие [1]. Первый международный семинар по биогеотехнологии в 2007 г. способствовал междисциплинарному обсуждению и определению приоритетов научноисследовательских тем в этой новой области [2]. Исследовательские программы по биогеотехнологии действуют более чем в 15 странах мира, выполнены серьезные исследования в этой области [3–8]. Второй международный семинар по биогеотехнологии был проведен в сентябре 2011 г. в университете Кембриджа. Этот семинар собрал 35 ведущих исследователей в этой области и предоставил возможность оценить достигнутые результаты, наметить основные проблемы и пути их решения. Одной из перспективных биогеотехнологий является микробное осаждение кальцита (microbially induced calcite precipitation – MICP). Она используется при производстве кирпичей, создании непроницаемых барьеров, пленок для предотвращения утечек воды или загрязнителей из хранилищ, цементировании песка, в частности, с целью обеспечить повышенную безопасность для зданий, расположенных в сейсмически активных районах, в прибрежных зонах. В настоящее время существуют две разновидности этой технологии: биоаугментация (где микробы вводятся в грунты) и биостимуляция (где стимулируются природные микробы). Биоаугментация, считается менее благоприятной для окружающей среды, чем биостимуляция, благодаря введению экзогенных (non-native) микробов, в некоторых случаях необходимость разрешений соответствующих контролирующих органов, значительные расходы, сложность практического использования. Биостимуляция считается более предпочтительной, т.к. проводится стимуляции роста микробов, которые адаптированы для этой среды, и значительно меньше трудностей в практическом исполнении. Тем не менее, существуют проблемы в получении равномерно обработанного грунтового массива, увеличении срока работ [9]. Исторически первым был способ биоаугментации, разработанный в Калифорнии. Метод предусматривает закачку во влажный грунт культуры микроорганизма Sporosarcina pasteurii. В ходе своей жизнедеятельности эта бактерия вырабатывает карбонат кальция – основной компонент известняков и мраморов, а также цемента. Таким образом, дисперсные грунты в обработанной зоне постепенно приобретают свойства, близкие к песчанику. Помимо сейсмической устойчивости, эта технология имеет и более очевидные применения, в том числе в борьбе с плывунами, подтоплением. Экспериментальная проверка предлагаемой методики проводилась в двухсотлитровых бочках, заполненных стерильным песком, к которому добавлялась бактериальная культура. В емкостях контролировалось: уровень необходимых для бактерий питательных веществ, содержание кислорода и другие параметры. Sporosarcina pasteurii известна своим свойством снижать кислотность почвы. Именно этот эффект приводит к тому, что ионы Сa2+ и CO32-, растворенные в грунтовых водах формируют нерастворимую соль, цементирующую грунт. Химические реакции, протекающие при микробном осаждении кальцита, приведены на рис. 1. Натурные испытания методики (рис. 2) выполнены в США [2, 3, 9–11], Нидерландах [12] и Японии [8], Сингапуре [4, 6, 13]. 91 Роговские чтения Рис. 1. Химические реакции при микробном осаждении кальцита: гидролиз, кислотно-щелочное равновесие и осаждение кальцита [12] Рис. 2. Представление масштабов изучения MICP [11]: a – структура фермента уреазы в пределах микробов; b – микробы Sporosarcina pasteuri; c – следы бактерий внутри осажденного кальцита; d – структура осажденного кальцита; e – зерна MICP-сцементированного песка; f – данные компьютерной томографии MICP-сцементированного песка; g – трехосные испытания MICP-сцементированного образца; h – моделирование трехосного испытания на сжатие MICP-образца; i – испытание образца методом резонансной колонки [9]; j – исследование радиального потока [11]; k – непроницаемый кожух MICP для водохранилища местного стока [13]; l – MICP обработка 100 м3 песка [12]; m – полевые испытания 92 Секция 3 По результатам рекомендуется применение этой технологии при возведении дамб и набережных, стабилизации грунтов вокруг тоннелей. Более того, предлагается также использовать бактерии для предотвращения распространения с грунтовыми водами различных опасных для экологической обстановки загрязнений. Эксперты отмечают, что использование биологических методов представляется логическим продолжением развития в этих областях, от механических технологий (таких как «стена в грунте»), а затем привлекшего чисто физические (замораживание, обжиг) и физико-химические методы (например, электросиликатизация). Идентификация различных технологических ограничений, таких как активность бактерий, скорость реакций, позволяют контролировать процесс MICP для его использования в геотехнической практике. Количество приложений MICP- технологий неуклонно возрастает в последние годы, начиная от улучшения механических и фильтрационных свойств горных пород, до иммобилизации тяжелых металлов и углекислого газа. Проведенные экспериментальные исследования, численное моделирование обеспечили значительный прогресс в понимании и контроле процесса MICP на объектах разного уровня от микро до макро. Дальнейшее развитие в этой области включает: оценку компонентов подземной экосистемы и их взаимодействие; картографирование и моделирование изменчивости структуры, состава горных пород и подземных вод, их динамику, а также бактериального разнообразия; совершенствование техники для мониторинга за процессом биоцементирования горных пород в режиме реального времени. Укрупнение задач требует обширных экспериментальных работ, тестирования гипотез благодаря присущей сложности природных систем. Экспериментальная работа должна быть дополнена строгими аналитическими решениями и численным моделированием для определения принципов управления природно-техногенной системой. Междисциплинарные исследования требуют большего взаимодействия между учеными и инженерами, формирования междисциплинарных рабочих групп и отделов. Последнее обстоятельство определяет подходы к подготовке специалистов нового поколения, способных использовать свой опыт и знания при работе в междисциплинарной команде. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Mitchell, J.K. Biological considerations in geotechnical engineering / J.K. Mitchell, J.C. Santamarina // J. Geotech. Geoenviron. Eng. – 2005. – № 131 (10). – Р. 1222–1233. 2. DeJong, J.T. Bio-soils interdisciplinary science and engineering initiative / J.T. DeJong, B. Mortensen, B. Martinez // Final Report on Workshop. – Arlingon, VA, USA : National Science Foundation, 2007. – 84 p. 3. Bio-mediated soil improvement / J.T. DeJong, B.M. Mortensen, B.C. Martinez [etc.] // Ecol. Eng. – 2010. – № 36 (2). – Р. 197–210. 4. Ivanov, V. Applications of microorganisms to geotechnical engineering for bioclogging and biocementation of soil in situ / V. Ivanov, J. Chu // Rev. Environ. Sci. Biotechnol. – 2008. – № 7 (2). – Р. 139–153. 5. Karatas, I. Microbially induced precipitation of calcite using pseudomonas denitrificans / I. Karatas, E. Kavazanjian, B.E. Rittmann // 1st International Conference on Bio-Geo-Civil Engineering, Netherlands. – 2008. – June 23–25. – Р. 58–66. 6. Ivanov, V. Microbial geotechniques. In Environmental microbiology for engineers / V. Ivanov. – Boca Raton, FL, USA : CRC Press, 2010. – Р. 279–286. 7. Seagren, E.A. Biomediated geomechanical processes / Seagren, E.A., Aydilek, A.H. // Environmental microbiology, 2nd edn ; eds R. Mitchell and J.-D. Gu. – Hoboken, NJ, USA : John Wiley & Sons, 2010. – Р. 319–348. 8. Evaluation of multiple soil improvement techniques based on microbial functions / T. Hata, M. Tsukamoto, H. Mori [etc.] // Proc. GeoFrontiers 2011: Advances in Geotechnical Engineering, Dallas, TX, ASCE Geotechnical Special Publication. – 2011. – № 211. – Р. 3945–3955. 9. Martinez, B.C. Experimental and numerical upscaling of MICP for soil improvement / B.C. Martinez // Doctoral dissertation, University of California, Davis, CA, USA. – 2012. 10. Reducing the risk of well bore leakage of CO2 using engineered biomineralization barriers / A.B. Cunningham, R. Gerlach, L. Spangler [etc.] // Energy Procedia. – 2011. – № 4. – Р. 5178–5185. 11. Biogeochemical processes and geotechnical applications: progress, opportunities and challenges . Géotechnique / J.T. DeJong [etc.]. – 2013. – V. 63. – № 4. – Р. 287–301. 12. Quantifying biomediated ground improvement by ureolysis: large-scale biogrout experiment / L.A. Van Paassen, R. Ghose, T.J.M. van der Linden [etc.] // ASCE J. Geotech. Geoenviron. Engng. – 2010. V. 136. – № 12. – Р. 1721–1728. 13. Formation of water-impermeable crust on sand surface using biocement / V. Stabnikov, M. Naeimi, V. Ivanov [etc.] // Cement Concrete Res. – 2011. – V. 41. – № 11. – Р. 1143–1149. 93 Роговские чтения УДК 550.311 ГЛОБАЛЬНЫЕ КАТАСТРОФЫ И КРИЗИСЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ А.В. Мананков Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: mav.39@mail.ru Научно-технический прогресс, преобразующий многие сферы деятельности, еще почти не коснулся геологии. Поступающая новая геологическая информация обрабатывается на основе старой традиционной методологии, как правило, игнорирующей новые подходы. Такое положение дел, естественно, временное и должно исправляться. В докладе представлен краткий обзор идей, рождающихся в интегративной геоэкологии и необходимых, в первую очередь, для научного обоснования стратегических рисков Земли с учетом волновой динамики и системных межгеосферных подходов. На основе евклидовой интерпретации образов риманова пространства разработана голографическая модель вещества, в которой доминирующим является органическое единство структурного многообразия мира и принципов внутри- и межструктурных взаимодействий. Структурированные системы – динамические голограммы, устойчивость которых характеризуется понятиями временной и пространственной когерентности. В соответствии с этим общие и частные вопросы геологии и геоэкологии исследуются с помощью исторического (временная когерентность) и систематического анализа (пространственная или собственно структурная когерентность). Создана электретная межгеосферная модель прогнозирования катастрофических процессов в литосфере и биосфере, практическая значимость ее в виде способа прогнозирования землетрясений подтверждается правовой защитой. Ключевые слова: стратегические риски России, прикладной системный анализ, межгеосферные явления, волновые процессы, когерентность, саморазвитие Земли, электреты в подземной грозе, предсказание катастроф. Стихийное развитие общества создало уникальную ситуацию, которая соответствует по сути эволюционному кризису человечества как биологического вида. Техногенез превратился в реальную геологическую силу и породил целый ряд крайне негативных тенденций (ресурсных, энергетических, продовольственных, демографических) и невиданных еще глобальных проблем в биосфере (урбанизация, бедленды, отходы производства и жизнедеятельности, загрязнение космического околоземного пространства, атмосферы, поверхностных вод и т. д.). За последние 50 лет количество природных катастроф на Земле увеличилось почти в три раза. Экономические потери выросли с нескольких млрд долларов до 85 млрд долл. в год. По прогнозам к середине XXI в. ежегодные ущербы от природных катастроф достигнут 300 млрд долл. Сопоставление роста ущербов и глобального валового продукта приводит к выводу, что к средине столетия боле половины всего прироста валового продукта будет уходить на покрытие растущих ущербов. Особую актуальность эти проблемы имеют для нашей страны. На территории России эксплуатируется около 2300 объектов повышенной опасности. Аварии и катастрофы на них с ущербом более 2 млн долл. совершаются один раз в 10–15 лет, с ущербом до 1 млн долл. раз в 8–12 мес. и с ущербом до 100 тыс. долл. раз в 15–45 дней. За последние 20 лет в природных и техногенных катастрофах погибло более 3 млн, а пострадало более 800 млн чел. и более миллиарда остались без крова. В начале ХХI в. природные и техногенныекатастрофы вошли в ряд важнейших естественнонаучных и политических проблем. Жизнь убедила, что человек на Земле превысил свои полномочия. На повестку дня выходят в той или иной мере вопросы философского осмысления сути человеческого бытия и взаимодействия человека с природой и Вселенной. Научное сообщество России создает новую, более эффективную стратегию, в которой приоритетной проблемой становится изучение стратегических рисков России (природных, техногенных, техногенно стимулированных), их прогнозирование и предупреждение. Для этой стратегии необходимы новые научные принципы, основанные на результатах научного прогресса в различных областях, от космических до атомно-ядерных. Эти принципы должны создаваться, в первую очередь, на фундаментальных геологических законах с привлечением прикладного системного анализа и межгеосферных подходов, которые смогут поменять параметры научного мышления [1–3]. В истории наук о Земле много примеров обратного содержания. Показательна ситуация в геологии, 94 Секция 3 где на принципах механического детерминизма и равновесной термодинамики создан целый ряд гипотез в рамках концепции мобилизма: контракции, расширения, пульсационная, неомобилизма, неопульсационная, ротационная, скучивания, скручивания и т. п. Почти как в афоризме Ж.А. Пуанкаре: наука – кладбище гипотез. Мобилизм (от лат. mobilis – подвижной) предполагает большие (до нескольких тыс. км) горизонтальные перемещения материковых глыб земной коры (литосферы) относительно друг друга и по отношению к полюсам в течение геологического времени. Мобилизм противопоставляется концепции фиксизма, исходящей из представлений о незыблемости (фиксированности) положений континентов на поверхности Земли и о решающей роли вертикально направленных тектонических движений в развитии земной коры. Сведения о подвижности материков начали высказываться в XIX в., еще до того, как в 1885 г. француз Жорж Дари впервые сформулировал гипотезу «подземной грозы».Научно разработанная гипотеза мобилизма была сформулирована впервые в 1912 немецким геофизиком и метеорологом А. Вегенером (теория дрейфа материков). В 1929 г. А. Вегенер представил описание модели дрейфа континентов, в который, на наш взгляд, логично суммируются гипотезы фиксизма и мобилизма. Модель включает четыре стадии: процесс раскола целого массива или части континента Пангеи, перемещение частей коры относительно их субстрата, процессы их вращения и, наконец, смещение одних частей относительно других. Современный вариант мобилизма – «новая глобальная тектоника» (или тектоника плит) в значительной мере основана на результатах изучения рельефа дна и магнитных полей океанов, а также на данных палеомагнетизма. Согласно этим представлениям, происходит медленное (в среднем 1–5 см в год) перемещение монолитных плит, включающих не только материковые глыбы, но и примыкающие к ним обширные области океанической коры вместе с самой верхней частью мантии. Плиты расходятся в обе стороны от срединноокеанических хребтов к молодым складчатым поясам (Анды, Гималаи) и островным дугам. Здесь происходит погружение переднего края одной из двух встречающихся плит на значительную глубину (до 700 км) вдоль наклонных разломов, характеризуемых высокой сейсмичностью. В материковой коре другой плиты под влиянием сжатия образуются складки и надвиги. На тыльной стороне перемещающихся глыб, т. е. у оси срединных океанических хребтов, возникают структуры растяжения – рифты. Подъём вещества из верхней мантии в «щель», раскрывающуюся при раздвигании плит, и последующее излияние базальтовых лав формируют в рифтовых зонах новообразованный слой коры; т. о. происходит расширение площади океанического дна. Скорость процесса в разных местах колеблется от 0,5 до 19,0 см/год. Динамизм литосферы в целом проявляется в четырех формах деформаций, выделенных великим российским ученым М.В. Ломоносовым. Помимо катастрофических деформаций, остальные три типа тектонических движений – колебательные, волновые и складчатые имеют явно волновую природу. Впрочем, и первый тип геодинамического движения может быть выражением суперпозиции большого числа гармонических колебаний различных частот [4, 5]. Наука геоэкология призвана интегрировать в себе достижения целого ряда смежных наук, занимаясь, по сути, проблемами взаимоотношений иерархически связанных уровней организации различных систем, используя при этом системный подход и идею обратных связей. Идея обратной связи означает отказ от жесткого детерминизма и признание за следствием право влиять на собственную причину [6–8]. Становление в свое время механистического, а затем энергетического (позитивистского) мировоззрения начиналось с достаточно глубокого (на каждом этапе развития науки) пересмотра представлений о пространстве и времени, то есть геометрических характеристиках научного познания. Первое было основано на геометрии Евклида, а второе – на геометрии пространства с кривизной. Естественным синтезом этих геометрий являются представления о принадлежности пространства с кривизной евклидову пространству в виде пространственно замкнутых динамических структур [9]. Теперь структуру (например, литосферу) можно рассматривать как резонансную, а проявление внешних воздействий (более высоких к ней, космических и мантийных) иерархических уровней следует отождествлять с гармонизирующим воздействием. На основе евклидовой интерпретации образов риманова пространства нами разработана голографическая модель вещества, в которой доминирующим представлением является органическое единство структурного многообразия мира и принципов внутри – и межструктурных взаимодействий. 95 Роговские чтения Структурированные системы являются динамическими голограммами, устойчивость которых характеризуется понятиями временной и пространственной когерентности. В соответствии с этим общие и частные вопросы геологии и геоэкологии исследуются с помощью исторического (временная когерентность) и систематического анализа (пространственная или собственно структурная когерентность). Замкнутые системы являются принципиально линейными системами, то есть любые частоты процессов системы есть гармоники других частот либо определяются разностями и суммами частот самой системы. Это следует из положений теории колебаний. А в противном случае любая система становится неустойчивой и, в конечном счете распадается, что переводит ее в класс открытых систем. Внутренние подсистемы за счет диссипативных процессов могут изменять свои частотные характеристики в сторону собственных резонансных частот, но вынуждающее воздействие высших иерархических уровней постоянно гармонизирует колебания внутренних систем [10]. Понятие геологического пространства появилось не сегодня. Еще В.И. Вернадский выделил физико-химическое пространство планеты. В качестве отправных точек геологического пространства выступают, с одной стороны, атомы или элементарные частицы, а с другой – макроскопические образования – от минералов, горных пород до геосфер. Известный тектонист Ю.А. Косыгин напрямую говорит о многомерных, то есть замкнутых пространствах. Голографическая модель позволяет осуществлять научный анализ экологических проблем и обладает прогностической ценностью, благодаря чему разработаны методологические основы динамических систем. С ее помощью выявлено основное противоречие, являющееся источником прогресса цивилизации, установлены периодическая повторяемость природных кризисов и механизмы их преодоления через изменение параметров когерентности – миграционно-экспансионистский и неотехнологический [11–14]. В свете голографической модели вещества, основанной на волновых процессах, традиционные гипотезы образования планет оказываются не вполне корректными. Характер движения вещества, начиная с начальных стадий аккреции необходимо должен соответствовать структуре замкнутого пространства, образованного параллельным переносом торовых поверхностей, в результате чего конденсированное тело формируется в виде полярного либо экваториального тора. Экваториальный тор протопланетного вещества эволюционирует, образуя соподчиненный центральному (Солнцу) полярный тор. В соответствии с этим образование планет в замкнутом тороидальном пространстве Солнечной системы отстоит по времени от появления Солнца на значительный промежуток времени. Установленное взаимодействие биосферы с объектами Солнечной системы однозначно доказывает существенную зависимость живой, а также неживой части биосферы от воздействия Солнца, планет Солнечной системы и других объектов Вселенной. В голографической модели вещественные структуры микро- и макроуровней представляются в виде динамических голограмм. Отсюда в исследовании структурирования систем становится чрезвычайно важным учет низкочастотных (низкоэнергетических) взаимодействий, которые традиционно «отбрасывались» ввиду кажущейся малости. К разряду таких малых воздействий относятся и вариации напряженности гравитационного поля, обусловленные космическими причинами и вращением планеты. Длиннопериодические возбуждения земной коры характеризуются малым затуханием и способны накапливаться в пределах крупных структурных блоков Земли, играющих роль резонаторов. Планета в целом, ее геоид, составные континенты, слагающие их горные постройки, является совокупностями комплексов резонаторов низкочастотных колебаний, в которых накапливается энергия ритмических внешних воздействий, и волновые процессы которых активно участвуют в формировании внутренних структур. Одним из таких резонаторов служит литосфера, разгрузка энергии которой осуществляется в форме импульсных процессов (землетрясений) или магматической и тектонической активности как тангенциальной, так и радиальной направленности. А вековой спор о доминанте между ними не круче другого спора о курице и яйце. Кривизна геоида, траекторий планеты и Солнечной системы обусловливают наличие ненулевых интегралов результирующих смещений в соответствующих временных периодах. Следствием этого является не только возбуждение динамических процессов в атмосфере и гидросфере, но и перемещение массивов земной коры на весьма значительные расстояния в течение галактического года. Таким образом, циклические гравитационные и электромагнитные воздействия реализуются в виде квазистационарных полей напряжений и оказывают влияние на геодинамику (пликативную и дизъюнктивную) планеты, развитие магматических процессов, на характер миграции флюидов в большом геологическом кругообороте вещества, на режим обводнения горных пород. Эти воздей96 Секция 3 ствия, без сомнения, участвуют в тонких процессах химических и биохимических взаимодействий в биосфере, которые отвечают за эволюцию биологических семейств, а также за глобальные экологические кризисы в геологической истории Земли. Радиальные приливные деформации, циклически распространяясь в породах литосферы как в сферическом волноводе, накапливают энергию и реализуются не только в виде «огненных колец», но и в форме глобальных литосферных линеаментов и глубинных тектонических разломов более высоких порядков. Детальный анализ процесса в развиваемой модели показывает, что глобальная линейная структура в пределе разграничивает литосферу на шесть крупных фрагментов, определяя, тем самым, общий облик планеты. Сами континенты, обладая свойствами резонаторов, формируют внутренние структуры напряжений, реализующихся в развитии сети разломов более низкого уровня с образованием различных структурных элементов (плиты, блоки и т. п.). Движение и перемещение горных пород сопровождается механоэлектрическими преобразованиями и ростом электромагнитных импульсов. Анализ результатов, полученных в космологии и геоэкологии, позволяет сделать вывод, что все живые организмы рождены живой оболочкой планеты – биосферой и через биосферу соединены с Космосом в целом. Все компоненты биосферы, включая живые организмы, испытывают гармоническое воздействие соседних небесных тел, активно реагируют на эволюционные и катастрофические процессы, происходящие на Солнце, планетах, в Солнечной системе и Вселенной. Академик М.А. Усов, выдающийся исследователь и основоположник Томской школы геологов скрупулёзно изучал катастрофы Земли [15], в средине 40-х гг. существенно развил общетеоретические представления В. Бухера и М.М. Тетяева о механизмах сжатия и растяжения в развитии Земли. Гениальная прозорливость Усова проявилась в том, что он расширил изучаемую систему за счет привлечения в нее новых знанийо природных объектах, впервые выдвинул гипотезу о саморазвитии Земли. Процесс саморазвития материи Земли, выражающийся в циклическом изменении ее объема, был гипотетически увязан с «различными атомистическими и молекулярными перегруппировками» [16]. Второй этап связан с именем профессора А.А. Воробьева, указавшего на роль установленных им электрических явлений при аномальных тектоногеомагнитных процессах. Под его руководством была возрождена гипотеза Ж. Дарии в ТПУ создано научное направление – «подземная гроза». Здесь получены новые результаты по исследованию импульсных электрических, электромагнитных и акустических излучений при фазовых переходах в горных породах, диэлектрических минералах, искусственных стеклах, кристаллах и материалах при тепловом, радиационном возбуждениях с участием ионизированных газов [17–20]. Сегодня результаты двух этапов получили всеобщее признание, и на их основе развиваются актуальные аспекты саморазвития материи и прогнозирования стихийных явлений различного уровня [21]. Нами создана электретная межгеосферная модель прогнозирования катастрофических процессов в литосфере, способ прогнозирования землетрясений получил правовую защиту [22]. В активных зонах под действием катастрофических факторов происходит высвобождение огромных масс энергии. Процесс сопровождается диспергацией минералов и горных пород до нано-и субмикрозернистых взвесей, которые способны к электризации и переходу в электреты различных генетических типов (механоэлектреты, термоэлектреты, электроэлектреты, фотоэлектреты, радиоэлектреты, трибоэлектреты, плазмоэлектреты). В рамках голографической модели непротиворечиво синтезируются достижения наук последних столетий. С позиции этой модели термин «самоорганизация» получает новое осмысление. Дело в том, что, например, атомные резонансы оказываются «тщательно подогнанными» к движению планеты по галактической орбите, а физиологические частоты мозга, сердца и других органов человека совпадают с частотами электромагнитного поля планеты и присутствуют в спектре солнечных колебаний. Таким образом, существует, можно сказать, принципиальная гармония в этом Мире, законами которой и организуются системы разного порядка. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Мананков, А.В. Межгеосферные явления при деформационных процессах в земной коре / А.В. Мананков // Развитие минерально-сырьевой базы Сибири: от В.А. Обручева, М.А. Усова, Н.Н. Урванцева до наших дней : матер. форума… – Томск : ТПУ, 2013. – С. 243–246. 97 Роговские чтения 2. Мананков, А.В. Итоги изучения быстропротекающих геологических процессов / А.В. Мананков // Развитие минерально-сырьевой базы Сибири: от В.А. Обручева, М.А. Усова, Н.Н. Урванцева до наших дней : матер. форума. – Томск : ТПУ, 2013. – С. 238–243. 3. Мананков, А.В. Геохимия самородных металлов и интерметаллических соединений на Земле, в метеоритах и на Луне. / А.В. Мананков // Структура и свойства металлов при различных энергетических воздействиях и технологических обработках : мат. научн. семинара с Междунар. участием, посвящ. юбилею проф. Э.В. Козлова. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2014. – С. 79–86. 4. Мананков, А.В. Основные направления развития геодинамики / А.В. Мананков, А.А. Локтюшин. // Проблемы геодинамики и минерагении Южной Сибири. – Томск : Изд-во ТГУ, 2000. – С. 5–15. 5. Локтюшин, А.А. Геодинамика Земли в голографической модели вещества / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков // Новые идеи в науках о Земле : матер. III Междунар. конф. – М., 1997. – Т. 1. – С. 95. 6. Мананков, А.В. Геологические проблемы экологии / А.В. Мананков // Природокомплекс Томской области. Т. 1. Геология и экология. – Томск : Изд-во ТГУ, 1995. – С. 184–192. 7. Мананков, А.В. Основы экологии. Теория, факторы, законы, кризисы и их преодоление / А.В. Мананков. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 1998. – 268 с. 8. Мананков, А.В. Экология в концепции непрерывной подготовки специалистов / А.В. Мананков // Проблемы непрерывной многоуровневой подготовки специалистов для Минатома РФ : матер. Межотраслевой научно-метод. конф. – Северск : Изд-во СГТИ, 2003. – С. 10–14. 9. Локтюшин, А.А. Пространственно-замкнутые динамические структуры / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков. – Томск : Изд-во ТГУ, 1996. – 123 с. 10. Локтюшин, А.А. Голографические принципы организации вещества / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков // Самоорганизация природных, техногенных и социальных систем : матер. 2-й Междунар. конф. – Алма-Аты, 1998. – С. 55–56. 11. Мананков, А.В. Механизмы преодоления экологических кризисов / А.В. Мананков // Соврем. средства и методы контроля при охране окружающей среды. – Пенза, 1992. – С. 7–8. 12. Мананков, А.В. Методология глубокой комплексной переработки твердых полезных ископаемых / А.В. Мананков, А.А. Локтюшин // Минеральное сырье и природа. – Новосибирск, 1990. – С. 7–8. 13. Мананков, А.В. Экология / А.В. Мананков. – Томск : Изд-во Томского ЦНТИ, 2003. –142 с. 14. Локтюшин, А.А. Основное экологическое противоречие и минеральное вещество / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков // Проблемы экологической минералогии и геохимии. – СПб., 1997. – С. 9–10. 15. Усов, М.А. Катастрофы в истории Земли / М.А. Усов // Природа. – 1916. – Апрель. – С. 438–462. 16. Усов, М.А. Геотектоническая теория саморазвития материи Земли / М.А. Усов // Известия АН СССР. Сер. геол. – 1940. – Вып. 1. – С. 3–10. 17. Мананков, А.В. Исследования процессов ситаллизации в стеклах пироксенового состава методом электропроводности, ТСТ и радиоизлучения / А.В. Мананков, В.Н. Сальников // Катализированная кристаллизация стекол : матер. Всес. симп. – М., 1978. – С. 31–33. 18. Мананков, А.В. Электропроводность и электромагнитная эмиссия пироксеновых стекол и ситаллов при высоких температурах / А.В. Мананков, В.Н. Сальников // Физика и химия стекла. – 1996. – Т. 22. – № 4. – С. 528–535. 19. Мананков, А.В. Электрофизические методы исследования минералов и композиционных материалов / А.В. Мананков, В.Н. Сальников // Современные методы минералого-геохимических исследований как основа выявления новых типов руд и технологий их комплексного освоения. – СПб. : Изд-во СПбГУ, 2006. – С. 196–198. 20. Сальников, В.Н. Определение температур превращений в технических и пироксеновых стеклах методом регистрации проводимости синхронно с импульсным электромагнитным излучением / В.Н. Сальников, А.В. Мананков // Труды Украинского ин-та стекла. – Константиновка, 1994. – С. 159–170. 21. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / под ред. В.В. Адушкина – М. : МФТИ, 2006. – 134 с. 22. Пат. 2516617. Способ прогнозирования землетрясений в пределах коллизионных зон континентов // А.В. Мананков, И.Д. Кара-сал, Б.К. Кара-сал ; зарегистр. в Госреестре 24 марта 2014 г. ; опубл. 25.05.2014, Бюл. № 14. 98 Секция 3 УДК 502.7:662.642 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИЙ ИШИДЕЙСКОГО И ХАНДИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ ИРКУТСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА О.А. Бычков, Е.М. Мухина Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:igg@tsuab.ru Охарактеризованы основные техногенные нарушения природной среды, возникающие при освоении территорий угольных месторождений. Приведена методика оценки состояния окружающей среды, реализованная на примере Ишидейского и Хандинского угольных месторождений. Обоснована экологическая целесообразность и нецелесообразность освоения указанных территорий. Ключевые слова: техногенные нарушения, ранжированная шкала воздействий, прогнозная матрица, метод упорядочивания альтернатив. Освоение, подготовка и обустройство территорий месторождений включает в себя целый комплекс инженерно-хозяйственных мероприятий по мелиорации, прокладке подъездных путей, сооружений мостовых переходов, размещения объектов горнодобывающей промышленности, жилищному и административному строительству и пр. При этом ущерб, наносимый окружающей среде, будет прогрессировать в связи с ведением горно-геологических работ. Специфика используемых технических решений, а также особенности сооружения и эксплуатации углеразрезов приводят к возникновению двух типов техногенных нарушений: горно-геологических и ландшафтно-экологических (рисунок). Техногенные нарушения Горно-геологические Ландшафтно-экологические Изменение рельефа территории. Изменение напряженнодеформированного состояния горных пород, снижение их прочности и устойчивости в бортах карьеров и в отвалах. Развитие опасных геологических процессов и явлений в бортах карьеров и в откосах отвалов. Изменение гидрогеологических условий и пр. для атмосферы-микроклиматические изменения, загрязнение и ухудшение качества воздуха; для гидросферынарушение гидрологического режима близлежащих водоемов, загрязнение и ухудшение качества вод; для почв – уничтожение, обеднение, загрязнение и ухудшение качества почв; для биоты – ухудшение условий жизнеобитания растений и животных; для экосистемы в целом – образование техногенного ландшафта Типы техногенных нарушений В качестве объекта воздействия при горно-геологических нарушениях выступает геологическая среда. Для такого типа нарушений отрицательные последствия ограничиваются районом месторождения. Ландшафтно-экологические нарушения, связанные с изменением структуры экосистем проявляются не только в пределах земельного отвода, но и на прилегающих территориях, оказывая межрегиональное воздействие на окружающую среду [2]. В этой связи практический интерес представляет оценка изменения состояния окружающей среды на территориях угольных месторождений при их освоении. 99 Роговские чтения Приведенная ниже методика была реализована на примере Ишидейского каменноугольного и Хандинского буроугольного месторождений Иркутской области. Авторами за основу взят метод упорядочивания альтернатив (факторов), который целесообразно применять при отсутствии каких-либо количественных данных, характеризующих тот или иной хозяйственный объект (технические параметры, технология производства, характеристики выбросов и сбросов, коэффициенты влияний и пр.). Прогноз, в данном случае, строится на потенциальных возможностях компонентов окружающей среды до определенного предела противостоять техногенным воздействиям. Очень полезно данный метод сочетать с широкими возможностями метода аналогий, позволяющего на основе уже имеющихся прецедентов, на качественном уровне оценивать ту или иную степень отрицательных воздействии на окружающую среду. Результирующим материалом является прогнозная матрица оценки воздействий планируемой хозяйственной деятельности [2]. Матрица строится на предварительной разработке ранжированной шкалы оценок воздействий. В данном случае, использована самая простая трехбалльная система – от 0 баллов (отсутствие или незначительное техногенное воздействие) до 2 баллов (сильное отрицательное воздействие) (табл. 1). Таблица 1 Ранжированная шкала оценок воздействий Баллы Объекты воздействия 1. Отчуждение площадей 2. Рельеф 3. Грунты 4. Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) 5. Гидрологический режим 6. Режим подземных вод 7. Почвенный покров 8. Неблагоприятные физико-геологические процессы и явления 9. Мерзлотный режим 100 0 баллов Отсутствие или незначительное воздействие Менее 10 % 1 балл Слабое отрицательное воздействие 10–30 % 2 балла Сильное отрицательное воздействие 30–50 % Изменение крупных Малозаметные изменения Слабое изменение в пре- и мелких форм рельефа в пределах естественных делах естественных коле- и создание новых положиколебаний баний тельных или отрицательных форм рельефа Локальные незначительные Обширные области измеизменения состава отложе- нения физико-механичесОтсутствие изменений ний, не приводящих к поких свойств, влияющих на тере устойчивости устойчивость Низкий Умеренный Высокий Локальное повышение Полное нарушение естеили частичное нарушение ственного стока, сильное естественного стока, слазагрязнение бое загрязнение Формирование обширных Отсутствие нарушений, Локальное повышение воронок депрессии, знакачество воды без измеили понижение УГВ, слачительное понижение нений бое загрязнение УГВ, сильное загрязнение Слабые изменения (срыв Разрушение почвенного дерна, смыв верхних гори- покрова, формирование Отсутствие или локальные зонтов), слабые изменения мощных загрязнений с проявления изменения физико-химических пара- изменением физикопочв метров почв, слабый глее- химических параметров генез почв, усиление глеегенеза Локальное или частичное Резкое увеличение колиОтсутствие геодинамиче- изменение в существую- чества и активизация геоских процессов щих геодинамических динамических процессов процессах (более 3-х) Локальная деградация Полная деградация мноОтсутствие нарушений многолетнемерзлых пород голетнемерзлых пород Отсутствие нарушений, качество воды без изменений Секция 3 Окончание табл. 1 Баллы Объекты воздействия 10. Растительность 11. Животный мир 0 баллов Отсутствие или незначительное воздействие 1 балл Слабое отрицательное воздействие Локальное уничтожение Гибель растительности растительности с послетолько в зоне производстдующей возможностью ва работ рекультивации Изменения в естественных пределах 2 балла Сильное отрицательное воздействие Гибель растительности на значительных участках, отсутствие возможности рекультивации Снижение численности Временное снижение чис- популяций до критическоленности популяций го уровня, потери мест обитания видов На основе разработанной ранжированной шкалы была построена прогнозная матрица влияния хозяйственной деятельности на выбранные компоненты окружающей среды. Проставленные баллы суммировались, и выводилась общая оценка, на основании которой дается прогноз о степени неблагоприятных воздействий при планируемом освоении территорий месторождений (табл. 2). Таблица 2 Прогнозная матрица Месторождение Ишидейское Хандинское 1 2 2 2 1 2 3 1 2 4 1 2 Номер объекта воздействия 5 6 7 8 2 1 2 1 2 2 2 2 9 1 2 10 1 1 всего 13 19 Таким образом, можно отметить следующее: 1. Территория Хандинского месторождения характеризуется экстремальными условиями освоения. Прогнозируется полное изменение внутренней структуры ландшафта и связей между его компонентами, деградация ландшафта. Признается экологическая нецелесообразность формирования и функционирования в пределах месторождения природно-технических систем. 2. Природные комплексы территории Ишидейского месторождения имеют более высокие средозащитные функции в отличие от Хандинского месторождения. При освоении месторождения будет происходить частичное разрушение структуры ландшафта и перестройка связей между его компонентами. Стабилизация возможна при осуществлении мероприятий по инженерной защите. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Дончева, А.В. Экологическое прогнозирование и экспертиза: Практика / А.В. Дончева. – М. : АспектПресс, 2002. – 286 с. 2. Бычков, О.А. Прогнозная оценка состояния геотехнических систем при освоении территорий./О.А. Бычков, Е.М. Мухина // Ишидейского и Хандинского угольных месторождений. Кучинские чтения : материалы юбилейной научной конференции, посвященной 120-летию со дня рождения профессора М.И. Кучина (Томск 23–25 октября 2007 г.). – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2007. – С. 78–80. 101 Роговские чтения УДК 625.7/.8:004 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ, ОДНОРОДНЫХ ПО ГЕОКОМПЛЕКСАМ, ПРИ ДОРОЖНОМ РАЙОНИРОВАНИИ С.В. Ефименко, А.В. Сухоруков, В.Н. Ефименко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: svefimenko_80@mail.ru Отражена проблема организации и интеграции информационных потоков, учитывающих геокомплексы зонального и интразонального характера при территориальном дорожно-климатическом районировании. Показана схема сбора и обработки данных на этапах выделения зон, подзон и дорожных районов. Актуальность материалов статьи обусловлена недостаточным учётом особенностей природно-климатических условий при проектировании автомобильных дорог во вновь осваиваемых районах России, например, Сибири и Дальнего Востока. Ключевые слова: автомобильная дорога, дорожные зона-подзона-район, геокомплексы зонального, интразонального характера, этапы дорожно-климатического районирования. Введение Недостаточный учёт действующими в дорожной отрасли нормативными документами особенностей природно-климатических условий западно-сибирского и других регионов России обеспечивает снижение надёжности автомобильных дорог ещё при приёмке их в эксплуатацию. Это приводит к значительным материальным и экономическим потерям в течение их жизненного цикла, связанным с приведением транспортных сооружений в требуемое по условиям движения состояние. Задачи учета географических комплексов при проектировании и строительстве дорог в настоящее время решаются, главным образом, на основе метода дорожно-климатического районирования территорий. За единицу дорожно-климатического районирования исследователи-дорожники еще в середине прошлого столетия приняли «зону» [1, 2]. Под зоной понимают широкую полосу на земной поверхности, характеризующуюся определенным сочетанием тепла и влаги, которое обуславливает в её пределах развитие определенных и взаимосвязанных типов почв и растительности. При составлении действующих в настоящее время норм проектирования транспортных сооружений, учтены результаты исследований, выполненных известными в России специалистами и их учениками на московском и ленинградском узлах автомобильных дорог начиная с тридцатых годов прошлого столетия [3, 4]. Полученные ими сведения были распространены на другие территории, включая Западную Сибирь и документально оформлены в виде требований и рекомендаций, к сожалению, далеко не всегда прошедших качественную проверку на вновь осваиваемых территориях. В настоящее время в некоторых регионах России осуществляются работы, направленные на уточнение границ дорожно-климатических зон. Решение задач, связанных с районированием отдельных территорий, исследователи реализуют как путём совершенствования существующего опыта покомпонентного наложения схем распространения геокомплексов зонального, азонального, интразонального и регионального характера, так и с привлечением ранее не применявшихся приёмов, в частности – математических. Что касается зарубежной практики в вопросах раонирования территорий, то здесь удачным можно отметить опыт США [5]. К сожалению, недостаточная разработанность критериев однородности и целостности выделяемых районов, правил выбора элементов наблюдения, назначения географических границ, а также разнородность приёмов сбора и обработки исходных данных, тормозят эффективное использование решений, предлагаемых к внедрению в организациях дорожной отрасли. Подобные исследования в регионах России сегодня носят локальный характер и касаются лишь отдельных административных образований, что обусловлено сложностью исполнительской организации работ, значительными трудовыми и финансовыми затратами при их проведении. При отсутствии единой идеологии выполнения работ результаты, представленные разными исполнителями, трудно поддаются стыковке. Работа поддержана грантом РФФИ (проект № 14-07-00673 А). 102 Секция 3 Отмеченное обуславливает актуальность настоящей работы. Актуальность исследований по обоснованию территориального распространения границ дорожно-климатических зон с учетом особенностей геокомплексов зонального, интразонального и регионального характера обусловлена отсутствием единой (в рамках Российской Федерации) методологии выполнения работ по районированию территорий, учитывающей особенности протекания водно-теплового режима грунтов земляного полотна автомобильных дорог, формирующегося под влиянием тех или иных природно-климатических условий. Постановка задачи Уточнение метода дорожно-климатического районирования по мнению специалистовдорожников должно идти по пути дополнительной структуризации территорий [6, 7], занимаемых зонами с выделениемподзон и дорожных районов, например, на основе таксономической схемы: «зона – подзона – район» [8, 9]. В этой системе таксон «дорожный район» соответствует генетически однородной территории, характеризуемой типичными, свойственными только ей геокомплексами (климатом, геологией, рельефом местности и другими условиями). Внутри территории дорожного района однотипные дорожные конструкции, прежде всего земляное полотно и дорожная одежда, должны характеризоваться примерно одинаковой прочностью и устойчивостью. Основным геокомплексным признаком подзон является рельеф. По характеру рельефа местность подразделяют на равнинную, холмистую и горную. Руководящим критерием при выделении подзонпринятаморфоструктура, существенно влияющая на проектирование, строительство и эксплуатацию автомобильных дорог. Таксон «зона» объединяет соподчиненные понятия «район» и «подзона» в систему, характеризующую земную поверхность с однородным распределением тепла и влаги, определяющих развитие определенных типов почв и растительности. Краткая информация о проблемной области Методическая схема уточнения территориальной дислокации границ дорожно-климатических зон в системе «зона – подзона – район» должна включать три стадий исследований [7]. Первая стадия направлена на формирование информационной базы для моделирования показателями геокомплексов зонального и интразонального характера. К зональным признакам относят климатические условия, определяющие протекание водно-теплового режима грунтов земляного полотна автомобильных дорог региона (средние, максимальные и минимальные температуры воздуха, количество и сезонное распределение осадков, испарение с поверхности суши, высоту снежного покрова, глубину и скорость промерзания земляного полотна автомобильных дорог, влагообеспеченность территории). Интразональные природные факторы могут существенно изменяться в пределах территории каждой зоны. Среди подобных признаков можно считать: рельеф местности, гранулометрический состав грунтов и др. Показатели, учитываемые при районировании, можно назначить на основе полевых и лабораторных исследований, учёта особенностей водно-теплового режима грунтов земляного полотна автомобильных дорог [10], а также по справочным источникам применительно к опорным пунктам (населенные пункты) находящимся в пределах территориального распространения зон, вблизи от гидрометеорологических станций. Вторая стадия исследований по дорожному районированию территории Западной Сибири состоит в покомпонентном наложении схем распространения элементов геокомплексов, с привлечением математических приемов обработки характеристик, включенных в информационную базу [11]. Особенности решения задач второй стадии работы по установлению географического расположения границ дорожных районов в пределах территориального распространения зон детально рассмотрены нами ранее в работах [10]. Третья стадия работы направлена на корректировку положения границ районов и зон в пределах смежно расположенных административных образований, территориально расположенныхна значительных по площади регионов, например, в Западной Сибири. Информационные системы в дорожно-климатическом районировании Математические алгоритмы уточнения дислокации границ зон, подзон и дорожных районов учитывают операции над векторами, поэтому все исходные для моделирования данные представляют в виде матрицы информации [9, 12]: 103 Роговские чтения I1 I2 ... X1 Ii ... In X2 X j Xm x11 x21 ... xi1 ... x n1 x12 ... x1 j ... x22 ... x2 j ... ... ... ... ... xi 2 ... xij ... ... ... ... ... xn 2 ... xnj ... x1m x2 m ... xim ... xnm В строке матрицы приведена единообразная последовательность характеристик анализируемых признаков, в вертикальном столбце – фиксированная последовательность рассматриваемых опорных пунктов. Здесь хij – значение j-го признака в опорном пункте с номером i; m – количество признаков (число столбцов матрицы), характерных для опорных пунктов; n – количество опорных пунктов; Xj – j-й столбец матрицы; Ii-i-я строка матрицы в которой записана информация об i-м опорном пункте. Исходные данные стандартизируют, представляя их безразмерными случайными величинами с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией. С помощью метода главных компонент факторного анализа находят один главный фактор, комплексно описывающий дорожно-климатическую зону. Этот фактор и является линейной комбинацией параметров и служит критерием отнесения исследуемой территории к той или иной дорожноклиматической зоне. По известным значениям фактора для опорных пунктов строят полином f(x, y), где x, y – координаты точки земной поверхности. Коэффициенты полинома определяют методом наименьших квадратов и строят линии уровня полинома, по которым определяют границы дорожно-климатических зон, подзон и районов по группам интразональных и региональных параметров. После чего производят наложение полученных результатов и выделяют однородные территории по принятым признакам. Картированное положение границ для смежно расположенных территорий, например, административных образований, как правило, не совпадает на пограничных отрезках. Поэтому для найденных выражений Ф1(x, y) и Ф2(x, y) двух соседних административных образований, для соединения границ можно воспользоваться следующим решением. Если имеется точка пересечения, то будем считать, что в этой точке одна линия переходит в другую. Если же точка пересечения в областях отсутствует, то примем: 3( x, y ) 1( x, y ) b x d y 2( x, y ) x a y c b a d c , a xb, c yd , где (а, с) и (b, d) – на линиях Ф1(x, y) = С и Ф2(x, y) = С, соответственно. В качестве точек (а, с) и (b, d) могут быть взяты, например, точки пересечения линий Ф1(x, y) = С и Ф2(x, y) = С с общей границей административных образований или близкие к этой границе точки, если линии не пересекают границу. Разделение изучаемой территории на зоны производится с помощью линий уровня выражений Ф11(x, y), Ф21(x, y), Ф31(x, y) (и так далее для всех административных образований). Разделение изучаемой территории на подзоны производится с помощью линий уровня выражений Ф12(x, y), Ф22(x, y), Ф32(x, y) (и так далее), соответствующих второму главному фактору. Наложение полученных результатов совместно с данными по региональным факторам позволяет выделить однородные территории, обозначаемые в соответствии с таксонометрической системой: дорожная зона – подзона – район [13]. Заключение Среди вопросов, связанных с реализацией предложенной нами методической схемы структурированного выполнения работ по дорожно-климатическому районированию можно выделить: – критериальное обоснование требований к формированию информационной базы для обоснования территориального распространения границ дорожных районов, подзон и зон в пределах регионально объединённых административных образований; 104 Секция 3 – развитие алгоритмов выявления различного рода закономерностей (неинформативных, альтернативных, зависимых, обязательных, псевдообязательных и т. д.); – развитие логического вывода на основе тестовых методов распознавания образов с применением глубоких логико-комбинаторных оптимизирующих преобразований в пространстве оптимального подмножества признаков и применение оригинальных средств когнитивной графики. Суть последней позиции состоит в том, что в соответствии с существующими представлениями [7] на территории, например, Западной Сибири выделено 4 дорожно-климатические зоны (ДКЗ):I – с распространением многолетнемёрзлых грунтов; II – с избыточным увлажнением грунтов (гидротермический коэффициент увлажнения Селянинова ГТК > 1,40); III – со значительным увлажнением грунтов в отдельные годы (ГТК = 1,00–1,40) и IV – с недостаточным увлажнением грунтов (ГТК = 0,50–1,00). Для рассматриваемой территории характерны три подзоны по рельефу местности – равнинная, холмистая и горная. Предварительный анализ показывает, что в пределах административных образований на территории I ДКЗ можно выделить 3 дорожных района. В пределах административных образований на территории II ДКЗ по особенностям рельефа местности и распространению растительности можно обозначить 5 дорожных районов. На территории III ДКЗ по тем же признакам можно условно выделить 5 дорожных районов, а в IV ДКЗ 2 дорожных района. Предлагаемый методический подход к уточнению границ дорожно-климатических зон на обширной территории России может способствовать более качественному учёту природноклиматических условий при проектировании, строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог в регионах со слабо развитой сетью автомобильных дорог и, соответственно, обеспечивать снижение транспортных и эксплуатационных затрат в течение их жизненного цикла. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бабков, В.Ф. Основы грунтоведения и механики грунтов / В.Ф. Бабков, А.В. Гербурт-Гейбович. – М. : Автотрансиздат, 1956. – 308 с. 2. Преферансова, Л.И. Влияние природных условий местности на устойчивость грунтовых оснований усовершенствованных дорог / Л.И. Преферансова // Проектирование грунтовых оснований усовершенствованных покрытий с учетом их работы в зимних условиях. – М. : Дориздат, 1953. – С. 5–39. 3. Тулаев, А.Я. К вопросу характеристики участков, подверженных пучинообразованию / А.Я. Тулаев // Строительство дорог. – 1935. – № 8–9. – С. 16–19. 4. Пузаков, Н.А. Исследование дорожного полотна / Н.А. Пузаков. – Л. : Ленгострансиздат, 1935. 5. Richlinien fur dieStandartisierung des Oberbaues von VerkehrsfiuchenRStO 01. – Ausgabe, 2001. 6. Ярмолинский, А.И. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока / А.И. Ярмолинский, В.А. Ярмолинский. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2005. – 197 с. 7. Ефименко, В.Н. Методические основы дорожно-климатического районирования территории Юго-Востока Западной Сибири / В.Н. Ефименко // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2002. – № 10. – С. 87–90. 8. Russam, K. The Effect of Climatic Factors on Subgrade Moisture Conditions / K. Russam, J.D. Coleman // Geotechnique. – 1969. – V. XI. – № 1. – March. – Р. 22–28. 9. Zapata, C.E. Calibration and validation of the enhanced integrated climatic model for pavement design / C.E. Zapata, W.N. Houston. – Washington, D.C. : Transportation Research Board, 2008. – 62 p. 10. Ефименко, В.Н. Влияние водно-теплового режима на изменчивость транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог/ В.Н. Ефименко, Д.Д. Кон // Перспективные, экономичные и долговечные конструкции автомобильных дорог и технология их сооружения : тезисы XI Всесоюзной научно-исследовательской конференции. – М. : СоюздорНИИ, 1987. – С. 13. 11. Ефименко, С.В. К уточнению схемы дорожно-климатического районирования территорий на примере районов Западной Сибири / С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко, А.О. Афиногенов // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 1. – С. 125–134. 12. Куприянова, Т.П. Принципы и методы физико-географического районирования с применением ЭВМ / Т.П. Куприянова. – М. : Наука, 1977. – 126 с. 13. Ефименко, С.В. Применение информационных систем при уточнении границ дорожно-климатических зон / С.В. Ефименко, Д.Н. Черепанов // Вестник МГСУ. – 2013. – № 6. – С. 214–222. 14. CНиП 2.05.02–85*. Автомобильные дороги. Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 2004. – 56 с. 105 Роговские чтения УДК 551.582:625.7(571.15) УТОЧНЕНИЕ ГРАНИЦ ДОРОЖНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ С.В. Ефименко, Т.А. Кожухарь, М.В. Бадина, А.А. Краевский Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: igg@tsuab.ru В статье представлены результаты уточнения границ дорожно-климатических зон территории Республики Алтай. Рассмотрены особенности климатических и орографических условий территории. Отражены особенности климатических условий и их влияние на вертикальную климатическую поясность, рельеф, растительность и почвы. Полученные результаты дорожно-климатического районирования Республики Алтай будут способствовать обеспечению качества проектирования транспортных сооружений в данном районе. Ключевые слова: дорожно-климатическое районирование, зона, подзона, дорожный район, климат, рельеф, широтная зональность, высотная поясность. Недостаточный учёт действующими отраслевыми нормативными документами особенностей природно-климатических условий Западно-Сибирского и других регионов России способствует снижению эксплуатационной надёжности транспортных сооружений (ещё на стадии проектирования), а также провоцирует необходимость значительных затрат на приведение их в требуемое по условиям движения состояние. Это обусловлено, прежде всего, тем, что нормы проектирования транспортных сооружений на территории России дифференцированы дорожно-климатическим районированием, нашедшим отражение в СНиП 2.05.02–85* [1] и его актуализированной версии СП 34.13330.2012 [2]. Существующее дорожно-климатическое районирование, разработанное в середине прошлого столетия, нельзя признать полностью удовлетворяющим требованиям по обеспечению качества проектирования и строительства автомобильных дорог. Каждая дорожно-климатическая зона, особенно II, имеет огромную протяжённость с Запада на Восток и является единым географическим целым [3], но объединяет районы европейской и азиатской частей России, характеризуемые климатическими и природными условиями, имеющими существенные различия. В настоящее время в некоторых регионах России осуществляются работы, направленные на уточнение границ дорожно-климатических зон. Решение задач, связанных с районированием отдельных территорий, исследователи реализуют как путём совершенствования существующего опыта покомпонентного наложения схем распространения геокомплексов зонального, азонального, интразонального и регионального характера, так и с привлечением ранее не применявшихся приёмов, в частности – математических. К сожалению, недостаточная разработанность критериев однородности и целостности выделяемых районов, правил выбора элементов наблюдения, назначения географических границ, а также разнородность приёмов сбора и обработки исходных данных, затрудняют эффективное использование решений, предлагаемых к внедрению в организациях дорожной отрасли. Подобные исследования в регионах России сегодня носят локальный характер и касаются лишь отдельных административных образований, что обусловлено сложностью исполнительской организации работ, значительными трудовыми и финансовыми затратами при их проведении. При отсутствии единой идеологии выполнения работ результаты, представленные разными исполнителями, трудно поддаются стыковке. Процесс районирования представляет собой сложную систему, состоящую из ряда взаимосвязанных элементов, таких, как выбор модели представления, масштаба исследования, вида первичных объектов наблюдения, способов размещения и описания этих объектов, а также последующей обработки данных и интерпретации результатов. Разнородность этих элементов создает различные возможности для формализации. В тоже время, обращение к формализованным приемам даже на отдельных этапах районирования вследствие взаимосвязи элементов, влечет за собой перестройку всей системы (процесса районирования) в целом. Поэтому, в исследованиях, проводимых с помощью 106 Секция 3 формализованных методов, важное место занимает увязка всех элементов районирования, на каждом из этапов, переложение задач связанных с этим процессом на математический язык и выработка подходов к интерпретации результатов. Только при удовлетворительном решении названных методических задач применение математических приемов будет успешным [1]. Специалистами кафедры «Автомобильные дороги» Томского государственного архитектурностроительного университета была проделана работа по уточнению границ дорожно-климатических зон и выделению дорожных районов применительно к территории Западной Сибири [1]. При этом дорожный район представляет собой генетически однородную территорию, характеризуемую типичными, свойственными только ей климатом, геологией, рельефом местности и другими условиями. Внутри территории дорожного района однотипные дорожные конструкции, прежде всего земляное полотно и дорожная одежда, должны характеризоваться примерно одинаковой прочностью и устойчивостью [4]. Республика Алтай находится почти в середине Азиатского материка, недалеко от Центральной Азии, и удалена на большие расстояния от океанов. Поэтому климат имеет черты резкой континентальности. Однако климат отличается от климата Западно-Сибирской равнины: зима теплее, лето прохладнее, осадков больше. Рассматриваемая территория удалена от Северного Ледовитого океана, но влияние его все же сказывается, так как рельеф Западно-Сибирской равнины не препятствует продвижению арктических воздушных масс. В сильно трансформируемом состоянии эти массы доходят до северных отрогов гор, проникают по долинам во внутренние территории и оказывают влияние на типы погод. Республика Алтай находится под действием западной циркуляции. Основное количество влаги выпадает из воздушных масс приходящих с Атлантического океана. Осадки распределяются неравномерно, в западной части количество осадков доходит до 1500 мм и более в год, а на юго-востоке до 123–200 мм. Наибольшее количество осадков выпадает в теплый период года [5]. Разнообразный рельеф имеет большое значение для климата, создавая вертикальную климатическую поясность, неравномерное распределение осадков, температур, застой холодного воздуха в межгорных котловинах зимой, сильное их нагревание летом и возникновение горнодолинных ветров – фёнов. Зима холодная малоснежная в предгорьях и многоснежная в горах, но менее суровая, чем на соседних равнинах [6]. Зимой господствуют сухие, холодные юго-западные ветры. При антиклинальном типе погоды в межгорных котловинах застаивается холодный воздух и фиксируются наиболее низкие температуры. На западе и севере Алтая усилены циклонические черты погоды (повышенные облачность, температура и годовое количество осадков). Средняя температура января – 12,6 °С, абсолютный минимум до –50 °С. На западных склонах хребтов и в долинах, открытых на запад, выпадает значительное количество снега – в среднем 30–40 мм в месяц. В межгорных котловинах центральной части циклоническое влияние ослаблено и резко преобладает антициклональный тип погоды – безветренная, безоблачная, сильно морозная. Средняя температура января –22,6 °С. На юго-востоке в степи средняя температура января –31,7 °С, абсолютный минимум достигает –60,2 °С. Мощность снегового покрова всего 7 см, на глубине 1 м развита многолетняя мерзлота. Лето на Алтае значительно прохладнее и короче, чем в соседних степях. Особенно прохладно в горах на высотах более 1000 м. Средняя температура июля в предгорьях поднимается до 19 °С, на высотах около 1000 м 14–16 °С, на высоте 2000 м температура наиболее теплого месяца 8–10 °С. На некоторых хребтах уже на высоте 2300 м проходит снеговая линия. В южной части под влиянием сухого тропического воздуха пустынь Средней Азии формируются полупустынные черты климата, что выражается в частой повторяемости засушливых погод, редко бывают дожди. Средняя температура июля 21,8 °С. С увеличением высоты засушливые погоды повторяются реже, и увеличивается количество дней с облачной и дождливой погодой. В западной и северной частях, преобладают пасмурные и дождливые погоды, так как процесс прогревания ослаблен под влиянием развития облачности и обильных осадков. Средняя температура июля 18,4 °С, максимальная температура достигает в Чемале 37,5 °С. Современное оледенение Республики Алтай сосредоточено в наиболее высоких хребтах, также имеются небольшие ледники в отдельных окраинных и внутренних хребтах. Известно 827 ледников, общая их площадь составляет 629 км2. На развитие современного оледенения Алтая оказы107 Роговские чтения вают влияние климатические и орографические условия, взаимодействие которых определяет характер оледенения [6]. Почвы и растительность Республики Алтай разнообразны. Распространение почвенно-растительного покрова подчинено законам широтной зональности и высотной поясности. В северо-западных и западных предгорьях степи равнин переходят в горные степи и лесостепи. На склонах гор господствует лесной пояс, сменяющийся на наиболее высоких хребтах поясом субальпийских, альпийских лугов и горной тундрой, над которой на наиболее высоких вершинах возвышаются ледники. Переход одного пояса в другой происходит по-разному, в зависимости от рельефа. На крутых скалистых обнажениях границы между поясами четкие, а при пологом рельефе один пояс в другой переходит постепенно. В северных и западных частях границы поясов ниже, чем на южных и восточных. На крайнем северо-востоке лесной пояс сливается с тайгой Горной Шории, Кузнецкого Алатау и далее с Западной и Средней Сибирью. Республика Алтай находится между 48 и 52° с. ш. На Русской и Западно-Сибирской равнинах, между этими широтами большая часть территории занята степной зоной, а на территории Республики Алтай господствуют горная тайга и горная тундра [7]. Границы горных сооружений хорошо очерчены: на севере и северо-западе Республика Алтай граничит с Кузнецким Алатау, Салаирским кряжем и Западно-Сибирской равниной, от которой отделен прямолинейным сбросовым уступом высотой 300-5000 м. На северо-востоке соединяется с Западным Саяном. На западе отроги Алтая спускаются к Прииртышской депрессии. Южная граница Алтая фиксируется тектоническим разрывом между Южным Алтаем и Зайсанской депрессией. На юго-востоке, у горного узла Табын-Богдо-Ола (Табын-Богдо), Алтай граничит с Монгольским Алтаем. В орографическом отношении Республику Алтай обычно делят на пять частей: южную, восточную, центральную, северо-западную и северо-восточную. В южную часть входят крупные хребты с высотой от 1200 до 4300 м. Южный Алтай характеризуется малой расчлененностью, высокими, труднопроходимыми перевалами, крутыми северными и относительно пологими южными склонами. Восточная часть образована высокими хребтами (3000–4356 м), расположенными к северу от Табын-Богдо и имеющими преимущественно северное и северно-западное простирание. В центральную часть входят две горные цепи. Южная состоит из высоких хребтов – ЮжноЧуйского и Катунского и более низкого хребта – Листвяга. Северная часть начинается СевероЧуйским, переходящим западнее долины р. Катунь в Теректинский хребет. Высота хребтов от 2600 до 4500 м. Многие хребты поднимаются выше снеговой линии и имеют современное оледенение. Между хребтами располагаются межгорные впадины, которые прорезаны речными долинами. Северо-западная часть состоит из средневысотных хребтов, веерообразно отходящих от хребтов центральной части. Многие хребты имеют высоты ниже верхней границы леса, поэтому их вершины покрыты сибирской тайгой. На запад и северо-запад они постепенно снижаются и переходят в соседние равнины Западной Сибири. Северо-восточная часть расположена между Северо-Чуйским и Теректинским хребтами на юге, Шапшальским на востоке, Салаирским кряжем и Кузнецким Алатау на севере. К востоку от Телецкого озера почти по меридиану простирается хребет Корбу, а за ним Абаканский. Хребты разделены глубокими долинами, а на востоке Чулышманским плоскогорьем, по которому протекает р. Чулышман, впадающая в Телецкое озеро. На территории Республики Алтай выделяется три основных типа рельефа: поверхность остаточного древнего пенеплена, высокогорья с ледниковой и нивальной обработкой (альпийсколедниковый рельеф) и эрозионно-денудационный среднегорья и низкогорья [8]. Древний пенеплен представляет собой высокие горные массивы с выровненными поверхностями и крутыми, часто ступенчатыми склонами. Над поверхностью пенеплена поднимаются отдельные возвышенности в виде плоских куполов или узких гребней, сложенные наиболее твердыми породами. Платообразные поверхности пенеплена занимают примерно 1/3 всей поверхности территории, на них имеются следы четвертичного оледенения: моренные гряды, холмы, ледниковые озера, валуны [8]. Высокогорья с ледниковой и нивальной обработкой поднимаются над поверхностью пенеплена и занимают наиболее высокие участки хребтов: Катунского, Чуйских, Курайского, Сайлюгема, Чихачева, Южного Алтая и Шапшальского. Общая площадь альпийского рельефа составляет примерно 108 Секция 3 1 /10 всей поверхности. Хребты с альпийскими формами рельефа – это участки, наиболее приподнятые и сильно расчлененные древней и современной ледниковой эрозией, а также древними и современными процессами морозного выветривания. Эрозионно-денудационные низкогорья и среднегорья имеют высоты от 500 до 1800–2000 м. Такой рельеф характеризуется сглаженными, округлыми формами невысоких хребтов и их небольших отрогов, разделенных речными долинами. Он образовался на месте наклоненной поверхности древнего пенеплена, сильно расчлененного эрозией благодаря густой гидрографической сети, которая достигла наибольшего развития по периферии. В западной и северной частях Алтая среднегорный рельеф занимает обширные пространства, в центральном и юго-восточном Алтае он распространен только в виде узких полос вдоль долин рек. В морфологическом облике Алтая большое значение имеют широкие межгорные впадины, которые простираются в основном, в широтном направлении между хребтами. Превышение хребтов над впадинами достигает 2000-3500 м. Впадины имеют тектоническое происхождение, но после своего возникновения они изменялись в результате деятельности рек, ледников и озер. Поэтому их днища заполнены моренами, флювиогляциальными, аллювиальными и озерными отложениями. Современные реки пропилили эти отложения, образовав серии террас. На террасах сформировались степи: Чуйская, Курайская (на р. Чуе), Уймонская (на р. Катунь), которые расположены на различных высотах [7]. Для территории Республики Алтай (рисунок) рекомендовано две дорожно-климатические зоны (I и II), две подзоны (холмистая и гористая) и 5 дорожных районов (от 1 до 3 в зависимости от зоны и подзоны) [9, 10]. Карта дорожно-климатического районирования территории Республики Алтай: I, II – дорожно-климатические зоны; Х, Г – подзона по типу рельефа (холмистый, горный); 1 – 3 – номера дорожных районов В заключении отметим, СНиП 2.05.02–85* [1] и его актуализированная редакция [2] относят территорию Республики Алтай к III дорожно-климатической зоне. Однако анализ географических комплексов показал [4], что фактически, на территории Республики присутствует две зоны – I и II. В I дорожно-климатическую зону входит географическая зона тундры, лесотундры и северовосточная часть лесной зоны с распространением вечномерзлых грунтов. Эта зона охватывает юж109 Роговские чтения ную и восточную части Горного Алтая. По типу рельефа зона подразделяется на две подзоны: холмистую и гористую, для которых характерно в основном сплошное распространение многолетнемерзлых грунтов, мощностью от 50 м до 400 м. Среднегодовая температура грунтов колеблется от –1 до –5 °С, глубина сезонного оттаивания находится в пределах от 0,8 м до 3,0 м. Территория характеризуется интенсивным развитием криогенных процессов. Зона лесов, с избыточным увлажнением грунтов – II дорожно-климатическая зона, охватывает юго-западную, западную, северо-западную и северную части Горного Алтая. По типу рельефа подразделяется на две подзоны (гористую и холмистую) и три дорожных района. Полученные результаты дорожного районирования Республики Алтай будут способствовать обеспечению качества проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК * 1. СНиП 2.05.02–85 . Автомобильные дороги. Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 2004. – 56 с. 2. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги. Министерство регионального развития РФ. – М., 2013. 3. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под ред. И.А. Золоторя, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. – М. : Транспорт, 1971. – 416 с. 4. Куприянова, Т.П. Принципы и методы физико-географического районирования с применением ЭВМ / Т.П. Куприянова. – М. : Наука, 1943. – 126 с. 5. Ефименко, С.В. Совершенствование норм проектирования дорожных одежд в части уточнения дислокации дорожноклиматических зон для субъектов Российской Федерации / С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко, М.В. Бадина // Мир дорог. – СПб., 2014. – Апрель. – № 74. – С. 21–23. 6. Метелкин, Д.В. Региональная геология России / Д.В. Метелкин, В.А. Верниковский. – Новосибирск : НГУ, 2005. – 96 с. 7. Трофимов, В.Т. Инженерно-геологические структуры Земли / В.Т. Трофимов, Т.И. Аверкина, Д.А. Спиридонов. – М. : Изд-во МГУ, 2001. – 176 с. 8. К обоснованию территориального распространения границы II-III дорожно-климатических зон в Западно-Сибирском регионе / В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, А.В. Сухоруков [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 5. – С. 133–143. 9. Zapata, C.T. Calibration and validation of the enhanced integrated climatic model for pavement design / C.T. Zapata, W.N. Houston. – Washington, D.C. : Transportation Research Board, 2008. – 62 р. 10. Дорожно-климатическое районирование территории Республики Алтай / С.В. Ефименко, М.В. Бадина, Т.А. Кожухарь [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 6. – С. 204–210. 110 Секция 3 УДК 550.8:624.131.3(571.22) ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СЕВЕРО-КАЗАХСТАНСКОГО РЕГИОНА А.Д. Кожназаров, Е.С. Ауелхан Казахский Национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, Казахстан E-mail: ergali_79@mail.ru В статье описана история формирования и современные инженерно-геологические условия СевероКазахстанского региона. Выявлены основные закономерности формирования и пространственные изменения их инженерно- геологических условий. Геологическое строение региона определяется преобладающим развитием скальных метаморфических пород докембрия, вулканогенно-осадочных терригенных и терригенно-карбонатных пород палеозоя, образующих цоколь Казахстанского изгиба. Платформенный комплекс представлен терригенными породами мезозоя, а также глинистыми и супесчано-обломочными обложениями кайнозоя. Впервые для Северо-Казахстанского региона составлена и разработана инженерно-геологическая колонка, являющаяся основой инженерно-геологической карты исследуемой территории. Ключевые слова: инженерно-геологическая колонка, кайнозой, инженерно-геологическая карта, Северный Казахстан. Северо-Казахстанский регион соответствует Кокшетау-Северо-Тяньшаньский и Шингизской складчатым системам Урало-Монголького пояса и охватывает западные северные части Казахского мелкосопочника. На западе регион ограничен Торгайским прогибом, на севере примыкает к ЗападноСибирской плите, на юге граничит с Шу-Сарысуйской синеклизой, на востоке – с Жайсанской и Шингизской складчатой системой, отделяются от герценской Северо-Балхашской складчатой системы девонским краевым вулканическим поясом. Геологическое строение региона определяется преобладающим развитием скальных метоморфических пород докембрия, вулканогенного-осадочных, терригенных и теригенно-карбонатных пород палеозоя, образующих цоколь Казахстанского щита. Платформенный комплекс представлен терригенными породами мезозоя, а также глинистыми и супесчано-обломочными отложениями кайнозоя. Байкальский геолого-структурный этаж. Выделенные геолого-структурные этажи сложены докембрийский образованиями, составляющими метаморфическую формацию. Породы метаморфической формации обнажаются в сводовых частях крупных структур региона (Кокшетауский, Улутауский, Майтюбинский и Ерементау-Ниязский антиклинорий). В обнажениях породы характеризуются весьма интенсивной трещиноватостью различного генезиса. Глубина распространения трещин колеблется от 2 до 20, реже до 30–60 м. Породы часто рассланцованы, что обусловливает заметную анизотропию их физико-механических свойств. Формации глубокого метаморфизма: Ar-гнейсы, главным образом ортогнейсь амфиболиты, чередующиеся с другими кристаллическими сланцами (слюдяно-полешпатовыми амфиболитовоми – зерединская серия). Породы смяты в складки, проявляют плойчатость клива. Мощность нижнего и среднего протерозоя очень изменчивая – от 1 до 5–6 км. Формации низкой и средней степеней метаморфизма. PR-кристаллические сланцы, микрокварциты и кварциты, доломиты, известняки, песчаники, конгломераты, а также эффузивы кислого и основного состава, превращенные в порфиройды порфиройтоиды или сланцы, внизу часто преобладают разнообразные кварциты с ясно выраженной слоистостью. На севере и северо-востоке Казахстана (т. е. как раз в рассматриваемом регионе) нижнюю часть верхнего протерозоя выделяют в акдымскую серию общей мощностью около 3500 м. Формации низкой степени метаморфизма. PR23 – верхняя часть почти всегда сложена диабазовыми и андезитовыми порфиритами, кварцевыми порфирами, туфами, вулканическим брекчиями, туфоконгломератами и туфифопесчаниками, аргелитами, кремнистыми сланцами известняками, до111 Роговские чтения ломитами, микрокварцитами, яшмовидными кварцитами и яшмами. Породы иногда совсем неизменены метаморфизмом. Все породы сильно дислоцированы, с поверхности разбиты трещинами и затронуты выветриванием. Средняя величина коэффициента трещиноватости для кварцитов составляет 7,8 % для сланцев и гнейсов – 3,4 %, для порфиритов – 2,9 %. Трещиноватость сохраняется на глубине 40–60 м, но в зонах тектонических трещин отмечается до глубины 90 м. Сланцеватость пород обусловливает анизотропию физико-механических свойств: прочность на сжатие параллельна сланцеватости, в 1,5–2,5 раза меньше, чем перпендикулярная к сланцеватости. Наиболее прочным являются сланцы и кварциты, для которых временное сопротивление сжатию в среднем составляет 224 МПа, для мраморов – 100 МПа. Ранне и среднекаледонский этаж. Отложения ранне- и среднекаледонского структурных этажей формировались в демиссионную стадию развития геосинклинали. Они представлены породами вулканогенно-осадочных формаций кембрия – нижнего ордовика и ордовика. Вулканогенно-осадочных формация кембрия – нижнего ордовика распространена в Жаркаинагачском, Ешкеолмесском, Селетинском, Майкаинском и других анти-синклинория. Отложения представляют собой сложно построенную толщу в которой вулканические фации по простиранию и в разрезе сменяются кремнисто-терригенными. Все породы метаморфизованы, дислоцированы, с поверхности затронуты процессами выветривания. Теригенно-кремнисто-вулканогенная формация. С1 – обломочные и вулканогенные осадочные породы зеленовато-лиловые кремнистые алевролиты и серые граувакковые песчаники чередующиеся с пачками основных порфиритовых лав и их туфов и с прослойками яшм кварцитов, мощность около 2000 м. Вулканогенно-осадочная метаморфизованная формация. С1-О1-2 – спилит, диабазовые порфириты, туфы, туфопесчаники, алевролиты, роговообманковые пироксенговые порфириты и их туфы, яшма, в основании – конгломераты, песчаники 1000 м порфириты, андезитобазальтового состава, их туфы, туфопесчаники. Вулканогенные образования преобладают в разрезах отложений формации в восточной части региона, на западе преобладают в разрезах терригенные осадки. Эффузивные породы обладают тонкой трещиноватостью, которая развита на глубину 10–18 м. Водопоглащение порфиритов, по данным Гидропроекта, состовляет в среднем 1,2 % при экстремальных значения 5 и 0,1 %. Осадочные породы обычно характеризуются относительно интенсивной выветрелостью, местам элювированная зона развита на глубину 20–25 м и представлена глинистыми образованиями многочисленной дресвой и щебенкой материнских пород. Породы вулканогенно-осадочной формации ордовика залегают под маломощным чехлом четвертичных отложений и распространены на востоке и юго-западе Казахского мелкосопочника. Породы интенсивно дислоцированы, разбиты трещинами различного генезиса. Глубина распространения трещиноватости в осадочных породах состовляет 50–60 м, вулканогенных 35–40 м, зона интенсивного выветриания и активной трещиноватости со ответственно 20–25 и 10–18 м коэффициент трещиноватости для осадочных – прочными свойствами, осадочные грунты способны удерживать длительное время вертикальные откосы в выработках, практически неразмокаемы, могут служить естественным фундаментом для инженерных сооружений. Позднекаледонский геолого-структурный этаж. Отложения нижне-терригенной формации широко представлены в пределах Селетинской, Баянульской, Кызылтас-Экибастузкой и других синклинарных и антиклинарных структур региона и характеризуются значительной дислоцированностью и неравномерной трещиноватостью как в площадном, так и в вертикальном направлениях. Наибольшая трещиноватость пород отмечается в пределах 10–25 м. Главными составляющими отложениями являются вулканиты (60–70 %) и конгломераты (20–30 %). В меньшем количестве распространены разнозернистые, крупногалечные до валунных. Значения коэффициентов трещиноватости песчаников (канал Иртыш – Караганда) находятся в пределах от 0,015 до 6,048. Коэффициенты фильтрации аргиллитов составляют от 2,88 до 6,94 м/сут. Прочие показатели физических свойств следующие: объемная масса песчаников 2,63 г/см3 водопоглащение первых 2,2 и вторых 2,7 %. Временное сопротивление сжатию песчаников в сухом состояний в зависимости от степени выветрелости изменяется от 715105 до 2415105 Па, а в водонасыщенном – от 533105 Па. 112 Секция 3 Коэффициенты трещиноватости вулканогенных образований по естественным обнажением варьирует в пределах 0,03–0,10. Обобщенные показатели физико-механических свойств порфиритов следующие: плотность 2072–2,9 г/см3, объемная масса 2,62–2,85 г/см3, водопоглащение 0,12–0,68 %, временное сопротивление сжатию до 1460105 Па. На участках выхода на дневную поверхность породы выветрены и трещиноваты. Наиболее интенсивная тренщиноватость зон выветривания отмечается на глубинах до 25, с глубин 40–45 м отложения монолитны. В зонах тектонических нарушений трещени прослеживаются и на большие глубины. Коэффициент трещиноватости в среднем равен 3,7 %, на обнажениях достигая 9 %. Песчаники крепкие, временное сопративление сжатию зависит от степени выветрелости и изменяется от 64 до 241 МПа. Аргиллиты слоисты, для них характерны анизотропия механических свойств некоторые разности при размокании распадаются на тонкие плитки толщиной 1 мм, водопроницаемы (коэффициент фильтрации 3–7 м/сут). Интрузивная формация. Формирование пород интрузивной формации происходило в течение допалеозоя, палеозоя и мезозоя. К наиболее древним метаморфизованным интрузивным образованиям принадлежат гиперстеновые гранулиты Кокшетауского, Улутауского, Майтюбинского и Эскулинского антиклинориев. Массивы сложены преимущественно гиперстеновыми гранулитами (от темно-серого до черного цвета) массивной или нечеткой плоскопараллельной текстуры. Интрузивные массивы байкальской тектано-магматической эпохи характерны осевым частям Майкаин-Кызылтасского и Улутауского антиклинориев и сложены преимущественно серпентинитами, гренитогнейсами, лейкократовыми гранитами, гранит-порфирами. Интрузивные породы герцинского магматического цикла формировались преимущественно в две фазы, и в настоящее время представлены несколькими интрузивными массивами в пределах Ерейментау-Ниязского антиклинория и Селентинского синклинория. К началу триаса территория региона была уже достаточно консолидированной областью, и сравнительно слабые мезозойские движения существенно не изменили его структурного плана, а выразились лишь в дифференцированном перемещении отдельных блоков по возобновленным в триасе древним разломам. Отложения терригенной формации нижнего карбона – верхней перми (С1 – Р2) завершили инверсионной этап развития геосинклинали. Накопления их мощностью до 1200 м развиты в Тенизкой и Жезказганской впадинах, в северо-западной части Калбинского мегасинклинория и представлены толщей незакономерно переслаивающихся серых и красных песчаников, алевролитов, аргелитов, гравелитов и конгломератов с прослоями известняков. Трещиноватость пород формации распространяется на глубины 70–90 м, а на участках тектонических нарушений – 90–120 м. Наиболее интенсивно выветрены тонкозернистые красноцветные разности пород, Коэффициент трещиноватости в среднем равен 0,014. В поверхностной зоне аргиллиты быстро выветриваются, поэтому откосы выемок рекомендуется облицовывать, а котлованы не держать открытыми в течение длительного времени. Формирование осадков палеозойских формаций сопровождалась внедрением интрузий, которые в геологическом строении, региона играют большую роль, слагая почти половину его площади. Интрузивные комплексы области каледонской стабилизации Северо-Казахстанского региона изучены с большой детальностью. В целом здесь явно преобладают гранитоидные интрузии. Верхняя часть массивов обычно затронута выветриванием и разбита системой трещин, коэффициент трещиноватости 0,7–8,4. Нижнеальпийский геолого-структурный этаж (триас – юра) отражает субплатформенный этап геологического развития региона и представлен осадками сероцветной угленосный формации (триас – юра). Альпийский геолого-структурный этаж представлен терригенной угленосной (T3 – J2), терригенной пестроцветной (Kr – N2) формациями и поверхностными отложениями (Q). Терригенная угленосная формация (T3 – J2) нижнеальпийского геолого-структурного этажа развита на отдельных участках Майтюбинской, Бурлукской, Байконурской, Кызылтусской элуксной, грабен – синклиналей на глубинах 20–150 м и отражает субплатформенный этап геологического развития региона. Цитологическая формация представлена углистыми аргиллитами, алевролитами, песчаниками, конгломератами с прослоями и линзами углей мощностью 0,1–0,8 м. В кровле породы сильно трещинова113 Роговские чтения ты, но с глубиной трещиноватость уменьшается. Коэффициент трещиноватости варьирует в зависимости от глубины в пределах 0,2–0,04. Водопроницаемость нарушений составляет 0,5–1,5 м/сут. Осадки верхнеальпийского геолого-структурного этажа характеризуют платформенный этап развития региона и представлены отложениями двух геологических формаций: 1) пестроцветной, преимущественно континентальной мел – миоценового возраста и 2) формациями поверхностных отложений четвертичного возраста. Элювий формаций представлен образованиями древней (мезозойской) коры выветривания, развит в пределах тектонико-денудационного мелкосопочника и денудационно – цокольной равнины. Наиболее широко распространен площадной тип коры выветривания мощностью 5–20 м, реже 40–60 м. Для пород древного элювия характерна значительная изменчивость свойств, обусловленная генезисом отложений. Терригенная пестроцветная формация (KrN2) характеризуется сочетанием элювиальных, морских, прибрежно-морских, континентальных, озерно-аллювиальных отложений. Породы формации выполняют обширные пологие впадины; Тенизскую, Жезказган-Сарысуйскую, небольшие участки в понижениях древного рельефа приурочены к долинам рек и логов. С инженерно-геологических позиций грунты формаций относительно благоприятны для размещения массовых видов строительства. Необходимо учитывать повышенную фильтрационную способность песчаных разностей, высокую засоленность грунтов межсопочных понижений, набухаемость глин и сниженность прочности грунтов в открытых выемках в результате быстрого выветривания. Формация поверхностных отложений (молассоидная). Формация поверхностных отложений четвертичного возраста уверенно разделяется на области по геоморфологической приуроченности и генетическим типам отложений. Четвертичный этап рельефообразования характерен широким развитием эрозионно-аккумулятивных процессов, вызванных новейшими движениями и колебаниями климата. Геолого-генетические комплексы делювиальных, делювиально-пролювиальных отложений равнин и шлейфов конусов выноса приурочены к низкогорьям на скальном субстрате, местами с островными участками среднегорного рельефа и представлены инженерно-геологической группой преимущественно глинистых пород: суглинками, глинами, реже супесями в ряде случаев содержащими обломочный материал и редкие линзовидные прослои разнозернистых песков мощностью 1–2 м. Часто наблюдается двучленное строение толщи с постепенным переходом суглинков в глины (сверху вниз). Грунты отличаются крайней неоднородностью гранулометрического состава. Это связано с тем, что в их образовании ведущую роль играли процессы сезонного плоскостного смыва. Грунты обводнены спорадически на глубинах 2–20 м, грунтовые воды от пресных до солоноватых. Отложения деллювиально-пролювиального комплекса выполняют межсопочные понижения, покрывают склоны современных речных долин и поверхности денудационных цокольных равнин. Отложения мощностью 5–20 м представлены песчано-глинистыми породами (суглинками, реже супесями и глинами), нередко дресвой и щебнем, иногда песками разной крупности и гравийными грунтами, залегающими в виде линзовидных прослоев. Физико-механические свойства характеризуются следующими показаниями: естественная влажность 5,6–36,5 (17,5) %; верхний предел пластичности 30–75 (42) %; число пластичности 9–37 %; плотность частиц 2,65–2,88 (2,74) г/см3; плотность 1,59–2,62 (1,80) г/см3; плотность скелета 1,20–1,85 (1,54) г/см3; коэффициент пористости 0,58–1,21 (0,79); угол внутреннего трения 40° (24°); сцепление 0,003–0,12 (0,037) МПа. Содержание обломочного материала увеличивается к низам разреза. Часто фиксируются включения карбонатов и гипса. Связные грунты в верхней толще имеют лессовидный облик, четко выраженную макропористость, в связи с чем часто обладают просадочными свойствами. Сумма воднорастворимых солей составляет 0,1–1,6 % к навеске грунта, повышенная засоленность характерна для верхних горизонтов. Плотность частиц изменяется от 2,66 для песчаных разностей до 2,74 г/см3 – для глинистых; коэффициент пористости – от 0,8 до 11 (рыхлых грунтов) и от 0,4 до 0,5 (для плотных). Коэффициент фильтрации составляет в среднем 22 м/сут – для крупных песков, м/сут – для мелких и 1 м/сут – для супесей. Результаты компрессионных испытаний показали, что просадочными свойствами обладают суглинки лишь верхней толщи до глубины 4–5 м. Комплекс аллювиальных отложений получил развитие в долинах рек Ишим, Нура, Куланутпес. В разрезе надпойменных террас Ишима и Нуры доми114 Секция 3 нируют песчаные разности, разнозернистые плохо среднеокатанные полимиктовые пески с редкими прослойками суглинка. В разрезе аллювия II надпойменных террас Куланутпес и ее притока р. Кон преобладает глинистый материал красновато-бурой окраски, содержащий статичные фации с горизонтом торфяника. Мощность 6–8 м. отложения надпойменных террас Ишима и Нура представлены преимущественно мелкозернистыми песками с маломощными горизонтом суглинков, песчано-гравийных осадков. В обнажениях отчетливо видна косая и горизонтальная слоистость мелкозернистых песков. Мощность аллювия террас 8–16 м. в руслах рек Ишим и р. Нура гравийно-галечный материал с песчаным заполнителем в р. Куланутпес песчано-глинистый. Механический состав отложений более или менее однообразный. Это несортированный гравий песчано-глинистый суглинистый материал. Наиболее грубые осадки отмечаются в пойме р. Нура и на суженных участках долины р. Ишим. Пойменные отложения р. Куланутпес, как правило супесчано-глинистые. Формирование отмелей происходит в настоящее время. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Инженерно-геологическая карта Казахстана масштаба 1:1000 000 / А.Д. Кожназаров, Д.К. Калитов [и др.]. – Алматы, 2008. 2. Абдуллин, А.А. Проблемы рационального использования геологической среды Казахстана / А.А. Абдуллин, В.П. Бачкарев // Инженерная геологии. – Алма-Ата, 1992. 3. Аубекеров, Б.Ж. Континетальные четвертичные отложения Казахстана : автореф. дис. … докт. – Алма- Ата, 1992. 4. Геологические строения Казахстана / Г.Р. Бекжанов, В.Я. Кошкин, И.И. Никитченко [и др.]. – Алматы, 2000. – 395 с. 5. Инженерная геология СССР. Т. 6. Казахстан / под ред. Е.М. Сергеева. – М. : Изд-во МГУ, 1977. – 295 с. 6. Инженерная геология СССР (Урал,Таймыр и Казахская складчатая страна) / под ред. В.П. Бочкарев. – М. : Недра, 1990. – 408 с. 115 Роговские чтения УДК 550.8:502.51(282.02) ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗНОВОЗРАСТНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ И ЕЕ МЕТАЛЛОГЕНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ А.В. Мананков, Е.В. Сафонова Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: SafonovaEV@tsuab.ru Образование профиля коры выветривания происходит на фоне повышенной геодинамической активности с участием подземных вод палеозойского, верхнемелового и палеогенового комплексов. Каолинит формируется различными способами: путем прямого замещения минералов исходных пород либо по метастабильным экзогенным минералам, включая гидрослюды. Каолинит по кислым метаморфическим породам отличается большими колебаниями структурной упорядоченности и параметров кристаллической структуры. Каолинит, образующийся по гидрослюдам и глинистым минералам, обладает пониженной структурной упорядоченностью. Во внутренних зонах профиля коры установлено два собственно редкоземельных минерала. Ключевые слова: кора выветривания, подземные воды палеозойского, верхнемелового и палеогенового комплексов, каолинит. Исследование коры выветривания Западной Сибири проводилось многими исследователями с прошлого столетия. В геологическом отношении территория г. Томска приурочена к области сопряжения Колывань-Томской складчатой зоны и южной окраинной части Западно-Сибирской низменности. Спецификой геологического строения являются развитые коры выветривания, широко связанные с коренными породами фундамента и представленные на правобережных притоках р. Томи и ее правого берега. Коры выветривания являются главным водоупором, по которому происходит сток подземных вод в русла рек. Наибольший вклад в формирование геологической среды вносят четыре водоносных горизонтов (неоген-четвертичный, палеогеновый, верхнемеловой, палеозойский), а также повсеместно распространенные родники, образующие различные ландшафтно-родниковые зоны. Нами изучены минеральный состав, геохимические особенности, физико-механические свойства, структурно-текстурные особенности и цвет профиля коры выветривания, и выделены 4 зоны и 6 подзон одновременно развивающихся в гипергенной метасоматической колонке (табл. 1). Таблица 1 Профиль коры выветривания и реакции образования минералов Зоны Каолинитовая Сидериткаолинитовая Сапролитовая Подзоны Каолинит – 4 Каолинит – 3 Каолинит – 2 Каолинит – 1 Хлоритгидрослюдистая Гидрослюдистая Реакции замещения 2KAl3Si3O10(OH)2 + 2Н+ + ЗН2О = 3Al2Si2O5(OH)4 + 2К+ (4) CaAl2Si208(кр) + 2H+ + Н2О = Al2Si2O5(OH)4 + Са2+ 2KAlSi3O8(кр) + 2H+ +H2O =Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + 2K+ (3) (2) 3KAlSi3O8(кр) + 2Н+ + 12Н2О = KAl3Si3O10(OH)2 + 6H4Si04 + 2K+ (1) Коренные породы Конечные результаты превращения минералов в профиле коры представлены на тройной диаграмме SiO2-Al2O-H2O (рис. 1). Каолинит в коре выветривания по сланцам образуется преимущественно путем прямого замещения полевых шпатов с подчиненным участием механизма по промежуточным (гидрослюдистым) минералам. По результатам микроскопических исследований и физико-химического моделирования 116 Секция 3 гидрослюда и ее структурные аналоги преобладают в зоне сапролитов, а в центральной зоне активно замещаются каолинитом. H2O Рис. 1. Диаграмма SiO2-Al2O-H2O равновесия минеральных фаз для профиля каолинитовой коры выветривания. Минеральные ассоциации: I. Исходных сланцев: 1 – калиевый полевой шпат; 2 – альбит; 3 – анортит; 4 – хлорит; 5 – монтмориллонит (смектит); II. Зона сапролитов: IIа: 1 – калиевый полевой шпат; 2 – альбит; 6 – гидромусковит; 7 – иллит; IIб: 1 – калиевый полевой шпат; 2 – альбит; 8 – мусковит; 9 – галлуазит; 10 – энделлит; 11 – каолинит; 12 – жисмондин; III. Зона сидерит-каолинитовая: IIIа: 1 – калиевый полевой шпат; 2 – альбит; 11 – каолинит; 13 – кварц; IIIб: 3 – анортит; 11 – каолинит; VI. Зона каолинитовая: 6 – гидромусковит; 7 – иллит, 11 – каолинит; 14 – гиббсит; 15 – бемит 60 60 50 50 40 40 14 30 30 8 20 20 5,9,10,12 IVб IIб IIIа 10 15 10 IIIб 4,6,7 IIа 13 11 IVа I SiO2 20 1, 2 30 10 3 50 40 Al2O3 60 На основе полученных данных проведено физико-химическое моделирование развития минеральных парагенезисов в зонах каолинитовой коры, используя систему «минералы – вода» для разновозрастных подземных комплексов (неоген-четвертичного, палеогенового, верхнемелового, палеозойского). Химические составы вод нанесены на геохимическую диаграмму, дополненную авторами вычисленными зависимостями концентраций щелочных и щелочноземельных катионов от величины рН (рис. 2). Моделирование выполнено с использованием программного комплекса HydroGeo. Численные результаты представлены в табл. 2–4. Рис. 2. Зависимость концентраций макрокомпонентов (Ca2+, Na++K+, Mg2+) в % мг-экв в реальных подземных водах, родниках и дренажной горной выработке (ДГВ) в Лагерном саду. Диаграмма С.П. Крайнова и др. [1] с авторскими дополнениями: сплошные линии – статистические средние по [1]; пунктирные прямые вертикальные линии: левая (№ 17) – воды палеогенового комплекса, средняя (№ 16) – воды неогенчетвертичного комплекса, (№ 18) – воды верхнемелового комплекса, правая (№ 19) – воды палеозойского комплекса; Остальные номера – единичные анализы [Томскгеомониторинг, ТИСИЗ]: № 1 – СФ-12 ДГВ; № 2 – СФ-27 ДГВ; № 3 – перемычка в ДГВ; № 4 – СФ-32 ДГВ, № 5 – родник в оползне № 3; № 6 – дренажная прорезь № 3; № 7 – штольня № 2, проба № 245; № 8 – восстающий фильтр ПК 4+4; № 9 – фильтр-7ПК-56; № 10 – фильтр-8, ПК-62; № 11 ПК 59+9 (просачивание); № 12 – ПК-67+6 (просачивание); № 13 – ПК-6+2, восточное крыло; № 14 – ПК-60 (соскоб с восстающего фильтра); № 15 – ПК-66+4 (сталактиты); I – экспоненциальная зависимость содержания ионов Ca2+ от pH реальных подземных вод; II – экспоненциальная зависимость содержания ионов Na++K+ от pH реальных подземных вод; III – экспоненциальная зависимость содержания ионов Mg2+ от pH реальных подземных вод %мг-экв + 100 N-Q P Ca + Na +K K2 PZ 2+ 9 2 80 12 6 3 11 4 5 1 10 60 18 8 2+ Mg 7 2+ Ca + + Na +K 2+ Mg I 17 14 13 14 13 16 16 17 16 8 40 15 19 15 19 15 19 5 18 II 7 17 1 3 6 13 11 8 10 12 III 7 10 12 4 14 2 18 1 11 6 5 4 9 2 9 20 рН 0 6 7 8 9 10 Во всех вышеуказанных реакциях 1–4 воды трех комплексов (кроме неоген-четвертичного) в различной степени неравновесны с первичными алюмосиликатами, что определяет различную степень растворения вмещающих пород. Неравновесность особенно четко выражается по кальцию, натрию и калию при повышенных значениях рН (7,8–8,2). Оценена величина индекса неравновесности L подземных вод комплексов относительно исследуемых минералов (табл. 2) и рассчитаны скорости растворения и осаждения минералов (табл. 3). 117 Роговские чтения Таблица 2 Результаты расчета индекса неравновесности по реакциям из табл. 1 № реак. из табл. 1 1 реакция 2 реакция 3 реакция 4 реакция Минерал Калиевый полевой шпат Гидромусковит Калиевый полевой шпат Каолинит Анортит Каолинит Гидромусковит Каолинит Формула Водоносные комплексы Палеогеновый Верхнемеловой Палеозойский рН = 7,3 рН = 8,0 рН = 8,2 3KAlSi3O8(кр) –16,48 –10,11 –7,44 KAl3Si3O10(OH)2 –1,40 –9,36 6,35 2KAlSi3O8(кр) –13,51 –15,48 –63,57 Al2Si2O5(OH)4 CaAl2Si208(кр) Al2Si2O5(OH)4 2KAl3Si3O10(OH)2 Al2Si2O5(OH)4 0,07 –44,39 –25,44 –3,05 –2,18 –4,59 –53,25 –32,12 –1000 –1000 –10,08 –9,73 10,47 –1000 –1000 Таблица 3 Результаты расчета скорости осаждения по реакциям из табл. 1, моль/(м2∙сут) № реак. из табл. 1 1 реакция 2 реакция 3 реакция 4 реакция Минерал Калиевый полевой шпат Гидромусковит Калиевый полевой шпат Каолинит Анортит Каолинит Гидромусковит Каолинит Водоносные комплексы Верхнемеловой Палеозойский рН = 8,0 рН = 8,2 Формула Палеогеновый рН = 7,3 3KAlSi3O8(кр) –5,96·10–10 –5,96·10–10 –5,96·10–10 KAl3Si3O10(OH)2 –1,78·10–11 –2,36·10–11 2,36·10–11 2KAlSi3O8(кр) –5,96·10–10 –5,96·10–10 –5,96·10–10 Al2Si2O5(OH)4 CaAl2Si208(кр) Al2 Si2O5 (OH)4 2KAl3Si3O10(OH)2 Al2Si2O5(OH)4 1,18·10–10 –9,31·10–10 –1,18·10–10 –2,36·10–11 –1,05·10–10 –1,18·10–10 –9,31·10–10 –1,18·10–10 –2,36·10–11 –1,18·10–10 –1,18·10–10 –9,31·10–10 1,18·10–10 –2,36·10–11 –1,18·10–11 Анализ химических реакций 1–4 позволяет сделать вывод, что они осуществляются в присутствии ионов водорода и с участием процессов гидропротонирования. Эти факты косвенно указывают также на большую роль микробиологических факторов гипергенеза, установленных и детально изученных в каолинитовой коре [2]. Существование неравновесности порождает иерархически связанные уровни минералообразования в самоорганизующихся биоминеральных системах с участием подземных вод. Анализ диаграмм скорости растворения и осаждения (табл. 3) показал, что скорости растворения практически мало зависит от рН в интервале 7,3–8,2. При этом скорость растворения анортита почти в два раза выше скорости растворения калиевого полевого шпата и в четыре раза выше скорости растворения гидромусковита, что, очевидносвязано с меньшим содержанием Si4+в анортите, чем в других полевых шпатов. Наиболее благоприятные условия для образования каолинита существовали в сидериткаолинитовой зоне (рис. 1, зона IIIб) при замещении плагиоклазов по реакции (3) (табл. 4). С этой стадией каолинизации связаны максимумы геохимической подвижности и накопления благородных металлов и начинается резкое увеличение скорости накопления редкоземельных металлов на фоне понижения активности радионуклидов (рис. 3). 118 Секция 3 Таблица 4 Результаты расчета объемов минералов, высаженных из растворов, мг/л № реак. из табл. 1 1 реакция 2 реакция 3 реакция 4 реакция Минерал Водоносные комплексы Палеогеновый Верхнемеловой Палеозойский рН = 7,3 рН = 8,0 рН = 8,2 Формула Калиевый полевой шпат Гидромусковит Калиевый полевой шпат Каолинит Анортит Каолинит Гидромусковит Каолинит 3KAlSi3O8(кр) –0,02 –2,18 –1,49 KAl3Si3O10(OH)2 0,01 1,04 0,71 2KAlSi3O8(кр) 0,12 0,16 –14,29 Al2Si2O5(OH)4 CaAl2Si208(кр) Al2 Si2O5 (OH)4 2KAl3Si3O10(OH)2 Al2Si2O5(OH)4 0,06 –396,22 367,94 –267,31 259,87 0,08 –482,79 448,24 –0,07 0,07 0,002 –40,13 37,40 –0,42 0,41 250 г/т 200 150 100 50 0 Co Sc Hf Ta Cs Th U La Лагерный сад Туганское месторождение Тарское месторождение Кларки по А. П. Виноградову Ce Sm Eu Yb Lu Георгиевское месторождение Рис. 3. Сравнительное содержание редкоземельных элементов в глинистой фракции профиля коры выветривания и промышленных месторождениях ильменит-цирконовых руд (источник данных по месторождениями: [3]) Из диаграммы (рис. 2) и результатов моделирования следует, что наиболее вероятные условия каолинизации существовали в обширном интервале времени при участии подземных вод трех комплексов (палеозойского, верхнемелового и палеогенового). Для расчета динамики распределения элементов в коре выветривания мы использовали значения коэффициентов устойчивости (K) элементов, а также коэффициенты геохимической подвижности по методу абсолютных масс Kгп, что позволило выявить группы устойчивости (табл. 5) и распределение элементов внутри разных зон профиля коры. Kгп учитывает особенности поведения элементов. Например, железо, обладает литофильными, халькофильными и сидерофильными свойствами. В зоне сапролитов происходит разложение пирита с участием сульфатредуцирующих микроорганизмов и образование гипергенного железосодержащего хлорита. В следующей – сидерит-каолинитовой зоне, заметно обогащенной кислородом, железо выступает в другой ипостаси (литофильности), образуя сидерит и бастнезит. 119 Роговские чтения Таблица 5 Коэффициенты устойчивости K для коры выветривания сланцев и песчаников Элементы K 1 группа. Легкоподвижные элементы Mg 0,38 Ca 0,3 Mn 0,45 Na 0,025 Ba 0,4 2 группа. Подвижные элементы Cu 0,3 Ni 0,1 Co 0,4 Zn 0,5 Элементы K 3 группа. Малоподвижные элементы Zr 0,8 0,7 Cr Si 0,6 4 группа. Устойчивые элементы Fe 0,7 Ga 0,8 Al 0,8 Ti 0,6 Редкие щелочи (Rb, Cs) по значениям K являются, естественно, легкоподвижными. По коэффициентам геохимической подвижности можно видеть, что их относительное содержание начинает расти в верхах сапролитовой зоны и достигает максимума в низах сидерит-каолинитовой зоны, после чего начинается интенсивный вынос этих щелочей из гидросиликатных золей. Редкоземельные элементы по значениям коэффициента устойчивости соответствуют преимущественно элементам четвертой группы. На самом деле, они обладают химическим сродством с литофильным алюминием. Вместе с тем по графикам Kгп выявлена четкая приуроченность максимальных концентраций к нижней подзоне каолинитовой зоны. На рис. 3 видно, что в профиле изучаемой каолинитовой коры содержание основных редкоземельных элементов, а также гафния, урана и тория находится на уровне известных промышленных залежей, располагаясь между Тарским, Георгиевским и Туганским месторождениями. По результатам минералогических исследований, сопровождавших технологическое опробование руд, сделан вывод о том, что концентратом редких земель, ниобия, тантала, скандия выступает лейкоксен [4]. В центральной зоне и в меньшем количестве в других зонах профиля коры выветривания по геохимическим данным (рис. 3) и РФА нами выявлены два собственно редкоземельных минерала: гидроксилбастнезит Ce[CO3](OH, F) и оксифторид церия и лантана CeLa2O3F3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Крайнов, С.Р. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты / С.Р. Крайнов, Б.Н. Рыженко, В.М. Швец ; отв. ред. Н.П. Лаверов. – М. : Наука, 2004. – 677 с. 2. Фатыхова, Ю.Н. Механизм взаимодействия хемолитотрофных микроорганизмов с силикатными материалами / Ю.Н. Фатыхова, А.В. Мананков, Н.А. Малютена // Рациональное использование природных ресурсов и комплексный экологический мониторинг окружающей среды : материалы международной школы-семинара. – 2006. – С. 146–152. 3. Циркон-ильменитовые россыпные месторождения – как потенциальный источник развития Западно-Сибирского региона / Л.П. Рихванов [и др.]. – Кемерово : ООО «Сарс», 2001. – 214 с. 4. Полынов, Б.Б. Кора выветривания. Ч. 1 / Б.Б. Полынов. – Л. : Изд-во АН СССР, 1934. – 210 с. 120 Секция 3 УДК 550.46:553.3(571.16) ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ ГЕОДИНАМИКИ И ГИДРОГЕОХИМИИ С ЭМАНАЦИЯМИ РАДОНА НА ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА ТОМСКА А.В. Мананков, Е.В. Сафонова Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: SafonovaEV@tsuab.ru Прослежена зависимость между концентрациями радона в подвальных помещениях и качественным составом геологической среды. Предложен метод расчета конвективно-диффузионной скорости поступления радона из горных пород. Составлена карта-схема мелкоблочного строения и геоактивных зон территории города. Выявлена роль исходного минерального сырья и силикатных строительных материалов в эманации радона в помещениях на различных этажах, а также закономерности изменения концентрации радона в зависимости от метеорологических параметров. Разработан метод уменьшения эманации радона из строительных материалов. Ключевые слова: геодинамика, геоактивные зоны, естественные радионуклиды, радон. Территория города Томска в геоэкологическом плане представляет собой сложный хозяйственноприродный комплекс. В геологическом отношении она приурочена к области сопряжения структур Колывань-Томской складчатой зоны и южной окраинной части Западно-Сибирской низменности. Район этот лежит в области сложного тектонического строения, расшифровка которого бывает очень затруднена из-за недостаточной изученности и практически полной задернованности. С позиций инженерной геологии и гидрогеологии изучаются последствия экзогенных геологических процессов. Однако остаются неизученными фундаментальные вопросы, связанные с минералогией, геохимией и радиогеоэкологией наиболее опасных с точки зрения градостроительства участков городской территории. Нами изучено содержание естественных радионуклидов (ЕРН) на территории городской застройки и в дренажной горной выработке (ДГВ) в Лагерном саду. Внутри тоннеля на участках интенсивного развития процессов выщелачивания железобетона и развития сталактитов (в его восточном направлении) выявлена аномальная концентрация радона. Эквивалентная равновесная активность (АRn,ЭКВ) на этих участках составляет 494 Бк/м3, в то время как в западном направлении тоннеля ЭРОА значительно меньше и находится в пределах 86–149 Бк/м3. Значения интегральной объемной активности (ИОА) радона в западном направлении меняются в пределах 169–298 Бк/м3, а в восточном направлении значения ИОА радона составляют 97–988 Бк/м3. Полученные результаты подтверждают пространственную связь процессов выветривания и каолинизации углисто-глинистых сланцев с эманацией радона. Процесс подъема радона к поверхности земли осуществляется по трещинным и ослабленным геоактивным зонам. Результаты измерения ЕРН в горных породах (глинах, суглинках, кварцевых песках, известняках), используемых на территории Томской области для производства традиционных строительных материалов, позволили обнаружить, что наибольшей удельной эффективной активностью обладают каолинитовые, затем аллювиальные глины, а наименьшей – карбонатные породы (табл. 1). Значения удельной эффективной активности ЕРН в этом ряду исходного нерудного сырья понижается в пределах целого порядка. Таблица 1 Результаты измерения активности ЕРН в горных породах № п/п Удельная активность, Бк/кг Материал Ra-226 Аэфф Th-232 K-40 Cs-137 Бк/кг Исходное нерудное сырье 24 Глина Вороновская 25,59 26,0967 288,97 10,8433 85,52 6 Глина Арышевская 31,59 37,5 238,3 15,8967 101,8 9 Глина каолинитовая из Лагерного сада 107,97 235,667 375,37 52 448,1 121 Роговские чтения Окончание табл. 1 № п/п Материал Удельная активность, Бк/кг Аэфф Ra-226 Th-232 K-40 Cs-137 Бк/кг 14,9767 87,71 1 Суглинок Родионовский 18,7 28,8433 350,17 21 Песок Кудровский 11,33 13,29 42,4 22 Известняк Каменский 0 1,49 0 1,892 1,937 23 Известняк обожженный Сергеевский 3,37 1,37667 0,45 0,36667 5,2 20 Известняк-пушенка Сергеевская 8,37 11,93 86,05 32,42 31,62 Измерения концентраций ЕРН в исходном нерудном сырье месторождений, используемого для производства строительных материалов в течение более ста лет показывают, что в ряду: глины – суглинки – кварцевые пески – карбонатные породы последовательно происходит понижение удельной эффективной активности в пределах целого порядка. Региональные радиогеохимические особенности осадочных отложений г. Томска представлены на рис. 1. Рис. 1. Содержание радионуклидов в исходном нерудном сырье, керамических изделиях и зданиях исторической и современной застройки. Для изучения зависимости и тесноты связи между АRn,ЭКВ радона (количественным признаком) и степенью трансформации геологической среды (качественными признаками) использован метод расчета биссериального коэффициента корреляции. В результате установлена четкая корреляционная зависимость концентрации радона с линейными и узловыми разломами, (геоактивными зонами), трассируемыми ими подземными водными потоками, в том числе погребенными и захороненными палеоруслами, засыпанными озерами и болотами, ландшафтно-родниковыми зонами, горизонтами верховодки и участками подтопления в подвальных помещениях и на первых этажах. Максимальные концентрации радона связаны с началом формирования коры выветривания при участии подземных вод палеозойского комплекса. Подобные участки выявлены в ДГВ и в пределах основных геоактивных зон территории города, что находит логическое объяснение на геоэкологической карте города. Пока не существует математической модели, которая бы учитывала совокупность различных природных факторов, влияющих на перенос радона в грунте и горных породах. Отсутствуют методы расчетной оценки радоноопасности территорий жилой застройки. В нашей стране такая оценка ведется по результатам натурного измерения плотности потока радона с поверхности земли. Величина плотности потока радона с дневной поверхности рельефа не характеризует возможный поток радона из строительных котлованов и подвалов проектируемых зданий, и применять ее 122 Секция 3 как критерий радоноопасности участков проектируемого строительства нельзя. Отсюда следует, что определение радоноопасности территорий должно заключаться, прежде всего, в выявлении в геологической среде потенциальных источников повышенного радоновыделения и кинетических параметров его переноса. Выполнено картографирование территории. Значения ЭРОА радона наложены на геоморфологическую карту 1933 г и карту с современной топоосновой. Обработка проведена с помощью программ ArcView и Surfer. Получены новые данные о мелкоблочном строении осадочных толщ и разрывной тектонике трех порядков между и внутри блоков (рис. 2). Рис. 2. Карта-схема мелкоблочного строения территории города Томска Авторами предложен метод расчета конвективно-диффузионной скорости переноса радона по трещинам и капиллярам осадочных горных пород с известной пористостью, типичной для грунтов территории г. Томска. Метод основан на одновременном учете избыточного давления внизу канала капилляра и гидростатического сопротивления по его длине (формула Вейсбаха – Дарси). 123 Роговские чтения Перенос радона в приземный слой может происходить, если избыточное давление больше или равно гидростатическому давлению. Тогда конвективно-диффузионная скорость радона V можно вычислить по уравнению: g ( )d02 V , 32 где g – ускорение свободного падения; – разность плотностей радона в зависимости от температуры; d 02 – диаметр капилляров почво-грунта; – динамическая вязкость радона. Авторами для расчета конвективно-диффузионной скорости радона в суглинках г. Томска с реальными пределами пористости предложена капиллярная модель Козени – Кармана, которая позволяет сопоставить получаемые скорости. В этой модели течение жидкости (газа) считается подобным ее движению через пучок извилистых капилляров. Модель учитывает перепад давления по длине капилляра, в зависимости от пористости (формула Лейбензона). Конвективно-диффузионная скорость переноса радона возникает при условии, что перепад давления по длине капилляра больше или равно давлению за счет мест трения. Путем сопоставления формул Дарси и Лейбензона получено выражение: V 2 d 0 K (1 ) 2 a02 3 , где K – константа Козени – Кармана; – порозность слоя; a0 – удельная поверхность зерен; λ – коэффициент гидравлического трения. Конечные результаты хорошо согласуются между собой. Погрешность расчетов составляет 8,3 %. Рассчитанные скорости близки значениям, полученным экспериментально для аллювиальных отложений г. Томска. Следует отметить, что предложенный комплекс методов учитывает и минералого-структурные и текстурные характеристики грунта, по которому движется газ, и свойства самого газа, и метеорологические параметры. Исследования строительных материалов показали, что мощность эквивалентной дозы гаммаизлучения в помещениях в 10 раз выше мощности эквивалентной дозы на открытой местности (но не превышает фонового значения). Этот факт связан с эманацией радона не только из грунтовых оснований и нижележащих горных пород, но и из самих строительных материалов, содержащих акцессорные минералы. Проведенная статистическая обработка зависимости материала здания и ЭРОА радона в жилых и административных помещениях показала, что материал обусловливает 12,77 % вариаций концентрации радона при постоянной естественной вентиляции. Закономерность последовательного понижения удельной эффективной активности ЕРН в строительных материалах зданий, как исторической, так и современной застройки (табл. 2) аналогична выделенной в исходном нерудном сырье месторождений (табл. 1), что позволяет сделать вывод о ведущей роли радиогеохимических особенностей исходного сырья в содержании радионуклидов строительных материалов. Таблица 2 Результаты измерения активности естественных радионуклидов в строительных материалах зданий № п/п Материал Удельная активность, Бк/кг Ra-226 Th-232 K-40 Cs-137 Аэфф Бк/кг Материал из зданий исторической застройки 14 15 16 17 18 124 Кирпич из свода подвала НТБ ТГУ (125 лет) Кирпич из стены подвала НТБ ТГУ (125лет) Кирпич из стены подвала НТБ ТГУ (125лет) Кирпич из стены подвала НТБ ТГУ (125лет) Известково-песчаный кладочный раствор между кирпичами п. 14, 15 41,49 38,03 38,43 29,2 30,0667 30,35 29,78 30,53 280,26 587 429,23 425,3 26,4033 18,79 15,15 105,8 130,3 115,8 71,44 24,14 12,09 307,03 15,45 67,49 Секция 3 Окончание табл. 2 № п/п 12 10 27 4 2 11 19 25 Удельная активность, Бк/кг Ra-226 Th-232 K-40 Cs-137 Современные материалы Керам. Плитка глазурованная ОАО ТЗКМиИ 44,83 28,98 349,8 25,78 Керамическая плитка неглазурованная ОАО 41,91 27,48 272,23 25,28 ТЗКМиИ Кирпич обожженный Копыловского завода 40,09 36,4233 479,27 26,21 Кирпич обожженный ОАО ТЗКМиИ 42,03 38,41 588,2 37,68 Шамот (бой кирпича) ОАО ТЗКМиИ 37,54 43,75 682,03 Пресс-порошок для керамической плитки ОАО 29,2 26,1367 282,07 17 ТЗСМиИ Кирпич белый силикатный Копыловского завода 17,9 5,13 54,44 Кирпич-сырец Копыловского завода 15,02 33,1567 321,43 19,6033 Материал Аэфф Бк/кг 114 102,1 130,6 144,9 155,81 88,57 29,48 83,52 Разработан состав и метод уменьшения эманации радона из строительных материалов в атмосферу помещений. Эта задача решается тем, что строительная смесь, включающая портландцемент, мелкий заполнитель, воду и добавку латекса на основе акрилатов, содержит гидроксид бария. Введение в состав смеси гидроксида бария обеспечивает протекание реакции, в результате которой происходит нейтрализация сульфатной серы: H2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4 + 2H2O. Выпадающий из раствора нетоксичный BaSO4 обеспечивает заполнение пустот, пор и капилляров, что значительно снижает эманацию радона за счет поглощения электромагнитного излучения и защищает строительный материал от избыточной влажности, а также биологической и химической коррозии. 125 Роговские чтения УДК 556.18 НЕКОТОРЫЕ РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТАТИСТИЧЕСКОГО УЧЕТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДЫ Т.П. Хохлова Отдел водных ресурсов по Томской области Верхне-Обского БВУ, г. Томск, Россия В статье раскрываются вопросы учета и анализа статистических данных об использовании воды. Рассматриваются региональные проблемы статистики учета вод. Проводится сравнительный анализ различных подходов к методологии учета вод на примере Томской области. Ключевые слова: статистическая отчетность, форма № 2-ТП (водхоз), забор воды, сброс воды, использование воды. В соответствии с Водным кодексом РФ, водопользователи обязаны вести в установленном порядке учет забираемых, используемых и сбрасываемых вод, а также учет количества загрязняющих веществ в сбрасываемых стоках. Данные первичного учета используются, в частности, для ведения государственной статистического наблюдения об использовании воды по форме № 2-ТП (водхоз). Эта отчетность, введенная на территории Советского Союза в 1972 г., до сих пор является крупным достижением не только нашей, но и мировой статистической теории и практики. Однако за 40 лет изменилось экономическое положение нашей страны, плановое ведение хозяйством сменилось рыночной конкуренцией. Но по-прежнему не вызывает сомнения значение статистической информации для решения конкретных экономических, природоохранных задач по управлению и развитию регионом, поскольку данные вопросы при непродуманных решениях и ошибочных оценках могут оказать ощутимое отрицательное воздействие на экономику и обострить социальную напряженность. В системе сбора, обработки и анализа статистической информации, в частности, в сфере природных ресурсов существует проблема компетентных специалистов. Поэтому при организации учета в сфере природных ресурсов полномочия по формированию статистического наблюдения закрепились за органом управления этими ресурсами. Ведение статистического наблюдения об использовании воды с 1972 г. входит в задачи уполномоченного органа по управлению водным хозяйством, с 2004 г. им являются Росводресурсы в составе МПР России. В 2010 г. Росводресурсы обновили программный комплекс, при помощи которого происходит сбор, обработка, обобщение и анализ первичных данных об использовании вод. При помощи информационно-аналитической системы обработки сведений об использовании воды – ИАС «2-ТП (водхоз)» информацию стало возможным обобщать в разрезе административных округов, водохозяйственных участков, по видам экономической деятельности и в другие группировки. В практическом отношении существуют принципиальные трудности обработки информации в едином программном продукте, в учете всех индивидуальные особенности объектов наблюдения и региональных особенностей использования вод. Этому способствует и несовершенная методологическая база, которая формировалась еще в 70-е гг. прошлого столетия. Поэтому основные трудности при формировании итогового отчета об использовании воды происходят на этапе обобщения информации на региональном и федеральном уровнях. Критерий охвата статистическим наблюдением подлежащих учету респондентов определяется п. 1.1 приказа Росстата № 230 от 19.10.2009 «Об утверждении статистического инструментария для организации Росводресурсами федерального статистического наблюдения об использовании воды», ограничивается определенным объемом забора воды и фактом сброса сточных вод в водные объекты. В данной статье автор анализирует только две региональные особенности учета вод в Томской области – это влияние крупного водопользователя и влияние нефтегазового комплекса на водохозяйственную ситуацию в регионе. Объем забора воды и его колебания в разные годы в Томской области неизменно определяется производственной программой ОАО «СХК», речная вода используется в прямоточной системе охлаждения агрегатов ТЭЦ ОАО «СХК». Как пример: 2012 год был аномально засушливый, поэтому была 126 Секция 3 увеличена нагрузка по компенсации электроэнергии на ТЭЦ ОАО «СХК» недополученной на Красноярской ГЭС, отсюда и увеличение забор воды из поверхностного водного объекта на 7 % и сброса воды на 5 % в сравнении с 2011 г. (таблица, п.п. 4, 25). Основные показатели водопотребления и водоотведения за период с 2010 по 2013 гг. по Томской области (млн м3) N 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Показатели 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г. 2 3 4 5 Количество отчитавшихся респондентов (шт.) 149,00 144,00 151,00 1. Забор воды Забрано воды всего 569,76 526,88 601,18 Забрано морской воды 0,00 0,00 0,00 Забрано пресной поверхностной воды 446,08 411,30 443,64 Забрано подземной воды 123,68 115,58 157,54 Измерено воды, забранной из природных источников 126,54 117,63 110,15 Потери при транспортировке 32,78 28,60 20,61 2. Допустимый объем забора воды Допустимый объем забора воды из природных источников: 751,89 747,52 758,56 допустимый объем забора воды из поверхностных источ538,59 538,22 538,04 ников допустимый объем забора подземной воды 213,29 209,30 220,52 3. Использование воды по источникам водопользования и категории воды Использовано свежей воды всего 530,83 495,19 580,57 Использование свежей воды на питьевые и хозяйственно57,76 54,33 55,75 бытовые нужды Использование свежей воды на производ. нужды 455,00 419,32 446,58 Использование свежей воды на орошение 0,11 0,14 0,23 Использование свежей воды на сельхозводоснабжение 3,51 3,24 3,27 Использование свежей воды на другие нужды 14,44 18,16 74,74 Использование питьевой воды всего 72,73 71,01 73,30 Использование питьевой воды на производ. нужды 10,52 9,59 9,08 Использование технической воды 445,19 410,46 442,86 Оборотное, повторное и последовательное водоснабжение: 881,86 895,86 784,33 оборотное водоснабжение 743,55 751,99 713,33 повторное водоснабжение 138,26 143,81 70,94 последовательное водоснабжение 0,05 0,07 0,07 4. Сброс воды в природные поверхностные водные объекты Количество респондентов, имеющих сброс (шт.) 54,00 54,00 61,00 Сброшено сточной, транзитной и др. вод в поверхностные 466,50 429,62 454,52 объекты всего Объем сточных вод, требующих очистки 77,81 87,16 81,08 сброшено сточной воды без очистки 3,74 3,96 3,01 сброшено сточной воды недостаточно очищенной 10,48 21,82 21,17 сброшено сточной воды нормативно очищенной 63,59 61,39 56,89 Сброшено сточной воды нормативно чистой 388,69 342,46 373,44 Мощность очистных сооружений перед сбросом в водные 104,20 132,69 132,47 объекты 6 149,00 509,68 0,00 355,49 154,19 440,89 18,65 769,17 540,08 229,09 491,02 59,26 351,49 0,06 3,42 76,79 71,93 8,87 353,17 759,44 693,03 66,23 0,18 58,00 370,91 83,43 6,49 20,08 56,86 287,48 134,05 127 Роговские чтения Чтобы продемонстрировать, как в статистическом учете за наличием крупного водопользователя в регионе «скрывается» иная водохозяйственная обстановка следует обратиться к структуре забора воды из водных объектов по видам экономической деятельности. Из года в год она существенно не меняется и в 2013 г. составляла: обрабатывающее производство – 67 %, производство и распределение электроэнергии, газа, воды – 18 %, добыча полезных ископаемых – 13 %, менее 1 % – сельское хозяйство (рис. 1, а). В Томская области 65 % всей воды забирается на нужды ОАО «СХК», т. е. по виду экономической деятельности – на обрабатывающее производство. Поэтому есть смысл посмотреть, какова же будет структура забора воды без учета «гиганта обрабатывающего производства Томской области»: обрабатывающее производство – 8 %, производство и распределение электроэнергии, газа, воды – 51 %, добыча полезных ископаемых – 38 %, 2 % – сельское хозяйство (рис. 1, б). добыча ПИ 13% производст во и распределе ние эл.энергии, газа и воды 18% сельское хозяйство 1% сельское хозяйство 2% Прочее 1% Обрабатыв ающие производст ва 67% Прочее 1% Обрабатыв ающие производст ва 8% производст во и распределе ние эл.энергии, газа и воды 51% добыча ПИ 38% а б Рис. 1. Структура забора воды по видам экономической деятельности по Томской области в 2013 г.: а – учтены все респонденты; б – без учета респондентов ЗАТО Северск предоставл ение ком.услуг 15% производст во, распред еление эл.энергии, газа, воды 3% социальное страховани е 1% Прочее 0% производст во, распред еление эл.энергии, газа, воды 13% обрабатыва ющие производст ва 81% а социальное страховани е 6% Прочее 2% обрабатыва ющие производст ва 1% предоставл ение ком.услуг 78% б Рис. 2. Структура сброса воды по видам экономической деятельности по Томской области в 2013 г.: а – учтены все респонденты; б – без учета респондентов ЗАТО Северск Объем сброса сточных вод в ПВО зависит от объема забранной воды ОАО «СХК» (таблица, п. 25), от этого зависит и структура сброса сточных вод по видам экономической деятельности (рис. 2, а). Без учета сброса сточных вод ОАО «СХК» доля обрабатывающих производств меняется с 81 на 1 %, а предоставление коммунальных услуг с 15 на 78 % (рис. 2, б). 128 Секция 3 Большую часть сточных вод попадающих в водные объекты Томской области – 78 %, составляют нормативно чистые воды (без очистки), почти полностью используемые для охлаждения тепловых агрегатов ОАО «СХК»; 15 % – нормативно-очищенные воды на очистных сооружениях ЗАО «Городские очистные сооружения», загрязненные воды, содержание в которых загрязняющих веществ превышает НДС составляют 7 % (без учета прямоточного сброса ОАО «СХК» эта доля увеличивается до 22 %) и относятся к сектору ЖКХ. Как влияют неоднозначные методологические указания по заполнению формы статистического наблюдения на основные показатели по учету воды и возможно на объективную оценку водопользования в Томской области, можно увидеть на примере учета подтоварной воды в сфере нефтегазового комплекса. В методических указаниях по заполнению формы № «2-ТП (водхоз)» однозначно не прописано как систематизировать подтоварную воду с точки зрения статистической отчетности. Отдел водных ресурсов по Томской области в своей работе по сбору и обобщению информации по учету подтоварных вод воспользовался письмом МПР от 11.05.2011 № 02-11-47/7129 «О квалификации попутно добываемых пластовых вод», которое разъясняет, что попутно добываемая минерализованная вода не относится к отходам производства. «Утилизация попутно добываемой из недр пластовой воды возможна в 2 вариантах: – закачка в продуктивный пласт (из которого вода была добыта) через систему нагнетательных скважин для поддержания пластового давления и вытеснения нефти из порового пространства пластов-коллекторов; – закачка в горизонты, не имеющие промышленного значения, что можно рассматривать как возврат временно поднятой из недр на поверхность пластовой воды в естественные природные условия залегания». Учет подтоварных вод в Томской области с 2012 г. основывается на определении слова «утилизация – использование». С 2012 г. попутно забранную воду при добыче углеводородного сырья в статистических формах № 2-ТП (водхоз) рекомендуется водопользователям учитывать так, что ИАС «2-тп (водхоз)» ее группирует, как – «забрано подземной воды», – использование на ППД и «другие нужды» и сброс этой воды в подземные горизонты отсутствует. Существует альтернативное мнение, которое основывается на том, что статистическое наблюдение об использовании воды является балансом использования вод, т. е. существует равновесие между забранной водой из природы, использованной водой в экономике (с учетом потерь при транспортировке) и возвращенной водой в природу. Балансовый принцип использовался в статистическом учете Томской области до 2012 г.: закачка в продуктивный пласт – является использованием воды для целей поддержания пластового давления (причем повторное использование воды, т. к. экономится вода, которую не пришлось добывать для этой цели), а закачка в «непродуктивный» пласт – не является использованием воды для каких-либо целей, от нее избавляются, возвращая в природу, сбрасывая в подземные горизонты. Объем забранной воды из подземных водных объектов в 2012 г. увеличился почти на 40 % (таблица, п. 5), использование свежей воды на другие нужды выросло более чем на 400 % (таблица, п. 16), уменьшилось повторное использование воды в 2 раза (таблица, п. 22). Из анализа статистического учета можно сделать вывод, что подтоварная вода специально добывается и вся используется в экономике региона, даже в случае закачки в непродуктивный пласт, при этом экономии воды не происходит. Выводы 1. Влияние одного крупного водопользователя, использующего воды более 65 % от всей воды в регионе вуалирует статистическую отчетность и тем самым скрывает водохозяйственную обстановку в других сферах экономики, например в ЖКХ. 2. Неоднозначность методологических указаний по заполнению статистических форм № 2-ТП (водхоз) «Об использовании воды» приводит к неоднозначности понимания водохозяйственной ситуации в региона и в конечном счете страны. 129 Роговские чтения УДК 502:332.142.6 КУЛЬТУРНЫЙ ЛАНДШАФТ ГОРОДА КАК РЕЗУЛЬТАТ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ В ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Л.В. Шерстобитова Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, Россия E-mail: lvshers@mail.ru В статье рассмотрены закономерности формирования культурного ландшафта города Томска, характерные особенности современного культурного ландшафта города как основы градостроительной деятельности. Предложены принципы градостроительной деятельности на основе анализа эколого-экономических отношений. Ключевые слова: городская среда, культурный ландшафт, эколого-экономические отношения, экологоэкономическое регулирование градостроительной деятельности. Городская среда представляет собой особую форму среды жизнедеятельности человека. Ее создание, определение, закономерности изменения должны стать предметом всестороннего изучения. В городской среде переплетаются между собой три части: природное основание города, культурное освоение пространства и технические инструменты изменения природной среды (градостроительная деятельность). Для успешного преодоления противоречий городской среды необходимо решить два вопроса: 1) выявить закономерности освоения природного неизмененного ландшафта градостроительной деятельностью и ограничения градостроительной деятельности природными процессами; 2) выявить закономерности формирования культурного ландшафта города и ограничения градостроительной деятельности для сохранения культурного ландшафта. Для решения поставленных задач воспользуемся моделированием культурного ландшафта города как синонима городской среды. Из многочисленных определений культурного ландшафта [1] наиболее точным для наших целей будет определение Ю.А. Веденина: «…целостная и территориально локализованная совокупность природных, технических и социально-культурных явлений, сформировавшихся в результате соединенного влияния природных процессов и художественно-творческой интеллектуально-созидательной и жизнеобеспечивающей деятельности людей» (цит. по [2, с. 194]. В данном определении подчеркивается тройственная сущность культурного ландшафта, о которой было сказано выше. Рассмотрим, как решаются поставленные задачи по отношению к городской среде Томска – уникального городского культурного ландшафта Сибири. Томск – один из первых сибирских городов, имеет 400-летнюю историю и – самое главное в современном культурном ландшафте – сохраненную старую застройку площадными кварталами. Погребенные природные ландшафты Томска – это склоны речных террас и выровненные поверхности пойм, террас и междуречий, занятые березовыми, березово-осиновыми лесами, луговой и кустарниковой растительностью. Ограниченно встречаются болота (верховые – на междуречьях и низовые – в поймах рек), хвойные леса – кедрачи и сосняки [3]. Растительный покров носит мозаичный характер, что определяется большим перепадом высот (120 м), то есть пересеченной местностью. Рельеф земной поверхности и геологическое строение территории определили зоны активизации опасных геологических процессов – опознеобразования и оврагообразования; гидрогеологические ситуации и водный режим рек – зоны опасных гидрологических и гидрогеологических процессов – подтопления и затопления [4]. Все эти природные ограничения градостроительной деятельности и мозаичность пространственной ландшафтной структуры изначально задали характер освоения территории. Город был основан в 1604 г. как деревянная крепость на высоком мысе при впадении малой реки Ушайки в большую реку Томь. Это объясняется использованием естественных рубежей – рек и склонов речных долин – в качестве оборонительных сооружений. Первая функция Томска – город-крепость, опорный пункт государства – носила политический характер маркировки и укрепления государственных рубежей. Природное возвышение – узкое (не более 100 м в ширину) высокое (15–20 м) образование, остаток террасы Томи, подмываемой водами Ушайки, был будто бы специально создан для строительства крепости (рис. 1). 130 Секция 3 Политическая функция Томска сменилась экономической в момент прохождения через город Сибирского почтового тракта Москва – Иркутск в 1735 г. Эта первая коммуникация, соединившая Европейскую и Азиатскую части Российской Империи, создала предпосылки экономического развития Томска на полтора века вперед. Экономическая функция города после строительства тракта – это обеспечение движение транспорта (извоз, коневодство, сопутствующие ремесла, ремонт дороги). Новое положение города обусловило приток населения и капиталов, что послужило бурРис. 1. План Томской крепости, по [3] ному экономическому развитию Томска в XIX в. Торговые и позже – промышленные предприятия, основанные томскими купцами, способствовали расширению границ города и новому строительству на освоенных территориях. В 1830 г. был создан первый генеральный план Томска с регулярной прямоугольной сеткой улиц и кварталов, в противовес с хаотичной сетки улиц, соответствующей элементам природного рельефа в той части города, которая появилась в предыдущее столетие. Это событие – принятие генерального плана Томска – следует считать началом формирования культурного ландшафта, так как в градостроительной деятельности появились элементы регулирования, необходимые для успешного развития города. Культурный ландшафт Томска второй половины XIX – начала XX в. представлял собой сочетание деревянных зданий с обширными противопожарными разрывами. Только в центральной части по главной улице и прилегающим переулкам возводились каменные здания чаще всего коммерческого или общественного назначения [5]. Сегодня культурный ландшафт исторической застройки представлен кварталами в историческом районе Томска, эта территория объявлена зоной с особыми условиями ведения градостроительной деятельности (зона охраны культурного наследия). Закономерностями градостроительного освоения природного ландшафта Томска следующие: 1. Освоение природного ландшафта в соответствии с формами рельефа: высокие объекты – башни крепости, Воскресенская церковь создавались на возвышенностях, низкие объекты – одно-, двухэтажные дома – в низинах поймы. Воскресенская церковь долгое время была визуальной доминантой города (рис. 2). Рис. 2. Томск на гравюре XIX века, по [5] 131 Роговские чтения 2. Осью пространственного развития города первое время был Сибирский почтовый тракт – инженерное сооружение, что подчеркивает высокую экономическую роль Томска в Азиатской части России (в XVIII – начале XX вв.). Позже осями развития стали природные объекты – русла рек Томи и Ушайки. 3. В Томске XIX в., как и в любом быстроразвивающемся городе, происходит поляризация городской среды: созданные по принятому генплану районы южной части города становятся местом жительства обеспеченных горожан, а позже и интеллигенции (после открытия Императорского Томского университета). Местами проживания бедных горожан – рабочих заводов и фабрик, мастеровых и ремесленников – становятся северные части города. На севере от центра появляется отдаленный район Спичфабрики с промышленным предприятием и поселком для рабочих, размещенный с учетом экологических требований. Особо стоит национальный район компактного проживания сибирских татар, расположенный в южной части города. Поляризация культурного ландшафта определила разделение городской территории на престижные и непрестижные районы проживания, обозначив дальнейшее градостроительное освоение. Эту закономерность следует отнести к первому экономическому регулятору градостроительной деятельности, а в случае размещения Спичфабрики – к эколого-экономическому регулятору. В ХХ в. Томск, в отличие от других сибирских городов, развивался замедленными (в сравнении с предыдущим веком) темпами при недостатке экономических ресурсов для капитального строительства. Именно недостаток ресурсов позволил сохранить нетронутой историческую застройку в центральной части города. Постепенно, во второй половине ХХ в., осваивались территории по тем же осям развития – Сибирскому почтовому тракту, руслам рек Томи и Ушайки. Новой осью развития стал проспект Фрунзе, где в военное и послевоенное время образовался промышленный узел крупных предприятий. К городу присоединялись близлежащие территории, в старых исторических районах возводились точечные объекты, мало меняющие их внешний облик. Старые здания конца XIX – начала XX в. постройки продолжали выполнять свои функции, в большинстве случаев без капитального ремонта и даже без модернизации систем жизнеобеспечения (первый капитальный ремонт здания первого корпуса Томского госуниверситета начался в 1993 г. после аварии, связанной с падением кровли.) В XXI в. в градостроительном преобразовании среды продолжалась та же тенденция: точечная застройка в старых районах и микрорайонная застройка близлежащих природных ландшафтов. В редких случаях в градостроительной деятельности наблюдается замена старой застройки на новую, имеющую площадной характер микрорайона. Итак, формирование культурного ландшафта Томска в советский период времени при централизованном распределении ресурсов происходило на ограниченной по площади территории и в условиях недостаточных ресурсов для градостроительной деятельности, что позволило сохранить историческую застройку на большой площади в центральной части города, сделавшуюся «визитной карточкой» Томска и определившей его уникальность. На сегодняшний день Томск – единственный город с полумиллионной численностью населения, в уставе которого ведущей (градообразующей) экономической деятельностью провозглашен научно-образовательный комплекс. Это определяет характерные черты культурного ландшафта современного Томска и преимущественные характеристики человеческого капитала города, такие, как большой приток молодежи в качестве студентов учебных заведений и высокий уровень образования среди населения. В Томске, по данным официального сайта [6], самые высокие в России показатели обеспеченности научными кадрами (160 чел. на 10 тыс. населения). В тоже время в культурном ландшафте современного Томска складывается объективное противоречие между старым (старой застройкой, историческим ландшафтом и памятниками культурного наследия) и новым (в первую очередь – высокими требованиями к комфорту своей среды жизнедеятельности у молодого образованного населения, центральным местоположением корпусов вузов и отдаленными новыми микрорайонами). Это противоречие возможно частично снять через анализ эколого-экономических отношений в градостроительной деятельности. В период накопления нефтегазовой ренты (1999–2008 гг.) Томск испытал настоящий «строительный бум»: растущий спекулятивный капитал и привлекательность Томска как местожительства обозначили высокие темпы жилищного строительства. При этом правовое поле градостроительной деятельности было создано только к 2007 г. документами «Градостроительный кодекс Российской Федерации» (2006 г.), «Генеральный план развития Томска» (2006 г.) и «Правила землепользования и застройки 132 Секция 3 в городе Томске» (2007 г.). До этого времени ведущим регулятором градостроительной деятельности был экономический – выгода от строительства нового объекта недвижимости и продажи (или аренды) помещений. Результатом ведущей роли экономического регулятора стали следующие факты: – увеличение плотности застройки в центральной части города, где до этого преобладала историческая среда. Стремление сохранить ценные старые объекты и в тоже время выгодно использовать земельные участки престижного центрального местоположения породили архитектурный хаос визуального восприятия новодела вперемежку со зданиями-памятниками; – появившиеся новые микрорайоны, в том числе и отдаленные – малоэтажной застройки – требуют инфраструктурного освоения территории. Строительство инфраструктурных объектов – объектов инженерной, дорожной, социальной и экологической инфраструктуры – является зоной ответственности муниципального уровня власти и по темпам значительно отстает от жилищного строительства; – преобразование существующих районов с увеличение производительности земельного участка (замена малоэтажной застройки частного сектора на многоэтажную застройку многоквартирными жилыми домами), а также новое строительство на неосвоенных природных территориях и уплотнение застройки в старых районах часто пренебрегают требованиями защиты территории от опасных природных процессов, а зачастую и провоцирует их активизацию. Во вновь созданных кварталах и жилых группах обостряются экологические проблемы в результате роста антропогенной нагрузки на территорию, связанные прежде всего с вывозом твердых бытовых отходов и недостатком озеленения. Практика градостроительной деятельности показывает, что экономический регулятор дает положительные результаты только на начальных этапах создания культурного ландшафта города (для Томска это XIX в.). С возрастанием людности и усложнением ландшафтной структуры, снятием природных ограничений из-за совершенствования технического инструментария освоения территории экономическое регулирование должно дополняться эколого-экономическим с обязательным отражением его в правовом регулировании городского землепользования. Эколого-экономическое регулирование представляет собой ведение градостроительной деятельности не как создания отдельных объектов недвижимости, а как создания целостной комфортной и безопасной городской среды [7], культурного ландшафта города, продолжающего традиции. Обоснованием действий градостроительства при этом является анализ эколого-экономических отношений в конкретных ситуациях культурного ландшафта. Учитывая вышесказанное, градостроительная деятельность в городе Томске определяется следующими принципами. Принцип первичности инфраструктуры: на вновь освоенной территории объекты инфраструктуры должны создаваться параллельно или даже опережая объекты жилищного строительства, при этом особое внимание следует уделять дорогостоящим объектам инженерной, транспортной, социальной инфраструктуры, развивая государственно-частное партнерство. Принцип максимального озеленения городской среды: компактная планировочная структура при высокой плотности застройки, характерная для Томска, предполагает только линейные (аллеи, поймы рек) и узловые (скверы и парки небольшой площади) элементы, тогда как для поддержания благоприятной экологической обстановки необходимы площадные элементы – большие по площади территории сохраненного природного или воссозданного квазиприродного ландшафта [8]. Недостаток озеленения города следует восполнять внутридворовым озеленением через инициативу местных жителей и владельцев малых предприятий. Принцип сохранения ценного исторического ландшафта как основы культурного ландшафта Томска: реализация этого принципа предполагает проведение масштабной культурологической и технической экспертизы исторических кварталов города. Результаты экспертиз должны дать исходную информацию для определения объемов восстановительных работ и работ по поддержанию объектов ценного исторического ландшафта в рабочем состоянии. Для реализации этого принципа также необходимо воссоздание технологий строительства, характерных для зданий-памятников, при возведении новых объектов. Принцип поддержания эколого-хозяйственного баланса территории: сущность экологохозяйственного баланса территории заключается в компенсации техногенно освоенных территорий (городских застроек) неизмененными территориями природных ландшафтов пригорода. Для Томска реализация этого принципа играет большую роль и в обеспечении водной безопасности жителей: при 133 Роговские чтения возрастании антропогенной нагрузки на пригородную территорию Томского подземного водозабора возрастает вероятность загрязнения ресурсов хозяйственно-питьевого водоснабжения [9]. Итак: культурный ландшафт Томска, складывавшийся на протяжении четырех веков, является результатом эколого-экономических отношений землепользования при освоении природного ландшафта. Первым фактом учета экологической составляющей в формировании культурного ландшафта Томска следует считать размещение Спичфабрики – опасного производства XIX в. – за пределами города. Регулирование градостроительной деятельности в культурном ландшафте Томска также должно носить эколого-экономический характер, целью которого является создание такой городской среды, которая отвечала бы культурным традициям исторического Томска, требованиям безопасности при активизации опасных природных процессов и способствовала бы повышению экологических свойств территории города и пригорода. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Культурный ландшафт как объект наследия / под ред. Ю.А. Веденина, М.Е. Кулешовой. – М. : Ин-т наследия; СПб. : Дмитрий Буланин, 2004. – 620 с. 2. Шишкин, М.Ю. Ноосфера, культура, культурный ландшафт / М.Ю. Шишкин. – Новосибирск : СО РАН, 2003. – С. 234. 3. Шакирова, А.Р. Геоэкологический анализ урбанизированных территорий (на примере г. Томска): дис. … канд. геогр. наук. – Томск, 2007. – 189 с. 4. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техногенные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.М. Лазарев. – Томск : Печатная мануфактура, 2005. – 152 с. 5. Романова, Л.С. Здесь начинался Томск. Прошлое, настоящее, будущее / Л.С. Романова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2004. – 218 с. 6. Официальный портал муниципального образования «Томск». – Условия доступа : www.admin.tomsk.ru 7. Нужина, И.П. Эколого-экономическое регулирование инвестиционно-строительной деятельности в регионе / И.П. Нужина. – СПб. : Изд-во СПбГУЭФ, 2010. – 251 с. 8. Тетиор, А.Н. Городская экология: учебник / А.Н. Тетиор. – 2-е изд., стер. – М. : Академия, 2007. – 336 с. 9. Лукашевич, О.Д. Геоэкологическая безопасность питьевого водопользования / О.Д. Лукашевич // Труды томских ученых по системам водоснабжения. – Томск : Издательский дом «Цхай и К°», 2005. – С. 127–136. 134 Секция 3 УДК 502.131 РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАЛЬНОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ ТЕРРИТОРИИ ГОРОДСКОГО ОКРУГА КАК МЕТОД ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Р.Н. Анисимов Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия E-mail: anicimovrn@mail.ru В данной статье рассмотрена возможность снижения негативного воздействия на окружающую среду на территории городских округов путем разработки комплекса мероприятий по совершенствованию системы управления отходами. Ключевые слова: обращение с отходами, генеральная схема очистки территорий, система управления отходами, геоэкология, урбанизированные территории. Проблема обращения с отходами является одним из основных направлений в реализации концепции устойчивого развития. Комплексный подход к решению данной проблемы включает в себя экологическую направленность применяемых технологий, сохранение природоемкости экономики и совершенствование эффективности системы управления отходами. В данной статье рассматривается один из способов совершенствования эффективности системы управления отходами на уровне городского округа. Основными причинами загрязнения урбанизированных территорий продолжают оставаться: возникновение стихийных несанкционированных свалок; отсутствие оборудованных контейнерных площадок с твердым покрытием и ограждением; несвоевременный вывоз ТБО с территории населенного пункта; изношенность и дефицит спецавтотранспорта и контейнеров для сбора твердых коммунальных отходов; отсутствие условий для мойки и дезинфекции мусоросборных контейнеров. В соответствии с пунктом 24 части 1 статьи 16 федерального закона № 131-ФЗ «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации» организация мероприятий по сбору, вывозу, утилизации и переработки отходов обеспечивается органами местного самоуправления. Образование многочисленных несанкционированных свалок на территориях городских округов говорит о ненадлежащем исполнении этих обязанностей. Несмотря на ликвидацию подобных свалок, проблемы это не решает, поскольку ликвидация несанкционированных свалок – это лишь борьба со следствием и в настоящее время возникает вопрос о необходимости организовать работу по созданию цивилизованной системы обращения с отходами на территории населенных пунктов. Решением проблемы эффективности управления отходами является разработка генеральной схемы очистки территории. Генеральная схема направлена на обеспечение организации рациональной системы сбора, хранения, регулярного вывоза отходов и уборки территорий. Как правило, генеральная схема очистки разрабатывается в составе генерального плана города на срок до 5 лет, с выделением первой очереди мероприятий, а прогноз может охватывать срок до 10–20 лет. Генеральная схема определяет объемы работ, методы сбора, удаления, обезвреживания и переработки отходов, необходимое количество спецмашин, механизмов, оборудования и инвентаря для системы очистки и уборки городских территорий, целесообразность строительства, реконструкции или расширения объектов, очередность выполняемых мероприятий [1]. Помимо снижения негативного воздействия на окружающую среду, генеральная схема очистки территории представляет собой экономически обоснованную модель управления отраслью обращения с отходами производства и потребления через механизмы саморегулирования, в том числе создание системы сбора и утилизации твердых коммунальных отходов, внедрения передовых технологий по сбору, сортировке, переработке и вовлечении полезных компонентов отходов в повторный хозяйственный оборот и создания биржи вторсырья, применения инновационных технологий размещения отходов, обеспечивающих выполнение требований по охране окружающей среды [2]. Немаловажным фактором в разработке генеральной схемы очистки территории является планирование транспортной логистики. В общем понятии транспортной логистикой называют систему 135 Роговские чтения по организации доставки, а именно по перемещению каких-либо материальных предметов, веществ и прочего из одной точки в другую по оптимальному маршруту. [3] Актуальность проблемы логистики в сфере обращения с отходами возрастает в зависимости от численности населения и площади территории городского округа. Несмотря на то, что оптимизация маршрутов сбора отходов с городских территорий и их транспортирования до конечной точки (полигон для захоронения отходов, завод по переработке отходов) позволяет экономить как финансовые, так и трудовые ресурсы, внимание этому вопросу уделяется недостаточно. Генеральная схема очистки территории предусматривает планирование транспортной логистики для городского округа с целью минимизировать затраты на транспортировку отходов. Таким образом, руководствуясь разработанной генеральной схемой очистки и действующим законодательством, органы местного самоуправления могут обоснованно определять стратегию и разрабатывать программные мероприятия в области обращения с отходами производства и потребления на территории городских округов [1]. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. МДК 7-01.2003. Методические рекомендации о порядке разработки генеральных схем очистки территорий населенных пунктов Российской Федерации: Постановление Госстроя России от 21 августа 2003 г. № 152. 2. Концепция развития саморегулирования в сфере обращения с отходами [Электронный ресурс]. – Условия доступа : http://www.souz-eco.ru/kontseptsiya-razvitiya-samoregulirovaniya-v-sfere-obrashcheniya-s-otkhodami1 (дата обращения 12.02.2015). 3. Транспортная логистика. – Условия доступа : http://www.businessvoc.ru/bv/TermWin.asp?theme=&word_id=29165 (дата обращения 12.02.2015). 136 Секция 4. ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ: МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ, ОЦЕНКИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ УДК 550.82 ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ТЕРРИТОРИЙ И НАСЕЛЕНИЯ ОТ ОПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ (ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ, ГЕОЭКОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ) В.Е. Ольховатенко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: igg@tsuab.ru Рассмотрены природные и техноприродные факторы развития опасных процессов, методы их изучения, оценка инженерной защиты. Освещены природные и техноприродные процессы г. Томска и их влияние на состояние, и устойчивость природно-технических систем. Ключевые слова: инженерная защита, опасные процессы, устойчивость природно-технических систем, зонирование территорий, уровень риска, степень опасности. Развитие опасных природных и техноприродных процессов на планете Земля приводит к колоссальным экономическим потерям и многочисленным человеческим жертвам. Подробный анализ природных катастроф на рубеже XXI в. дается в работе В.И. Осипова [3]. Среди природных катастроф наиболее разрушительными являются тайфуны, штормы, наводнения и землетрясения. Процентные соотношения природных катастроф показано на рис. 1, из которого видно, что наибольшим развитием на планете пользуются тайфуны и штормы (34 %), наводнения (32 %), землетрясения (13 %). Рис. 1. Наиболее распространенные природные катастрофы в мире 137 Роговские чтения Распределение крупных катастроф по континентам мира показано на рис.2. Как видно из рисунка наибольшее количество катастроф приходится на Азию (39 %) и Америку (26 %). Этим объясняются и наибольшие экономические потери на азиатском (46 %) и американском (26 %) континентах. Среди наиболее опасных природных катастроф необходимо отметить землетрясения в Японии, наводнения в Европе, Китае, России, оползни на Адриатическом побережье Италии, в Китае и других странах. Увеличение количества природных катастроф обусловлено целым рядом факторов природного и техногенного характера, к которым относится рост населения планеты, урбанизация городов, глобальные изменения климата, интенсивное воздействие на литосферу. Рис. 2. Распределение крупных катастроф по континентам мира С учетом сложившейся ситуации ученые многих стран принимают активное участие в решении проблем, связанных с изучением природных опасностей и инженерной защитой территорий. Под эгидой Ассоциации по инженерной геологии и охране окружающей среды в 2011 г. в Москве прошла Международная конференция, посвященная решению проблем инженерной защиты территорий и населения, в которой приняли участие 300 ученых из России и зарубежных государств. Особенный интерес вызвали доклады посвященные оползням на Адриатическом побережье Италии землетрясениям в Японии, наводнениям в Европе. На Адриатическом побережье Италии длительное время развивались оползневые процессы, приносящие большой экономический ущерб и сопровождающиеся гибелью людей. По описанию Ганса Клауса [4] объем оползня в Вайонте составил 270 млн м3, скорость движения оползня 97 км/ч, время схода оползня 25 с., число погибших 2043 чел. Крупный оползень произошел в 1982 г. вдоль Адриатического побережья к северу от г. Анкона [4]. Объем движущейся массы составил 180 млн м3. Оползнем были повреждены многочисленные строения и инфраструктура города. Развитие опасных природных и техноприродных процессов на территории г. Томска обусловлено природно-климатическими и техногенными факторами. Выполненные нами исследования [1, 2] показали, что наибольшую опасность при застройке территории г. Томска представляют оползни, эрозионные процессы, оврагообразование и подтопление территорий. Оползнеопасными в г. Томске являются территории Лагерного Сада, мкр. «Солнечный», Каштачной и Воскресенской гор. Преимущественным развитием на территории Лагерного Сада пользуются оползни вязкопластического течения и сдвига. Основной причиной развития оползней является обводнение грунтового массива за счет подземных вод неоген-палеогенового водоносного горизонта Комплексным проектом противооползневых мероприятий предусматривалось устройство вертикального дренажа, уполажи138 Секция 4 вание склона, строительство дренажных прорезей, удерживающих сооружений, контрбанкета, упорядочение поверхностного стока. Для осушения неоген-палеогенового водоносного горизонта была запроектирована дренажная горная выработка. К настоящему времени не все запроектированные мероприятия выполнены в полном объеме. В период изысканий и проектирования не учитывались возможные изменения напряженно-деформированного состояния грунтов склона в процессе эксплуатации ДГВ. Оценка степени опасности и уровня риска от воздействия ДГВ на геологическую среду не осуществлялось, что привело к формированию ослабленных зон на участках провалов грунтов. Прокладка ДГВ в юго-восточном направлении осложняется наличием тектонических разломов, которые послужили причиной поступления напорных вод из нижележащего горизонта. Отсутствие нормальной эксплуатации и своевременного ремонта приводит к разрушению конструкций ДГВ, снижению эффективности осушения. Обследование ДГВ показало, что значительная часть фильтров не работает из-за их кальматации, что приводит к повышению уровня подземных вод. Общей проблемой территории Лагерного Сада является отсутствие мониторинга за природно-техническими системами и изменением напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Концентрация напряжений в грунтах по оси штольни, их увлажнение при повышении уровня подземных вод может послужить причиной активизации оползневых процессов на рассматриваемой территории. Оползневые процессы на территории мкр. «Солнечный» связаны со строительством двух 10-этажных жилых домов на оползнеопасном склоне. Наряду с природными факторами на развитие оползневых процессов большое влияние оказали техногенные факторы: – пригрузка склона при строительстве 10-ти этажных домов; – техногенное обводнение грунтового массива; – замачивание грунтов за счет скопления воды в котловане, вырытом для строительства детского сада; – отсутствие дренажно-ливневой канализации. Геологическое строение территории характеризуется распространением слаболитифицированных горных пород четвертичного и неоген-палеогенового возраста, преимущественно-глинистосуглинистого состава, что и предопределило ход оползневого процесса. Существенный вклад в него внесли подземные воды, разгрузка которых осуществляется у подножия склона. Гидродинамическое давление подземных вод и широко развитая суффозия привели к изменению напряженнодеформированного состояния грунтового массива и снижению прочностных показателей. Это, в свою очередь, стало причиной глубинной ползучести глинистых грунтов. На данной стадии (первой стадии развития оползней) в теле грунтового массива образовались области концентрации касательных напряжений. В пределах потенциальной поверхности скольжения происходили деформации вдоль линии ползучести, происходило перераспределение касательных напряжений, что вызвано изменением коэффициента бокового давления. Фаза глубинной ползучести, по-видимому длится довольно продолжительное время, а затем происходит в сравнительно быструю фазу разрушения. По всей вероятности, этому способствовало замачивание грунтов, а также резкое увеличение касательных напряжений, в грунтовом массиве, которые превышали сопротивление грунтов сдвигу. Коэффициент мобилизационного сопротивления сдвигу превысил его значение на пределе разрушения. В процессе последующего оползания грунтового массива к подножию склона были перекрыты все выходы подземных вод на дневную поверхность. Фильтрация из основного водоносного горизонта оказалась затруднена, что привело к подпору грунтового массива подземными водами в нижних частях склона, это, в свою очередь, послужило причиной дальнейшего развития оползневого процесса. Именно таким представляется механизм формирования древних (первичных) оползней. Выявленные закономерности развития опасных процессов и составленная карта зонирования территории г. Томска по степени опасности и уровню риска использованы при решении следующих градостроительных проблем: – прогнозной оценке геоэкологических и инженерно-геологических условий строительства объектов; – разработке мероприятий по инженерной защите территорий, расположенных в зонах риска; – подготовке комплексной целевой программы мониторинга природно-технических систем. 139 Роговские чтения Прогнозная оценка осуществляется с использованием многочисленных данных о составе, состоянии и физико-механических свойствах выделенных в разрезе стратиграфо-генетических комплексов и литологических типов и инженерно-геологических видов пород, для которых установлены нормативные и расчетные значения характеристик. Для оценки общих инженерно-геологических условий используется информация о геологическом строении, подземных водах, геоморфологии, климатических условиях и гидрографии. По карте риска устанавливается принадлежность территории к различным зонам: очень опасной, опасной, условно опасной и безопасной, которые характеризуются различным состоянием геологической среды. Обязательное условие для выполнения прогнозных оценок – знание об уровне инженерной защиты территорий, который может быть удовлетворительным или неудовлетворительным. различные сочетания состояния геологической среды и уровня инженерной защиты позволяют дать оценку устойчивости природно-технических систем. На территории г. Томска неустойчивые природно-технические системы расположены в юго-восточной и северозападной частях Лагерного сада, мкр. «Солнечный», в пределах Воскресенской горы, на территории Каштака, Спичфабрики и в других микрорайонах города. Развитие опасных процессов здесь приводит к нарушению динамического равновесия в эксплуатации природно-технических систем и возникновению чрезвычайных ситуаций. Для обеспечения нормального функционирования таких систем потребуется выполнять комплекс мероприятий по инженерной защите территорий. Вторым важным направлением практического использования результатов исследований являются рекомендации по корректировке генерального плана застройки города с учетом развития опасных природных и техноприродных процессов, при этом необходимо учитывать: – тип, площадь, и уровень риска для городской застройки; – границы опасной, условно опасной и безопасной зон; – ограничения на выделение земельных участков. Одна из важных рекомендаций при корректировке генерального плана г. Томска – изъятие из застройки участков с активно развивающимися оползневыми процессами, где состояние геологической среды опасно, а природно-техническая система неустойчива. От этого должна зависеть и стоимость земель, выделяемых под застройку. На откорректированном плане должны быть показаны территории, где запрещается любое строительство, и те, где требуется предварительная инженерная защита. Выполненные на территории г. Томска исследования позволили разработать мероприятия по её инженерной защите от опасных природных и техноприродных процессов. При этом учитывались следующие инженерно-геологические и геоэкологические особенности территории: – характер, размеры и динамика опасных процессов, а также их влияние на существующие здания и сооружения; – состояние геологической среды; – уровень инженерной защиты территории; – состояние и устойчивость природно-технических систем; – степень опасности и уровень риска при застройке. В соответствии с этим при защите территории г. Томска рекомендуется использовать как превентивные, так и капитальные мероприятия. Превентивные мероприятия включают: – запрещение любого строительства на очень опасных и опасных участках, где требуется комплексная инженерная защита, и которые могут использоваться как парковая зона отдыха населения; – строительство объектов в пределах условно опасных зон возможно при условии предварительной инженерной подготовки территории; – исключение утечек из водонесущих коммуникаций; – запрещение подрезки склонов; – запрещение движения транспорта в непосредственной близости от оползнеопасных территорий; – организация мониторинга природно-технических систем. Капитальные мероприятия предусматривают разработку и введение методов инженерной защиты территорий, находящихся в зонах риска. Особенное внимание должно удалятся организации мониторинга за природно-техническим системами на территориях развития природных и техноприродных процессов. 140 Секция 4 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.М. Лазарев. – Томск : Печатная мануфактура, 2005. – 152 с. 2. Ольховатенко, В.Е. Геоэкологические проблемы строительного освоения территории г. Томска. Экологический мониторинг / В.Е. Ольховатенко, В.М. Лазарев, И.С. Филимонова // Доклад о состоянии и охране окружающей среды Томской области. – Томск : Дельтаплан, 2013. – С. 124–127. 3. Осипов, В.И. Природные опасности на рубеже XXI века / В.И. Осипов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология и геокриология. – 2001. – № 4. – С. 295–307. 4. The Second Hans Cloos Lecture. Experience drawn from the great Ancona Landslide of 1982 // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. – 2006. – March. – V. 65. – № 1. 5. Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety (Engeo Pro-2011) // International Conference under the aegis of IAEG, Moscow, Russia, September 6–8, 2011/Abstracts to Proceedings. – M. : ИП Киселева Н.В. (IE Kiseleva N.V.), 2011. – 268 p. 141 Роговские чтения УДК 550.82 ОБОСНОВАНИE И ПРАКТИЧEСКАЯ РEАЛИЗАЦИЯ ГEОМОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТEХНИЧEСКИХ СИСТEМ НА ОПОЛЗНEОПАСНЫХ ТEРРИТОРИЯХ КАШТАЧНОЙ ГОРЫ Г. ТОМСКА В.Е. Ольховатенко, В.М. Лазарев Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия В предлагаемой работе исследуются актуальные вопросы решения важной научно-технической проблемы обоснования и развития методов геомониторинга оползнеопасных территорий с использованием последних достижений геодезической и геофизической науки и техники для раннего предупреждения об активизации опасных природных и техноприродных процессов на урбанизированных территориях Ключевые слова: геомониторинг, оползневые процессы, прогноз развития опасных процессов. Организация геодезических наблюдений Одной из актуальнeйших проблeм соврeмeнной гeоэкологии являeтся комплeксноe изучeниe и оцeнка опасных природных и тeхноприродных процeссов урбанизированных тeрриторий, Для опeративного контроля за состояниeм и устойчивостью природно-тeхничeских систeм важное значение имеет теоретическое обоснование и внeдрeниe на практикe гeодeзичeского мониторинга, В задачи гeодeзичeского мониторинга входит организация наблюдений за пространствeнноврeмeнными процeссами измeнeния состояния исслeдуeмых объeктов, оцeнка результатов наблюдений и повышение их точности, матeматичeское модeлирование наблюдаeмых процeссов, Разработанная в ТГАСУ систeма гeомониторинга отличаeтся, прeждe всeго, примeнeниeм для получения информации спутниковых приборов и соврeмeнных гeодeзичeских тeхнологий При организации мониторинга на территории Каштачной горы потребовалось решить следующие задачи: – разработать комплeксную цeлeвую программу гeомониторинга; – обосновать систeму гeодeзичeского обeспeчeния; – обосновать наблюдатeльную сeть и методику наблюдeний. Результаты наблюдений позволили осуществить: – оцeнку состояния природно-тeхничeских систeм; – выполнить прогноз измeнeния состояния природно-тeхничeских систeм во врeмeни; – разработать картографичeские модeли состояния и устойчивости природно-тeхничeских систeм; – подготовить рeкомeндации для принятия управлeнчeских рeшeний. Опорная гeодeзичeская сeть используeтся как каркасная основа гeомониторинга и тeхнологичeского информационного мониторинга. Созданиe и рeконструкция городской гeодeзичeской сeти позволяeт обeспeчить провeдeниe высококачeствeнного гeомониторинга вeртикальных и горизонтальных движeний зeмной повeрхности с изучeниeм причин в связи с природными и тeхногeнными внeшними факторами с цeлью прогноза послeдствий их проявлeния на жизнeдeятeльность всeго городского хозяйствeнного комплeкса. Объeктами гeомониторинга являются природныe и тeхноприродныe систeмы разных типов. В процeссe разработки систeмы гeомониторинга нами были произвeдeны исслeдования по ожидаeмой точности и допусков гeодeзичeских наблюдeний. Для исслeдования оползнeвых процeссов и контроля за состояниeм оползнeвых склонов на территории г. Томска была разработана комплeксная программа гeомониторинга, включающую в сeбя, как показано на рис. 1 организацию стационарных инструмeнтальных наблюдeний за динамикой склонов, матeматичeскую обработку и анализ получeнных рeзультатов, построeниe матeматичeской модeли и прогнозированиe на ee основe измeнeния состояния оползнeвого склона. В процeссe внeдрeния систeмы гeодeзичeского обeспeчeния комплeксного гeомониторинга за оползнями была создана спeциальная опорная гeодeзичeская сeть в видe линeйно-углового построeния, как показано на рис. 2, которая использовалась как каркасная основа гeомониторинга. 142 Секция 4 Рис. 1. Общая структура мониторинга ПТС Каштачной горы Как показала практика [1], в стесненных условиях городской застройки при активизации оползневых процессов далеко не всегда удается создать сеть оптимальной конфигурации и обеспечить необходимую точность измерений, а стабильность положения пунктов необходимо проверять. Поэтому для повышeния точности опрeдeлeния координат опорной сeти было принято рeшeниe использовать спутниковыe мeтоды измерений, которыe позволяют опрeдeлять пространствeнныe пeрeмeщeния объeктов на зeмной повeрхности с примeнeниeм принципиально нового мeтода опрeдeлeния пространствeнных координат на основe спутниковых гeодeзичeских (навигационных) систeм с использованиeм GPS-приeмников. Спутниковая сeть – в противоположность традиционной гeодeзи чeской сeти – образуeт трeхмeрную пространствeнную систeму с примeрно равными по точности координатами. Опорная гeодeзи чeская сeть, изображeнная на рис. 2 можeт быть использована как каркасная основа гeомониторинга и позволяeт обeспeчить провeдeниe надeжного гeомониторинга вeртикальных и горизонтальных движeний зeмной по вeрхности при использовании высокоточных спутниковых тeхнологий измeрeний. При этом вeсь комплeкс работ подраздeлялся на чeтырe этапа: планированиe спутниковых наблюдeний, нeпосрeдствeнныe наблюдeния на опрeдeляeмых пунктах, матeматичeская обработка рeзультатов спутниковых наблюдeний, вычислeниe прямоугольных координат пунктов. Планированиe наблюдeний выполнялось нами с помощью лицeнзионного программного пакeта PINNACLE фирмы «JAVAD POSITIONING SYSTEMS» В рeзультатe провeдeния рeальных наблюдeний установлeно, что для пункта с гeодeзичeскими координатами В = 56°30' и L = 85° чeтырe гeодeзичeских спутника можно наблюдать практичeски в тeчeниe всeго дня с нeобходимой точностью. Число видимых ИСЗ в процeссe полeвых работ колeбалось от 8 до 11 на вeсь пeриод наблюдeний в тeчeнии дня и обeспeчило надeжную гeомeтричeскую связь мeжду базовыми станциями и опрeдeляeмыми пунктами. Фактичeскоe значeниe показатeля гeомeтричeской точности сeти 143 Роговские чтения спутников РDOP во врeмя наблюдeний с 9 до 17 ч дня колeбалось от 1 до 2, и только послe 17 ч, когда число видимых спутников умeньшаeтся до 4–5, гeомeтричeская характeристика сeти спутников PDOP становится большe 5. Поэтому всe наблюдeния планировались с 9 до 17 ч. Рис. 2. Опорная гeодeзичeская сeть в районe Каштачной горы Полeвыe измeрeния проводились с помощью комплeкта спутниковых приeмников MAXOR фирмы «JAVAD POSITIONING SYSTEMS», тeхничeскиe характeристики которых позволяют опрeдeлять плановоe положeниe пунктов на зeмной повeрхности с точностью 1–2 мм и высотноe положeниe с точностью 2-3 мм. при отсутствии помeх. Анализ траeкторий спутников в проeкции на нeбeсную сфeру с учeтом врeмeни, координат (широта, долгота) и высоты над уровнeм моря показал, что во врeмя наблюдeний основная часть спутников располагалась в южном направлeнии, поэтому процeссу измeрeний нe мeшал высокий бeрeг, здания, сооружeния и линии элeктропeрeдачи. Взаимноe положeниe пунктов опрeдeлялось в статичeском рeжимe. Один приeмник устанавливался на базовом пунктe, второй – на опрeдeляeмом. Относитeльно базовых пунктов было опрeдeлeно положeниe остальных пунктов. Матeматичeская обработка рeзультатов наблюдeний выполнялась с помощью стандартного пакeта PINNACLE. В процeссe обработки координаты опрeдeляeмых пунктов получeны в систeмe WGS-84. Погрeшность опрeдeлeния наклонных дальностeй (длин вeкторов) мeжду базовыми и опрeдeляeмыми пунктами, как показано в табл. 2, составила порядка 0,6 мм. (прeдeльная – 1,8 мм.) Азимуты (углы) и прeвышeния измeрялись с точностью 0,5–1,7 с (прeдeльная погрeшность 1,5 –5,1 с). Рeзультаты измeрeний смeщeний рeпeров привeдeны в табл. 1. Таблица 1 Вeдомость координат грунтовых рeпeров, опрeдeлeнных с примeнeниeм спутниковых тeхнологий # 1 2 3 4 5 6 144 SUBNET 'Kaschtak' PROCESSED VECTORS (Distance-Azimuth-Elevation) Stations Coordinates Sigmas (mm) from – to Distance (m) Azimuth Elevation s (D) s (A) S (E) log1213g2_DA0W-log1213t1_3LKW 793.6756 4°57'14.56" 0°06'34.56" 0.7 0.5 1.7 log1213g4_ETC0-log1213t3_5KHS 249.7217 47°10'42.02" 0°43'42.73" 0.7 0.8 1.6 log1213g6_ETC0-log1213t5_5KHS 215.4802 62°15'41.41" 1°34'05.46" 0.7 1.0 2.2 log1213t1_3LKW-log1213g4_ETC0 455.1239 275°55'33.08" –1°40'48.87" 0.4 0.6 1.3 log1213t1_3LKW-log1213g6_ETC0 671.5411 249°43'35.12" –1°16'29.04" 0.6 1.1 2.5 log1213t1_3LKW-log1213t3_5KHS 345.8187 308°49'01.95" –1°40'58.90" 0.7 0.7 1.7 Mean weight matrix's estimations: 0.6 0.6 1.7 Секция 4 Таким образом, наблюдeния посрeдством GPS-приeмников для опрeдeлeния координат грунтовых рeпeров, заложeнных на оползнeвом склонe позволили, как видно из табл. 1. достичь 1 мм в планe и 2 мм по высотe, что значитeльно прeвышаeт точность таких жe опрeдeлeний классичeскими мeтодами гeодeзии и позволяeт своeврeмeнно зафиксировать начало оползнeвых дeформаций на склонe. Организация геофизических наблюдений за развитием глубинных оползневых процессов Естественные геодинамические процессы, а также техногенные воздействия на геологическую среду приводят к изменению напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вызывая оползни, обрушения, разрушения инженерных сооружений и жилых домов. Изучение этих процессов, оценка устойчивости склонов, проектирование и осуществление противооползневых мероприятий остаются наиболее актуальными задачами инженерной геологии. Изучение глубинных деформационных процессов как на стадии упругих, так и пластических деформаций является важным этапом прогнозной оценки устойчивости массива грунтов и развития оползневых процессов. В последние годы для изучения напряженно-деформированного состояния грунтового массива и для наблюдений за развитием глубинных деформационных процессов используются геофизические методы, в первую очередь сейсмические, сейсмоакустические и электроразведочные и технические средства. Определение поверхности скольжения при формировании оползней более надежно достигается с помощью глубинных реперов, что имеет важное значение при разработке противооползневых мероприятий. Применение методов и технических средств контроля глубинных деформаций основаны на использовании скважин с монтажом в них элементов преобразователей смещения грунтового массива. Определение глубины поверхности скольжения тензометрическими реперами или по излому одной секции глубинного тросового репера не отражают начальной стадии зарождения оползневого процесса и не позволяют проследить динамику его развития. Решение этих задач достигается применением в качестве преобразователей деформации природного массива обсадных труб, которыми оборудуются скважины. Обсадная труба из ферро магнитного материала обладает свойством магнитной упругости, состоящей в изменении намагниченности под воздействием на нее механического напряжения. Информативным параметром, отражающим это напряжение может служить магнитная индукция репера, нанесенная на трубу. Метод и аппаратура магнитометрического контроля оползневых деформаций (АМКОД) разработаны институтом ВИОГЕМ [2]. В основу метода положено явление магнитной упругости ферро магнитных материалов, что позволяет использовать обсадные трубы скважин в качестве датчиков глубинных деформаций природных массивов, охватывающих весь разрез скважин с заданной детальностью наблюдений. Магнитные репера, нанесенные на обсадную трубу являются основными элементами, дающими детальную информацию о глубине и характере деформационных процессов природного массива и конструктивно представляют собой постоянные магниты участков обсадной трубы, создающие локальные магнитные поля, магнитная индукция которых изменяется под воздействием механических давлений, вызывающих деформацию трубы. В табл. 2 приведены результаты начального уровня и первого цикла наблюдений уровня намагниченности, относительно которого в дальнейшем будут определяться изменения индукции реперов в последующих циклах наблюдений. Магнитометрический метод контроля оползневых деформаций применяется для оценки зарождения и прогноза развития глубинных процессов, происходящих в природном массиве. Метод отличается высокой надежностью, разрешающей способностью по глубине и простотой сбора информации независимо от глубины наблюдений. Для реализации метода могут быть использованы также гидрорежимные скважины, обсаженные стальными трубами, диаметром 57–108 мм, оборудованные фильтрами. Изменение остаточной намагниченности реперов имеет тесную корреляционную связь с деформацией обсадной трубы. Поэтому измеряемый магнитный параметр использован для оценки глубины и динамики проявления оползневого процесса. При выборе метода тарировки обсадной трубы, являющейся преобразователем деформации природного массива, необходимо исходить из инженерно-геологических условий и механизма проявления деформации контролируемого массива. 145 Роговские чтения Таблица 2 Результаты наблюдений уровня намагниченности Глубина скв., м 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Начальный уровень В0 326,9 309,1 307,5 300,0 306,4 313,6 316,6 305,1 300,0 304,3 307,2 Магнитная индукция, мкЕ Цикл наблюдений, 1 Вi ∆В = В0 – Вi 319,7 7,2 305,3 3,8 305,1 2,4 297,9 2,1 304,8 1,6 308,5 5,1 309,6 6,4 300,8 4,3 295,7 4,3 300,8 3,5 301,6 5,6 Для проведения геофизических магнитометрических исследований на территории Каштачной горы были пробурены специальные скважины и проведены начальный и первый цикл наблюдений. Измерение естественной намагниченности обсадной трубы, размагничивание, нанесение магнитных реперов и измерение информативных сигналов реперов на Каштачной горе проводилось в октябре 2011 г. Последующие циклы наблюдений позволяют установить изменения магнитной индукции по сравнению с нулевым циклом, по которым будет дан прогноз развития глубинных оползневых процессов. Как видно из полученных данных аномальных изменений магнитной индукции по глубине на Каштачной горе по результатам первого цикла наблюдений не наблюдается. Это является доказательством, что глубинные оползневые процессы на данной территории на период наблюдений не развиваются. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.М. Лазарев. – Томск : Печатная мануфактура, 2005. – 152 с. 2. Пята, С.Я. Магнитометрический метод контроля напряженно-деформированного состояния природного массива / С.Я. Пята, А.В. Киянец // Тезисы международной конференции «Геомеханика в Горном деле». – Екатеринбург, 1996. – С. 203. 146 Секция 4 УДК 551.43:69 ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАШТАЧНОЙ ГОРЫ С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЗАСТРОЙКУ ТЕРРИТОРИИ В.Е. Ольховатенко, С.В. Ющубе, М.Г. Рутман Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия Геоэкологические исследования Каштачной горы показали, что на ее территории развиты эрозионные процессы, оврагообразование и оползневые процессы. В нижней части склона наблюдаются процессы подтопления, которые распространяются на всю территорию мкр. Черемошники. Выявлено влияние опасных процессов на состояние и устойчивость природно-технических систем, составлена карта зонирования территории по степени опасности и уровню риска для застройки территории, освещаются мероприятия по ее инженерной защите. Ключевые слова: геоэкология, опасные процессы, устойчивость, природно-технические системы, зонирование, инженерная защита. Геоэкологические исследования Каштачной горы проводилась с целью выявления участков развития опасных геологических процессов, которые оказывают отрицательное влияние на строительство и эксплуатацию зданий и сооружений. В процессе исследований необходимо было решить следующие задачи: – оценить влияние природно-климатических факторов на развитие природных опасностей; – установить признаки и причины развития опасных процессов; – провести детальное обследование участков распространения опасных процессов; – произвести фотодокументацию территории развития опасных геологических процессов. Геоэкологическое исследование Каштачной горы показало, что на ее территории развиты эрозионные процессы, оврагообразование и оползневые процессы. В нижней части склона наблюдаются процессы подтопления, которые распространяются на всю территорию мкр. Черемошники. При обследовании Каштачной горы большое внимание уделялось изучению морфологии склона, развитию форм рельефа, характера растительности. Одновременно замерялись параметры склонов в различных частях Каштачной горы, их высота и углы наклона. В процессе обследования оврагов по характерным признакам определялась стадия их развития, замерялась площадь распространения, длина, высота и углы наклона бортов оврагов. При изучении оползней выявлялись причины их развития, степень активности, время проявления и продолжительность действия. Особенное внимание уделялось изучению признаков оползневых процессов, которыми являются трещины на склоне, характерный рельеф местности и растительности. Обследование территории сопровождалось бурением инженерно-геологических скважин, отбором монолитов, изучением состава и физико-механических свойств грунтов, что позволило провести расчеты устойчивости склонов, выполнить зонирование территории и установить границы безопасной зоны. Одновременно проводилось обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений. Выделение участков развития экзогенных процессов осуществлялось на основании анализа полученных результатов обследования территории, бурения инженерно-геологических скважин, картографических и других фондовых материалов. При этом было установлено, что в пределах Каштачной горы выделяются две категории участков: незатронутые экзогенными процессами и участки подверженные воздействию опасных процессов. К последним относятся эрозионные процессы, оврагообразование, оползневые процессы и подтопление территории. Эрозионные процессы на склонах обусловлены преимущественно климатическими факторами и проявляются при выпадении большого количества атмосферных осадков и таянии снега в весенний период года. Эрозионному разрушению пород способствуют достаточно крутые склоны Каштачной горы, отсутствие поверхностных дренажей для организованного сбора поверхностных вод и асфальтирование значительной территории в верхней части склона с уклоном в сторону мкр. Черемошники. Так в результате урагана в летний период 2011 г. образовался поток поверхностной воды, направлен147 Роговские чтения ной в сторону мкр. Черемошники, который разрушал на своем пути не только склоны Каштачной горы, но и жилые дома, подворья, огороды, расположенные у подножия склона. Развитию эрозионных процессов в значительной степени способствуют и техногенные факторы. Так при строительстве супермаркета Мира-Микс были уложены трубы на склоне для сброса технических вод, что привело к разрушению склона и формированию техногенного оврага (рис. 1). Так же развитию эрозионных процессов и потере устойчивости склона будет способствовать и вырытая вдоль склона траншея (рис. 2) для сброса воды в сторону действующего оврага. В данном случае развитие эрозионных процессов и замачивание грунтов за счет поверхностных вод в вырытой траншее приведет к активизации оползневых процессов, которые невозможно будет остановить. Второй формой проявления эрозионных процессов является разрушение горных пород в бортах оврагов и увеличение площади их развития. Рис. 1. Сброс техногенных вод приводит к разрушению склона и образованию оврага Рис. 2. Место сброса вод через траншею в овраг Овраги в пределах Каштачной горы пользуются широким распространением и занимают площадь 212 310 м2, что составляет одну третью часть рассматриваемой территории. Всего на территории Каштачной горы обследовано 20 оврагов, среди которых 7 особо крупных, глубиною более 30 м, 8 крупных глубиной от 25 до 30 м и 5 средних глубиною 25 и менее метров. Углы наклона бортов оврагов в основном составляет 44°, и только четыре оврага имеют углы наклона бортов 40°. В связи с застройкой Каштачной горы ведется самовольная засыпка оврагов, что абсолютно недопустимо. В настоящее время действующие овраги находятся на третей стадии своего развития. Использование территорий с развитием оврагов под застройку требует внедрения целого комплекса мероприятий по инженерной защите зданий и сооружений. Оползневые процессы на территории Каштачной горы в основном произошли много лет назад и признаками древних оползней являются характерные формы рельефа и растительность (рис. 3). Верхней границей оползневой территории является бровка склона, нижняя граница проходит у подножия склона на сочленении с мкр. Черемошники. Строительство объектов на данной территории может привести к активизации оползневых процессов. На отдельных участках этой территории в бортах оврагов наблюдаются действующие оползни. Как правило, они имеют незначительные плоРис. 3. Характерный рельеф и растительность средней щади распространения. В нижней части склона повсеместно наблюдаются выходы подземных вод на части Каштачной горы 148 Секция 4 дневную поверхность, что приводит к подтоплению той части Черемошников, которая граничит с Каштачной горой. Освоение территории Черемошников, строительство объектов, которое будет сопровождаться устройством свайных фундаментов может привести к возникновению барражного эффекта и подтоплению склонов Каштачной горы, а следовательно, к активизации древних оползней. Оценивая геоэкологические условия, необходимо отметить, что для рассматриваемой территории характерным является эрозионный рельеф с глубоко врезанными днищами оврагов и расположенными между ними межовражными гребнями. Склоны Каштачной горы имеют разную крутизну – от 45 до 25–30°, а на отдельных участках 15–20°. В геологическом строении Каштачной горы принимают участие отложения новомихайловской (Р3nm), лагерно-томской (Р3ℓgt), кочковской (N2kč) свит и четвертичного возраста (Q2-3). Новомихайловская свита (Р3nm) залегает на коре выветривания глинистых сланцев и сложена аллювиальными и озерно-аллювиальными отложениями, представленными глинами, суглинками и песками. Мощность свиты изменяются от 8–10 м до 20 м. Лагерно-томская свита (Р3ℓgt) залегает на отложениях новомихайловской свиты и представлена песками мелкими и средними. Кочковская свита (N2kč) залегает выше по разрезу на размытой поверхности палеогеновых отложений. В разрезе свиты выделяют две пачки. Нижняя представлена аллювиальными средними песками с включениями гравия и мелкой гальки в подошве слоя, пылеватыми песками и супесями в верхней части слоя. Верхняя пачка представлена плотными суглинками и глинами с включениями карбонатных конкреций. Четвертичная система (Q2-3) на территории города включает отложения среднего, средневерхнего, верхнего и современного отделов [1]. В пределах Каштачной горы отложения федосовской свиты практически смыты приледниковым бассейном. Поэтому на размытую поверхность кочковской свиты отлагались верхнечетвертичные субаэральные (SaQIII) отложения, представленные суглинками и супесями коричневого цвета. Мощность их колеблется от 2–3 до 5–8 м. Гидрогеологические условия изученной территории определяются стратиграфической и геоморфологической приуроченностью ее к прибровочной окраинной части эрозионного склона ТомьЯйского междуречья и особенностями геологического строения. Подземные воды на изученной территории залегают на глубине 24,9–28,4 м. Водовмещающими породами являются неоген-палеогеновые песчаные отложения с редкими включениями гравия и мелкой гальки. Подземные воды вскрытого водоносного горизонта носят безнапорный характер движения. По результатам инженерно-геологических исследований, сопровождавшихся бурением скважин и изучением физико-механических свойств грунтов выделено 5 инженерно-геологических элементов, представленных суглинками, супесями и песками, нормативные и расчетные характеристики которых приведены в таблице. Для оценки устойчивости склона использовался графо-аналитический метод, основанный на задании различных очертаний предполагаемой поверхности скольжения, и установлении наиболее вероятного их положения по минимуму коэффициента устойчивости или заключающийся в установлении величины коэффициента устойчивости для заданной поверхности скольжения. Выполненные расчеты показали, что для водонасыщенных грунтов коэффициент устойчивости составляет 1,28, а в случае пригрузки склона при его застройке окажется ниже нормативного значения 1,16. В процессе выполнения исследований большое внимание уделялось обследованию конструкций зданий и сооружений на территории Каштачной горы. При визуальном обследовании гаражей были обнаружены деформации, свидетельствующие о наличии оползневых процессов. Наиболее часто встречаемые дефекты – крен стен гаражей в сторону склона, продольный и поперечный выгиб гаражных лент (рис. 4).В верхней части склона (первый ряд) часть гаражей разрушена или находится в аварийном состоянии (рис. 5). При обследовании сооружений были обнаружены дефекты и трещины, свидетельствующие о наличии оползневых процессов на этом участке. Для оценки состояния геологической среды на территории Каштачной горы использовались: – результаты геологического обследования территории; – выявленные закономерности и площади развития эрозионных процессов; 149 Роговские чтения – особенности формирования и стадии развития оврагов; – степень пораженности территории оползневыми процессами; – результаты инженерно-геологических исследований, изучения состава и физико-механических свойств грунтов; – результаты расчетов устойчивости склона. Угол внутреннего трения, градус Угол еств. откоса, град сухого/ под водой Удельное сцепление, кПа №№ ИГЭ Плотность влажного грунта, г/см3 Модуль деформации, МПа Рекомендуемые нормативные и расчетные значения характеристик грунтов основания Разновидность грунта (ГОСТ 25100–95) 1 Суглинок твердый непросадочный озерно-аллювиальный 1,97 1,96 1,95 25,7 44,94 25,99 41,76 24,96 39,70 23,55 27,53 22,89 26,11 22,47 26,39* 25,23 1а Суглинок тугопластичный озерно-аллювиальный 1,98 1,97 1,96 18,34 28,83 17,22 26,87 16,46 25,60 21,13 23,0 20,24 22,42 19,64 15,81* 22,06 2 Супесь твердая непросадочная озерно-аллювиальная 1,98 1,98 1,97 24,06 31,02 23,65 30,04 23,37 29,42 24,90 31,48 23,83 30,73 23,14 27,31* 30,26 3 Песок пылеватый маловлажный озерно-аллювиальный 1,88 1,86 1,65 30,46 28,17 26,70 30,18 29,10 28,39 28,85* 34,14 23,86 4 Песок мелкий маловлажный озерно-аллювиальный 1,77 1,76 1,75 3,54* 3,37* 3,27* 35,05* 34,77* 34,59* 35,71* 31,40 24,50 5 Песок средней крупности маловлажный палеогеновый 1,80 1,79 1,78 2,02* 1,89* 1,80* 37,96* 37,63* 37,41* 40,39* 34,14 23,86 5а Песок средней крупности влажный палеогеновый 1,83 1,82 1,82 1,83* 1,74* 1,68* 37,44* 37,18* 37,01* 38,25* 33,71 26,86 5б Песок средней крупности водонасыщенный 1,88 1,87 1,87 1,00* 0,93* 0,89* 33,80* 33,37* 33,09* 28,25* 33,50 24,38 ρн ρII ρI Cн CII CI φн φII φI Примечание. В числителе – значение показателя приведено при полном водонасыщении; в знаменателе – значение показателя приведено при естественной влажности; * – значение показателя приведено по Пособию к СНиП 2.02.01-83, таб. 26. Рис. 4. Крен, продольный и поперечный выгиб стен гаражей Рис. 5. Разрушение гаражей под действием давления грунтового массива Как установлено исследованиями в пределах Каштачной горы отчетливо выделяются территории, в пределах которых состояние геологической среды является опасным, условно опасным и безопасным. 150 Секция 4 Опасным является состояние геологической среды, при котором развитие геологических процессов при застройке территории приведет к нарушению геодинамического равновесия в эксплуатации природно-технических систем и возникновению чрезвычайных ситуаций. Такое состояние геологической среды наблюдается на участке распространения древних оползней и в пределах глубоких действующих оврагов. Условно опасное состояние будет наблюдаться в пределах территорий, где в результате эксплуатации сооружений могут возникнуть геологические процессы, которые приведут к нарушению динамического равновесия в эксплуатации природно-технических систем. Безопасное состояние геологической среды будет наблюдаться на участках, в пределах которых отсутствуют опасные процессы. Как показали исследования, устойчивость геотехнических систем в пределах Каштачной горы зависит от степени опасности геологической среды, состояния инженерных сооружений и уровня инженерной защиты территории [2]. Уровень инженерной защиты в пределах рассматриваемой территории неудовлетворительный, что при опасном состоянии геологической среды природнотехническая система оказывается неустойчивой. По результатам исследований выполнено зонирование территории Каштачной горы по степени опасности и уровню риска для застройки. При этом выделены следующие зоны: Очень опасная, включающая территорию распространения древних оползней и глубоких современных оврагов. Строительство объектов на данной территории должно быть запрещено, так как это приведет к активизации опасных процессов и нарушению динамического равновесия в их эксплуатации. Инженерная защита объектов от опасных процессов может превысить стоимость строительства самих объектов. В целом природно-технические системы в данной зоне будут неустойчивыми. Условно опасная расположена между опасной и безопасной зонами. Состояние геологической среды оценивается как условно опасное. В связи с отсутствием инженерной защиты территорий природно-технические системы будут относительно устойчивыми. Строительство объектов возможно при условии выполнения комплекса мероприятий по инженерной защите территории, зданий и сооружений. Безопасная зона расположена за пределами границ условно опасной зоны и характеризуется отсутствием опасных геологических процессов. Строительство на данной территории безопасно и может вестись на основе действующих нормативных документов. Для обеспечения геоэкологической безопасности рекомендуются следующие мероприятия инженерной защиты: 1. Устройство поверхностных дренажей для упорядоченного сбора и отвода поверхностных вод. Это в значительной степени позволит уменьшить воздействие на геологическую среду эрозионных процессов, развитие оврагов и оползневых процессов. 2. Осушение горных пород на склоне путем строительство вертикальных и горизонтальных дренажей. 3. Строительство объектов в опасной зоне должно быть категорически запрещено. 4. При освоении территории в пределах условно опасной зоны необходимо разработать и внедрить мероприятия по закреплению оврагов. 5. Необходимо прекратить практику самовольного ликвидирования оврагов путем их засыпки при строительстве различных объектов. 6. С целью прогнозной оценки состояния геоэкологической среды, зданий и сооружений необходимо разработать и внедрить целевую комплексную программу мониторинга природно-технических систем. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.М. Лазарев. – Томск : Печатная мануфактура, 2005. – 152 с. 2. СНиП 2.01.15–90. Инженерная защита территорий зданий и сооружений от опасных геологических процессов, основные положения проектирования. – М., 1991. 151 Роговские чтения УДК 556.52 ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ БАССЕЙНА РЕКИ КОРГАС РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН М.Р. Заппаров, А.Т. Кашибаева Казахский Национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, Казахстан E-mail: botajan_kz1992@mail.ru Вопросы обеспечения безопасности территорий, подверженных негативному воздействую селевых и других опасных геологических процессов, являются важнейшей задачей государственного значение. Для успешного решения проблемы необходимы комплексной анализ и оценка условий и факторов формирование опасных экзогенных геологических процессов и наиболее эффективных защитных мероприятий. Ключевые слова: моренные озера, сели, котлованы, горные массивы, гидрографическая сеть. Настоящая научная работа об инженерно-геологических условиях на реке Хоргос. Участок работ расположен по правому борту долины р. Хоргос, пересекающей многочисленные горные массивы северного склона хр. Джунгарский Алатау, работа выполнялась для решения следующих основных задач: – уточнение геологического строения и гидрогеологических условий в пределах участка строительства правобережного примыкания плотины, берегоукрепительных сооружений и стабилизирующих сооружений на р. Ойжайляу; – изучение распространённости инженерно-геологических элементов в основании проектируемых сооружений; – изучение физико-механических свойств грунтов, составляющих инженерно-геологические элементы, в основании проектируемых сооружений; – определение наличия и масштабов проявления современных геодинамических процессов в пределах участка размещения проектируемых сооружений и на прилегающей территории. Горы Жетысу Алатау простираются в широтном направлении почти на 400 км. Продольные долины рек Коксу на западе и Боротала на востоке, делят Жетысу Алатау на два крупных параллельных хребта – Северный Центральный и Южный Центральный. Современная орографическая сеть бассейнов рек, расположенных на южном склоне Жетысу Алатау, обусловлена особенностями тектонического строения хребта – системой горстов (поднятий) и грабенов (понижений) широтного простирания, а также историей развития эрозионной сети, формирование которой шло в разрез простиранию основных тектонических линий. В своих истоках реки имеют сильно разветвленную гидрографическую сеть, но затем, собравшись в один общий поток, прорываются через систему широтных хребтов и выходят на предгорную равнину. Притоки верхней части бассейна (рис. 1, 2). Река Жыланды берет начало из группы ледников в пределах высот 4200–2555 м (от водораздела до устья р. Улькен Казан). Длина реки 10,4 км, площадь водосбора 55,2 км2. Бассейн р. Жыланды является верхней частью бассейна р. Хоргос. Долина р. Жыланды корытообразной формы, по бортам долины имеют следы влияния ледника при отступлении. По руслу реки отмечаются следы прошедших селевых потоков и паводков. Берега и нижние части бортов долины заболочены. Верхняя часть бассейна представляет гляциально-нивальную зону с типичным альпийским рельефом. В бассейне р. Жыланды имеется 17 ледников, общей площадью 5,5 тыс.м2 и 19 моренных озер. В верхней и средней части бассейна расположены каскады озер. На современной морене ледника 19 насчитывается 6 озер, четыре из которых не представляют реальной угрозы из-за малых объемов и размеров котловин. Одно из наиболее значительных по объему воды – озеро № 2 (Капкан) расположено на современной морене ледника 19. 152 Секция 4 Рис. 1. Схема бассейна р. Хоргос По наблюдениям исследователей, интенсивное развитие озера № 2 (глубина и объем) происходило в последние два года. Озеро с западной стороны находится в контакте с языком ледника. Перемычка озера с южной стороны состоит из мерзлых грунтов, подпертых скальным ригелем. Параметры части перемычки озера: ширина по гребню от 10 до 50 м, высота – около 30 м. Борта озерной котловины крутые, со следами сползания оттаивающих грунтов. На восточном борту котловины выявлены продольные и поперечные просадки и трещины, свидетельствующие об активной фазе развития. 153 Роговские чтения Рис. 2. Продольный профиль р. Хоргос В средней части бассейна р. Жыланды на древней морене расположено оз. Басколь, образовавшееся в результате отступления ледника. Параметры озера: длина – 730 м, ширина – 280 м, максимальная глубина 7,1 м, средняя глубина 3,36 м, объем озера – 534,2 тыс. м3, площадь зеркала – 197,5 тыс. м2. Перемычка озера шириной около 40 м и длиной – 50 м сложена из валунов диаметром до 2 м. Колебание уровня воды в озере не превышает 1 м. Озеро Басколь является аккумулирующей емкостью паводковых и селевых выносов. Озеро отнесено к слабой степени прорывности. Семь озерных котловин в морено-ледниковом комплексе ледников № 20, 21, 34, три из которых отнесены к средней степени, четыре – к слабой степени прорывоопасности, серьезной угрозы не представляют. По генезису моренные озера в бассейне р. Хоргос можно разделить на приледниковозападинные, термокарстовые, каровые, подпруженные, внутренние водоемы. При этом степень прорывоопасности их может быть неоднозначной. Приледниково-западинные или приледниковые озера заполняют замкнутые понижения в моренном рельефе между открытой частью ледника и фронтальным уступом морены. Котловины приледниково-западинных озер формируются в результате неравномерного вытаивания открытого и погребенного льда. На границе открытого и погребенного льда, где слой моренных отложений составляет несколько сантиметров, с течением времени возникают небольшие углубления в теле ледника, которые заполняются талой водой. Сток из озер осуществляется поверхностным или внутриморенным путем. Среди моренных озер наблюдаются водоемы, котловины которых образованы другими причинам и не приурочены к границе открытого и погребенного льда. Подпруживание поверхностных водотоков может осуществляться плотиной, образованной погребенным льдом или конечным валом. Такие явления отмечаются на участках морен, характеризующихся изменениями планово-высотного положения точек рельефа вследствие неодинаковой горизонтальной и вертикальной скорости движения отдельных частей погребенного льда. Кроме того, на поверхности морены прослеживаются замкнутые понижения, являющиеся результатом не только неравномерного движения льда, но и частичным проявлением термокарстовых процессов. Поверхность морены изобилует отрицательными формами рельефа, однако аккумуляция в них талого стока происходит сравнительно редко. Озерные водоемы, заполняя отрицательные формы на поверхности морены, получают различную конфигурацию водной поверхности. Чаще всего они вытянуты по направлению путей притока и оттока воды из озера. В связи с возможностью ослабления озерной плотины, сложенной рыхлооб154 Секция 4 ломочным материалом и льдом, а также гидравлической связи озера с внутриморенной дренажной системой, некоторые озера приледникового типа находятся в прорывоопасном состоянии. Термокарстовые озера заполняют трещины, провалы, воронки, образованные в результате термокарстовых процессов и разрывных деформаций погребенного льда. Прилегающие к озеру борта склонов характеризуются значительными уклонами, вплоть до отвесных. Сток из озера происходит подморенным путем. Плотиной термокарстовых озер служит обычно лед, прикрытый моренным материалом. Термокарстовые озера отличаются от приледниковых размерами и формой озерной котловины. Каровые озера заполняют углубления в моренных отложениях на дне цирка, образованного в результате деятельности карового ледника. Особенностью каровых озер является подпруживающая плотина, представленная скальным ригелем и небольшим моренным валом. Озера имеют округлую форму контура водного зеркала, а их котловины напоминают по форме западину. Каровые озера по морфометрическим характеристикам сходны с приледниковыми. Одной из важных особенностей строения таких озер являются наличие устойчивой к разрушению водным потоком озерной перемычки и отсутствие каналов стока. По этой же причине каровые озера составляют группу неопасных озер. Их жизнь зависит от величины притока воды в озеро и интенсивности засорения котловины наносами. Таким образом, формирование высокогорных озер обусловлено комплексом факторов. При этом главными из них являются ледники и моренные отложения. Одной из главных особенностей, несомненно, является устойчивость этих озер к прорыву и формированию гляциальных селей. По степени прорывоопасности озера подразделяются на три категории: 1) прорывоопасные; 2) непрорывоопасные; 3) потенциально-прорывоопасные. К категории прорывоопасных озер относятся термокарстовые и приледниково-западинные, способные при определенных условиях прорываться с формированием селевого потока высокой плотности. Селевые потоки иногда образуются в результате прорыва озер, подпруженных активным льдом. Прорывоопасные озера характеризуются непредвиденным скоротечным процессом нарастания воды озерной котловины с последующим катастрофическим опорожнением. Признаками прорывоопасного состояния этих озер являются интенсивный рост размеров водоема, наличие на поверхности перемычки действующего канала стока, появление вблизи последнего просадок и трещин, сползание моренного чехла на фронтальном уступе, свидетельствующее о таянии погребенного льда и мерзлых пород. Интенсивности процессов, приводящих к прорыву находящихся в стадии развития западинных озер, способствует устойчивая жаркая погода. Западинные озера, интенсивно углубляющиеся в стадии развития, могут опорожняться и через внутренние дренажные каналы. Прорыву предшествует увеличение интенсивности стока через один или несколько гротов, а также нарушение согласованного стока по отдельным ручьям, выходящим из-под морены. Эти явления могут рассматриваться как признаки возможности прорыва западинного озера через грот. Термокарстовые озера в стадии развития могут прорываться через внутреннюю дренажную систему. Вероятность прорыва термокарстового озера возрастает, с одной стороны, вследствие роста размеров озера, а с другой в результате изменений в строении дренажной системы. Эти изменения, происходящие под толщей льда и моренного чехла, проявляются определенным образом на поверхности морены: увеличивается число водопроводящих гротов, уменьшается уклон фронтального уступа морены, на поверхности морены появляются термокарстовые воронки, трещины и провалы, в которых могут обнажиться подморенные емкости и дренажные каналы. Косвенным признаком прорывоопасности озера является уклон фронтального уступа морены более 20°, расстояние между озером и выходным отверстием грота не более 500 м, изменения режима стока с морены. К непрорывоопасным озерам относятся, как правило, каровые, реже подпрудные водоемы, которые сохраняют заполненные водой котловины в течение длительного времени. С наступлением периода отрицательных температур, когда приток воды к озерам прекращается, уровень воды снижается до определенных отметок. Зимой озера перемерзают и вскрываются в середине теплого периода следующего года. Приток к озеру и отток осуществляются через поверхностные и достаточно близко расположенные к поверхности внутриморенные каналы. Стабилизация уровня воды на определенных отметках позволяет сделать предположение об отсутствии или незначительной фильтрации через чашу озера. Потенциально прорывоопасные озера (приледниково-западинные, подпрудные) отличаются устойчивым гидрологическим режимом, согласно которому происходят сезонная аккумуляция и сра155 Роговские чтения ботка озера. При этом уровень воды при сезонном опорожнении снижается, как правило, постепенно. Этот факт свидетельствует о стабильной пропускной способности дренажной системы, которая гидравлически связана с озером в самых низких ее точках. Обследование котловин таких озер показало, что их опорожнение может происходить через каналы в грот в результате сосредоточенного стока либо путем рассредоточенной фильтрации. Селеопасная ситуация в подобных озерах возникает при кардинальной перестройке внутренних каналов стока под воздействием ряда факторов. Подпруженные мореные озера прорываются по внутренним дренажным каналам, протяженность которых может измеряться километрами. В качестве признака прорывоопасности этих водоемов можно считать максимальное наполнение водой озерной котловины В бассейне реки Хоргос по результатам проведенных рекогносцировочных работ и дешифрирования космоснимков насчитывается 137 ледников, 51 моренных и приледниковых озер различного объема и степени прорывной опасности. В настоящее время на территории КНР находится 13 моренных озер, в том числе 4 – в бассейне р. Жыланды и 7 – в верховьях р. Улькен-Казан, и по одному водоему в бассейнах рек Ашутас и Каскабулакжол. Спутниками человеческой активности являются всё возрастающие по своей мощности природные и техногенные катастрофы, которые ежегодно приносят огромный материальный ущерб, поглощают человеческие жизни. Испытывая на себе результаты разрушающего действия воды, ветра, землетрясений, снежных лавин, оползней и селей, человек издавна использовал элементы мониторинга, накапливая опыт предсказания погоды и стихийных бедствий. Такого рода знания всегда были и сейчас остаются необходимыми для того, чтобы по возможности снизить ущерб, причиняемый человеческому обществу экстремальными природными явлениями и, что особенно важно, уменьшить риск человеческих потерь. Анализ затрат разных стран на обеспечение защиты от природных и техногенных катастроф показывает, что с нашими ограниченными финансовыми возможностями достичь показателей развитых стран невозможно. Например, общие расходы на предупреждение чрезвычайных ситуаций федеральными органами США превышают 6 млрд долл. А общие расходы на безопасность при создании новых производств составляют 20…25% от их общей стоимости, (для сравнения в странах СНГ этот показатель составляет 0,2–0,8 %) [1]. Существующее состояние научных исследований и разработок в Кыргызстане, действующая система мониторинга чрезвычайных ситуаций не отвечают современным требованиям и практически не влияют на принятие превентивных мер по предупреждению природных и техногенных катастроф. В то же время природно-климатические условия Кыргызской Республики, сложившаяся структура территориального расположения населенных пунктов и объектов производственного назначения вызывают большую необходимость разработки и внедрения современных методов прогнозирования чрезвычайных ситуаций вообще и паводковой и селевой опасности в частности. Применение этих методов позволит сохранить значительные материальные и финансовые средства, выделяемые на ликвидацию последствий от возникающих чрезвычайных ситуаций и внести существенный вклад в решение проблемы защиты человека от воздействия негативных факторов окружающей среды на здоровье и безопасность [2]. Основная причина, побуждающая человека заниматься прогнозированием, состоит в том, что существуют явления, будущее которых он не знает, но они имеют важное значение для решений, принимаемых им сегодня. Поэтому он стремится проникнуть своим интеллектом в будущее. Каждый прогноз разрабатывается с целью избежать нежелательных результатов возможного развития событий и ускорения их вероятного развития в желательном направлении, а также с целью приспособиться к неизбежному. Вместе с тем следует признать невозможность точного предсказания будущего, так как всегда будут погрешности измерения, порожденные, в том числе, незнанием всех факторов и условий прогнозирования ожидаемого события. Задачи прогноза паводковой и селевой опасности относятся к рангу сложных, многофакторных задач, требующих поиска решений в условиях неопределенностей. Даже осуществление компьютерного эксперимента требует весьма значительных интеллектуальных и материальных ресурсов. 156 Секция 4 Поскольку процессы селеобразования имеют более сложный характер, чем паводки, хотя они и тесно связаны, основной акцент при рассмотрении этих явлений в докладе будет сделан на исследовании аспектов формирования селевой опасности. Как известно [3], в понятие «прогнозирование селей» входит: – общая оценка селеопасности данной горной территории; – установление границ селеопасных участков горной долины с дифференциацией очагов формирования селевых потоков, зон транзитного движения селей и участков аккумуляции выносов в пределах селевого водосбора; – выявление степени селеопасности данного бассейна или группы бассейнов с качественной и количественной оценкой условий, определяющих формирование селей и их потенциальные характеристики (мощность, повторяемость, структура, гранулометрический состав отложений, линейные размеры, расход, скорость, средняя плотность и др.); – определение времени добегания селевого потока до защищаемого створа (объекта) с целью организации службы оповещения. Таким образом, прогнозирование селевых явлений включает в себя прогнозирование селей как в пространстве, так и во времени, а также прогнозирование значений основных параметров и характеристик селей. Результатом пространственного прогнозирования селей являются карты селеопасности горных территорий, а также различные кадастры, справочники, атласы и др. материалы. Результатом прогнозирования селей во времени являются методы долгосрочного, краткосрочного и оперативного прогнозирования селеопасности в данном бассейне (типовые или индивидуальные), учитывающие совокупность гидрометеорологических, геолого-геоморфологических, гидрогеологических и иных условий, вызывающих формирование селей данных расчетных характеристик, а для организации службы предупреждения селей время добегания селевого потока от контролируемого створа до защищаемого объекта и другие характеристики потока, связанные с организацией службы оповещения. Несмотря на исключительную важность прогнозирования селей, особенно в связи с возрастающей необходимостью освоения горных территорий, проблема эта еще весьма далека от решения. Это относится как к пространственному прогнозированию селей, так и особенно к прогнозированию селеопасности во времени, представляющему собой задачу принципиально сложную и трудоемкую, главным образом в связи с отсутствием необходимых исследований процессов и механизмов формирования селей различных генетических типов, а также соответствующих количественных данных. Нами рассмотрены некоторые аспекты прогнозирования селей во времени – а именно, возможности оперативного прогнозирования селевой опасности. Временные пределы оперативного прогноза терминологически определены периодом упреждения до одного месяца [4], однако, довольно часто практический интерес и наибольшую ценность представляет прогноз от 1–2 сут до нескольких часов. Одним из важнейших и наиболее опасных свойств процесса селеобразования является его внезапность. Под внезапностью возникновения селевых потоков следует иметь в виду невозможность предопределить заранее точную дату и время прохождения селя. Значительное количество факторов, участвующих в селеобразовании, и сложный характер их взаимодействия исключают на данной стадии изученности явления возможность заблаговременного прогнозирования конкретной даты и момента возникновения селя в том или ином бассейне. На основании изучения условий формирования селей можно предсказать наступление селеопасного периода, но день и час прохождения селя, как правило, являются неожиданными. При решении практической задачи оперативного прогнозирования паводковой и селевой опасности нами предлагается использовать вероятностно-детерминированные характеристики и параметры окружающей среды, формирующие прогнозный фон (совокупность внешних по отношению к объекту прогнозирования условий, существенных для решения задачи прогноза) и учитывающие как закономерные, известные, так и случайные (вероятностные) факторы. Предлагаемая концепция оперативного прогнозирования селевой опасности базируются на детальном изучении и комплексном использовании информационного массива, состоящего из трех основных информационных блоков, реализующих вероятностно-детерминированный подход к оценкам исходных и выходных данных, определяющих формирование селевой опасности. 157 Роговские чтения Строительство защитных сооружений в бассейне р. Хоргос является первоочередным противопаводковым и противоселевым мероприятием комплексного характера, направленным на мониторинг и предупреждение селевой опасности, стабилизации наиболее активных селеопасных боковых притоков, создание резервных емкостей для трансформации (срезки) пиков наносоводных паводков и защиты территорий от размывов. Таким путем возможно в короткий срок уменьшить паводковую и селевую угрозу всем объектам, расположенным в бассейне р. Хоргос и обеспечить защиту внутригорной территории. Только таким путем возможно в короткий срок резко уменьшить паводковую и селевую угрозу в бассейне реки Хоргос и обезопасить от наносоводных паводков и селебитные зоны и трансграничные переходы и зоны. В связи с этим, одновременно с пассивными мероприятиями уже на данном этапе необходимо проведение активных работ по предотвращению селей там, где это в настоящее время осуществимо по экономическим условиям, и поиск методов и средств нейтрализации тех селевых очагов, для которых арсенал существующих приемов борьбы недостаточен. Изучая материалы можно придти следующему выводу: – верховья р. Хоргос и правобережные притоки ниже оз. Казанколь выше отметок 2800–3000 м представляют собой крутые участки склонов (35–40°), прорезанные густой разветвленной сетью борозду и рытвин, в которых скапливается потенциально селевой материал (ПСМ), формирующий микроселевые потоки; – наличие протяженных широких долин с малыми уклонами, ориентация которых близка к широтной в бассейне р. Хоргос, не благоприятствует развитию селевых потоков, зародившихся в зоне высот выше отметок 2800–3000 м; – по геоморфометрическим условиям и гидравлическим характеристикам к расчетным створам оз. Казанколь и плотине Чукурбулак подойдут наносоводные сели; – оценка характеристик селевого потока (Qс, м3/с; W, м3; ρ, т/м3), поступающих в оз. Казанколь, выполнена для тало-ливневого и гляциального генезисов. При проектировании селезащитных сооружений в створе оз. Казанколь рекомендуются параметры тало-ливневого селя, как наиболее неблагоприятного случая взаимодействия селевого потока с селезадерживающими сооружениям. Строительство защитных сооружений на р. Хоргос позволит достичь следующих результатов в социально-экономической области: – повысится защищенность селитебной и экономически освоенной части бассейна р. Хоргос. Тем самым будут созданы благоприятные условия для ускоренного развития этих территорий; – повысится безопасность населения, проживающего в данном районе; – обеспечивается бесперебойность работы объектов и сооружений инфраструктуры, расположенных в долине р. Хоргос, в том числе таких важных, как погранично-таможенные переходы в КНР; – улучшаются условия работы пограничных частей и застав, контролирующих участок государственной границы Республики Казахстан-КНР, проходящий по руслу р. Хоргос. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ресурсы поверхностных вод СССР. Каталог ледников СССР. Т. 13. Центральный и южный Казахстан. Вып. 2. Бассейн оз. Балхаш. Ч. 4. Бассейны рек Хоргоса, Усека. – Гидрометеоиздат, 1975. – 77 с. 2. Замай, В.И. Исследование прогнозного фона паводковой и селевой опасности на основе данных мониторинга чрезвычайного события / В.И. Замай // Проблемы автоматики и управления – Бишкек : Илим, 2008. – С. 97–103. 3. Токмагамбетов, Т.Г. Отчёт по обследованию р. Коргас / Т.Г. Токмагамбетов, А.Л. Кокарев. – Алматы : ТОО «Институт географии», 2011. 4. СНиП РК 1.02-18–2004. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. – Астана, 2004. 158 Секция 4 УДК 551.5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ВЫДЕЛЕНИЯ СТРУКТУР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ Э.В. Иванова1,2, С.Г. Катаев3 1 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия, 3 Томский государственный педагогический университет, г. Томск, Россия В настоящее время существует целый ряд гипотез о причинах глобального потепления. Тем не менее, большинство исследователей придерживаются двух – увеличение в атмосфере парниковых газов и изменение циркуляции атмосферы. Известно, что циркуляция атмосферы однозначно определяется полем давления. Цель работы: используя метод выделения структур (МВС) выявить динамику поля давления приземного слоя атмосферы на территории Северного полушария. Достижение данной цели требует решения следующих основных задач: а) определить пространственное распределение структур (ПРС) полей среднего месячного значения давления в Северном полушарии и произвести их картирование; б) оценить динамику ПРС за период 1955–2000 гг. Для изучения структуры и динамики поля давления приземного слоя атмосферы на территории Северного полушария был использован метод выявления структур (МВС) [2, 3]. Классификация поля давления позволяет разбить исследуемое пространство на отдельные непересекающиеся области (классы). Это дает возможность провести затем анализ характеристик как внутри каждого класса, так и между классами. В частности, привязка классов к ландшафтам позволяет понять роль подстилающей поверхности при формировании климата. Общие закономерности поведения поля давления В атмосфере постоянно возникают, эволюционируют, перемешаются и затухают крупномасштабные барические системы – циклоны и антициклоны. Особенно хорошо выражены и часты они во внетропических широтах. Следствием этой циклонической деятельности и являются непериодические колебания давления, достигающие 30 гПа, а иногда и больше. В данной работе приведены некоторые результаты исследования, проводимого с использованием среднемесячных значений давлений в узлах сетки с шагом 10° по широте и по долготе за период 1955–2000 гг. в Северном полушарии. В северном континентальном полушарии поле давления значительно менее зонально, чем в Южном океаническом. Например, зимой в Северном полушарии существуют две огромные области низкого давления: над Северной Атлантикой и Северным Тихим океаном. Среднее поле давления в Северном полушарии складывается из-за преобладания циклонов над антициклонами на севере Атлантического и Тихого океанов. Типы годового хода давления разнообразны. Наиболее прост он над материками, где максимум давления приходится на зиму и минимум на лето, а годовая амплитуда растет с удалением от океанов [1]. Хорошо выражен годовой ход и на окраинах материков в муссонных областях. Например, в Токио максимум в ноябре и минимум в июне, годовая амплитуда 9 гПа, во Владивостоке максимум в январе и минимум в июле, годовая амплитуда почти 14 гПа, в Бомбее максимум в январе и минимум в июне, годовая амплитуда 10 гПа. В высоких широтах океанов максимум наблюдается ранним летом и минимум зимой. Например, на Ян-Майене максимум 1020 гПа в мае и минимум 1001 гПа в январе (амплитуда 19 гПа). В средних широтах океанов нередок двойной ход давления – с максимумами летом и зимой и с минимумами весной и осенью, причем амплитуда невелика. В тропических океанах годовой ход давления выражен слабо. Объясняются эти типы годового хода давления сезонными изменениями в ци159 Роговские чтения клонической деятельности. Над океанами умеренных широт циклоны зимой глубже, чем летом. Над материками летом преобладают области пониженного давления, а зимой – антициклоны; причем, чем дальше от океанов, тем более сильные. Над субтропическими частями океанов круглый год господствуют антициклоны, но они испытывают сезонные смешения, и к тому же в Северном полушарии они сильнее выражены летом, чем зимой [1]. Результаты Задача классификации поля давления решалась с использованием представления исходных данных в виде (матрицы) таблицы, в которой строки – это время, столбцы – пункты наблюдения. МВС относится к классу кластерных методов, т. е., является процедурой, позволяющей либо провести разложение данных на структуры, либо обнаружить в них заранее заданные структуры. Структуры в данных наблюдений – это математические структуры. Они отражают совокупное проявление связей между переменными системы, которые не всегда очевидны, и по этой причине часто являются скрытыми. Фактически МВС реализует скрытый алгоритм, присутствующий в определении понятия математической структуры: «Структуры математические – родовое название, объединяющее понятия, общей чертой которых является то, что они применимы к множествам, природа элементов которых не определена. Чтобы определить структуру, задают отношения, в которых находятся элементы множества, затем постулируют, что данные отношения удовлетворяют условиям – аксиомам структуры» [3]. Районирование территории с использованием временных рядов давления в заданном ареале имеет своей целью нахождение естественных структур, т. е. районов, обладающих похожим поведением. Привязка, получаемых таким образом структур-классов к ландшафту, позволяет приблизиться к оценке причин формирования и выделения однородных зон. В качестве характеристик классов поля давления использованы: количество станций, попадающих в каждый класс k: количество элементов, среднее значение давления Pk , дисперсия 2k для каждого класса, связность поля Rk2 внутри класса и др. Следует отметить, что все классы были упорядочены по возрастанию и первый класс всегда имеет наименьшее значение давления, а последний – наибольшее. Количество станций, попадающих в один класс, меняется в пределах от 2–120 для января и до 135 для июля месяца. Минимальное среднеклассовое значение давления для января составляет 998,5 гПа (1 класс), а максимальное – 1038,5 гПа (20 класс). Для июля минимальное среднеклассовое значение давления для января составляет 998,0 гПа (1 класс), а максимальное – 1026,0 гПа (17 класс). В результате исследования были построены карты распределения классов поля давления над Северным полушарием. Выявлены типовые поля, которые условно можно разделить на три типа. На рис. 1, а представлено типовое поле, характерное для зимнего периода. Наибольшую площадь занимает 12 класс – область повышенного давления. Классы 18–19 в январскую часть года, зимнюю в северном полушарии, характеризуют местоположение Азорского и Гавайского максимумов, образуя два очага высокого давления (до 1040 гПа в центре). Классы 1–5 характеризуют области низкого давления: первая область находится над Лабрадорской котловиной Атлантического океана и простирается до Норвежского и Баренцево морей; вторая область наблюдается над Беринговым морем, давление в центре этих областей немного меньше 1005 гПа. На рис. 1, б представлено типовое поле, характерное для летнего периода. В летнюю часть года на суше давление нормальное или пониженное – наибольшую площадь занимает 5 класс со среднеклассовым значением давления 1011,2 гПа, в тропиках Южной Азии стоит глубокий (998 гПа) Ирано-Тарский минимум – 1 класс. Области высокого давления (классы 14–17), спускаются к экваториальной зоне и располагаются над Атлантическим и Тихим океанами с максимальными значениями 1026 гПа в центре. Наиболее сложным типом распределения поля давления является третий тип поля, который включает в себя признаки, как первого, так и второго полей. На рис. 2 приведено распределение классов поля давления для весеннего переходного периода (а – апрель) и для осеннего переходного периода (б – сентябрь). 160 Секция 4 Январь Июль 12 12 12 12 12 12 12 1 1 8 12 1 3 3 12 1 1 1 19 19 12 12 19 1 20 20 1 5 12 18 19 12 12 12 12 12 12 19 10 12 5 12 16 5 5 12 12 5 5 9 5 5 5 5 9 9 6 5 5 5 5 5 5 14 14 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 11 5 5 5 55 5555 11 5 5 55 5 5 6 5 5 0 7 7 7 5 7 7 77 5 5 5 777 5 6 5 7 5 5 5 55 77 3333333333333 77 55 6 7 33 33 7 5 5 5 5 5 7 7 333 3 7 5 5 5 1 1 5 7 3 333 7 5 77 77 33333333333 77 55 5 5 5 77 7 5 1 5 5 7 5 5 1 77777777 5 2 5 7 5 5 5 8 77 5 5 1 5 8 5 44 555 5 5 1 8 5 5 5 5 5 2 8 8 8 8 13 5 5 1 5 13 5 5 13 5 5 2 17 5 5 5 15 1 17 5 15 5 15 5 12 5 5 5 5 5 5 12 5 5 5 5 5 5 12 5 10 5 5 5 5 5 5 12 а 14 15 16 16 5 5 12 10101717 4 1010 1717 12 12 12 17 4 1 12 151515151515 15 12 12 12 15 1 15 15 12 12 12 12 12 15 1 15 14 15 14 14 14 14 14 14 14 12 12 14 14 15 10 1 14 14 14 14 14 14 14 14 15 14 12 12 12 12 12 11 14 14 14 14 15 17 19 20 18 12 12 14 14 14 14 5 14 14 14 14 5 6 14 11 11 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 55 6 16 19 12 12 12 11 116 14 14 6 12 12 1414 55555 12 12 12 6 6 16 18 66 6 12 12 2 7 66 6666 12 12 2 9 12 12 12 7 12 12 2 9 2 9 9 9 9 7 12 12 12 12 12 7 12 12 7 12 12 13 12 12 12 12 12 13 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 8 12 12 5 5 5 5 5 10 5 5 5 12 12 12 12 19 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 5 5 5 5 5 5 б Рис. 1. Распределение классов поля давления над Северным полушарием: а – в январе; б – в июле Рис. 2, а показывает устойчивое образование и развитие Гавайского и Атлантического максимумов – 19 и 20 класс соответственно. На рис. 2, б на фоне повышенного давления происходит формирование Азорского и Гавайского максимумов. Сентябрь Апрель 9 9 9 19 19 9 9 11 19 11 9 10 9 9 9 19 19 1 2 2 17 9 10 9 9 11 11 11 1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 10 10 9 10 10 10 9 9 10 10 9 б 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 13 13 1 1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1010 9 9 9 9 8 10 10 1010 9 10 8 10 10 9 10 10 77777 10 10 10 10 7777 8 77 9 10 10 10 10 10 10 10 10 77 5555555555555 77 99 7 5 55 7 10 10 10 10 10 7 5555 5 7 9 13 10 10 10 55 7 7 55 77 55555555555 77 9 10 10 10 9 10 10 10 33 77 77 9 12 10 10 7 7 77777 10 10 10 9 12 10 4 22 9 10 4 12 10 22 999 10 10 10 11 10 10 10 10 10 10 6 11 6 11 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 9 9 9 5 13 9 9 9 9 9 9 55 9 9 3 9 9 9 9 1616161616 16 16 9 15 9 9 3 16 16 9 19 16 16 15 9 9 9 16 18 16 18 18 18 18 18 18 18 9 15 16 18 16 13 18 18 18 18 16 18 18 18 16 18 9 9 9 9 9 15 16 18 18 16 9 17 9 9 9 18 16 18 18 16 18 18 18 18 16 18 16 9 17 18 18 9 15 18 18 18 18 18 18 16 9 15 16 18 9 16 9 9 15 15 15 16 17 9 9 9 15 16 15151616 9 9 9 6 9 17 9 77 9 9 9 4 10 77 6699 9 9 9 4 14 9 9 9 10 14 9 4 9 8 8 9 9 10 9 9 9 9 9 9 9 9 20 9 12 12 9 9 9 9 20 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 а 19 9 9 9 9 9 9 9 9 9 10 Рис. 2. Распределение классов поля давления над Северным полушарием: а – для весеннего переходного периода (апрель); б – для осеннего переходного периода (сентябрь) Исследование динамики структуры поля давления проводилось следующим образом. Весь интервал в 45 лет разбивался на 3 периода: с 1955 по 1970 гг.; с 1970 по 1985 гг.; с 1985 по 2000 гг. Для каждого периода проводилась процедура классификации и находилась пространственная структура классов для каждого месяца. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что основные особенности поведения поля давления в эти периоды остаются неизменными. 161 Роговские чтения Заключение МВС позволил по-новому взглянуть на проблему выделения и формирования центров действия атмосферы, оценить их динамику в годовом ходе и более объективно обосновывать их географическое положение. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Хромов, С.П. Метеорология и климатология / С.П. Хромов, М.А. Петросян. – 6-е изд. перераб. и переизд. – М. : МГУ; Изд-во Колос С, 2006. – 582 с. 2. Кусков, А.И. Проблемы исследования геофизических полей / А.И. Кусков, С.Г. Катаев // Вестник ТГПУ. – 2000. – Вып. 2 (18). – С. 21–27. 3. Катаев С.Г. Алгоритмические и программные средства аналитического и неразрушающего контроля параметров природной среды на основе метода выделения структур : дис. … докт. техн. наук. – Томск, 2013. – 355 с. 162 Секция 4 УДК 502.15:662.642 ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ (НА ПРИМЕРЕ ОГОДЖИНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ) Т.А. Кожухарь Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:igg@tsuab.ru В статье рассмотрены особенности организации мониторинга геологической среды при разработке открытым способом угольных месторождений, техногенные воздействия на окружающую среду и принципы организации целевой комплексной программы мониторинга геологической среды Огоджинского угольного месторождения. Ключевые слова: месторождение, открытая разработка, геологическая среда, компоненты геологической среды, техногенные воздействия, программа наблюдений, пункты наблюдений. В условиях развития современного общества, возрастания потребностей в энергетических ресурсах, все большую техногенную нагрузку испытывает геологическая среда. Добыча любых полезных ископаемых всегда сопровождается отрицательным воздействием на окружающую среду, не только на верхнюю часть земной коры (литосферу), но и на гидросферу, атмосферу, педосферу, а также на растительный и животный мир (биосферу). Влияние горнодобывающих предприятий на геологическую среду определяется двумя группами факторов [1]: особенностями природных условий месторождений (строением геологической среды) и способом разработки месторождения. Разработка угольных месторождений открытым способом, по сравнению с шахтной добычей, является наиболее часто применяемой. Однако именно открытая разработка месторождений вызывает наибольшие изменения геологической среды, которые связаны: с отчуждением земель под карьеры и отвалы пустой породы; нарушением гидрогеологических условий, формированием депрессионных воронок при водопонижении, смешением вод разного состава, истощением запасов подземных вод; изменением ландшафта территории; изменением напряженного состояния массивов горных; повреждением и ликвидацией почв; изменением и уничтожением растительных сообществ; развитием и активизацией неблагоприятных геологических процессов и явлений; повреждением инженерных сооружений, а также изменением состава и свойств атмосферного воздуха и поверхностных вод. Мероприятия по защите окружающей среды при открытых разработках угольных месторождений и по ликвидации нежелательных последствий деятельности горнодобывающего производства должны быть обозначены в комплексной целевой программе геоэкологического мониторинга территории. Главной целью мониторинга геологической среды является установление тенденций ее развития в пределах природно-технической системы (ПТС) и на основе этого – принятие управляющих решений по оптимизации функционирования ПТС [2]. В целевую комплексную программу мониторинга должны включаться наблюдения за техногенными и природными изменениями геологической среды, происходящими в результате тех экзогенных и эндогенных геологических процессов, характеристическое время которых сопоставимо с периодом жизни природно-технической системы. Также в задачу мониторинга, помимо наблюдений должна входить оценка и прогноз состояния геологической среды и управление природнотехнической системой. Помимо управленческих задач мониторинг может решать и исследовательские задачи [2]. Огоджинское угольное месторождение расположено в Селемджинском районе Хабаровского края и является одним из самых перспективных в пределах Гербигано-Огоджинской угленосной провинции. Угленосными являются нижнемеловые осадочные породы Огоджинской свиты, залегающие на позднепротерозойском гранитном фундаменте и вмещающие до 20 пластов каменного угля мощностью до 56 м. 163 Роговские чтения На территории Огоджинского месторождения предполагается строительство угольного карьера глубиной более 200 м. На основании проведенных исследований в пределах месторождения выделены 5 стратиграфо-генетических комплексов пород: 1 – современные делювиально-аллювиальные отложения (daQIV); 2 – нижнемеловые угленосные отложения огоджинской свиты (K1 og); 3 – верхнемеловые интрузивные образования (γδ К2); 4 – верхнепалеозойские интрузивные образования (γ PZ3); 5 – нижнемеловые эффузивные образования (α К1) и более 14 литологических типов пород, отличающихся по составу, степени литогенеза и прочности структурных связей. Выполненные исследования позволили дать количественную оценку бортов Огоджинского карьера. Расчетами установлено, что при условии предварительного осушения и коэффициенте запаса 1,3 генеральный угол наклона бортов карьера составит 36° при глубине 100 м, 34° – при глубине 150 м, 30° при глубине 200 м и 27° при глубине карьера 250 м [3]. При разработке Огоджинского угольного месторождения открытым способом будут оказываться воздействия на окружающую среду в результате изъятия из геологической среды полезных ископаемых, растительности (вырубка лесов и уничтожение кустарниковой и другой растительности); привноса в геологическую среду загрязняющих веществ: вскрышные работы, пустая порода, пыление отвалов и терриконов, пыль от взрывов в карьерах; изменения геофизических и физических полей: гравитационного, электрического, магнитного, температурных полей; радиационного и сейсмического фона, шумового воздействия, воздействия ударной волной. Также будут происходить изменения в основных составляющих компонентах геологической среды. В горных породах: изменения физико-механических свойств и их химического состава, нарушение структурных связей, увеличение трещиноватости, изменение напряженного состояния в массиве, изменение температурного режима, изменение естественного электрического, гравитационного и магнитного полей массивов пород, влажностного режима горных пород (осушение) и их фильтрационных свойств. При добыче полезного ископаемого может возникнуть комплекс мерзлотных процессов за счет изменения температурного режима пород, произойти изменение уровней подземных вод, их загрязнение, изменение запасов, нарушение связи между подземными и поверхностными водами. Произойдет сформирование горнопромышленного ландшафта, уничтожение почвенного покрова, уменьшится плодородие почв за счет запыления, загрязнения атмосферных осадков и поверхностного стока, угнетение и уничтожение биоты почвенного слоя и т. д. Наблюдения за природными и техногенными изменениями природно-технической системы применительно к разработке месторождений открытым способом должны носить режимный стационарный характер. Режимные стационарные наблюдения проводятся для контроля за динамикой процессов и явлений на наблюдательных участках в целях выявления их закономерностей. Такие наблюдения отражают временные (сезонные, суточные и др.) колебания в системе наблюдаемых объектов [4]. Режимные наблюдения должны быть нацелены на прогнозирование тенденции и масштаба развития тех или иных процессов и явлений во времени, установление закономерностей развития и выявление причин их обуславливающих. Результатом режимных наблюдений является предупреждение опасных и катастрофических процессов, составление прогноза их развития и обоснование необходимых мероприятий по охране геологической среды, обеспечению устойчивости сооружений, безопасной жизнедеятельности людей, управлению геологическими процессами и явлениями в нужном для человека направлении. Стационарные режимные наблюдения являются определенным, самостоятельным видом геологических работ в методике инженерно-геологических исследований и входят в задачи и цели мониторинга геологической среды. В основу разработки системы мониторинга Огоджинского угольного месторождения были положены следующие принципы: 1) целенаправленность, наличие целевой программы и выход на конечную цель – управление ПТС; 2) комплексность наблюдений, объектов, целей и используемых методик; 3) системность изучения взаимодействий, происходящих в геологической среде по прямым и обратным связям [2]. Целевая комплексная программа геоэкологического мониторинга должна содержать ряд важнейших научно-методических обоснований: – обоснование площади изучения, которая должна включать всю зону ожидаемого техногенного воздействия на все компоненты геологической среды данной территории; 164 Секция 4 – обоснование и выбор системы мониторинга, в основе которой лежит анализ и выявление тех компонентов геологической среды, на которые оказываются техногенные воздействия и обеспечение прогнозирования изменений геологической среды; – обоснование расположения наблюдательной сети мониторинга; – обоснование периода наблюдений в системе мониторинга; – обоснование режима наблюдений за каждым компонентом геологической среды или соответствующим геологическим процессом. Назначение целевой программы мониторинга геологической среды разработка оптимального состава и последовательности практических действий по организации и функционированию мониторинга геологической среды на конкретной территории. Для составления программы мониторинга необходимо провести: – изучение фондовых и опубликованных материалов по данной территории; – сбор и систематизацию имеющейся информации о строении и состоянии геологической среды; – сбор информации о техногенной нагрузке на геологическую среду; – составление карт изученности территории. На основе полученных данных должны быть установлены наиболее оптимальные сроки наблюдений и их периодичность. В зависимости от набора компонентов геологической среды (инженерно-геологических, гидрогеологических, геокриологических и других показателей) наблюдения ведутся за: составом и, состояние и свойствами почв, горных пород, техногенных грунтов, подземными водами, рельефом, природными геологическими процессами и явлениями, процессами взаимодействия инженерных сооружений и геологической среды. Каждый показатель связан с конкретным элементом геологической среды или его частью. Каждая точка наблюдения является единичным пунктом получения информации, а их комплекс представляет собой систему пунктов получения информации (СППИНФ). Теория планирования и разбивки СППИНФов в пределах тех или иных объектов геологической среды разработана Г.К. Бондариком [4]. Наблюдательная сеть мониторинга Огоджинского угольного месторождения в пределах геологической среды включает: – пункты геодезических наблюдений за вертикальными и горизонтальными перемещениями грунтовых массивов при разработке месторождения открытым способом; – геофизические скважины для наблюдений за развитием глубинных оползневых процессов; – гидрогеологические скважины для наблюдений за подземными водами; – пункты наблюдений за эрозионными оползневыми процессами [5]. При этом рекомендуется вести наблюдения за следующими компонентами геологической среды: горными породами; подземными водами; опасными природными и природно-техногенными процессами; напряженно-деформированным состоянием горных пород в бортах карьеров; вертикальными и горизонтальными перемещениями грунтовых массивов; многолетнемерзлыми породами в криолитозоне; изменениями ландшафта местности; загрязнениями атмосферы, поверхностных и подземных вод. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Голодковская, Г.А. Геологическая среда промышленных регионов / Г.А. Голодковская, Ю.Б. Елисеев. – М. : Недра, 1989. – 220 с. 2. Королев, В.А. Мониторинг геологической среды / В.А. Королев ; под ред. В.Т. Трофимова. – М. : Изд-во МГУ, 1995. – 272 с. 3. Ольховатенко, В.Е. Закономерности формирования физико-механических свойств горных пород Огоджинского угольного месторождения Амурской области при литогенезе / В.Е. Ольховатенко, Т.А. Кожухарь. – Томск : Печатная мануфактура, 2004. – 108 с. 4. Бондарик, Г.К. Природно-технические системы и их мониторинг / Г.К. Бондарик, Л.Я. Ярг // Инженерная геология. – 1990. – № 5. – С. 3–9. 5. Кожухарь, Т.А. Организация мониторинга геологической среды при открытой разработке Огоджинского угольного месторождения / Т.А. Кожухарь // Наука, образование, общество: тенденции и перспективы : сб. научных трудов по материалам научно-практической конференции, 3 февраля 2014 г.: в 7 ч. Ч. IV. – М. : АР-Консалт, 2014. – С. 120–122. 165 Роговские чтения УДК 550.82:622.691.4 ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ А.К. Мазуров, В.В. Крамаренко Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия Е-mail: kramarenko-v-v@mail.ru В статье рассмотрены особенности проведения инженерно-геологических изысканий для строительства магистральных трубопроводов и их инфраструктуры, а также связанные с ними проблемы в области кадровой политики, нормативной базы и применяемой техники и оборудования Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания, линейные объекты, магистральный трубопровод. Разведанные большие месторождения нефти и газа на севере и востоке страны и их отдаленность от потребителей предопределили интенсивное развитие сети трубопроводного транспорта (рисунок), что, в свою очередь, обусловливает освоение новых месторождений в отдаленных регионах. Так как эффективность работы топливно-энергетического комплекса связана не только с добычей и обеспечением сырьем отечественной промышленности, но и с экспортными возможностями, роль трубопроводного транспорта в промышленности России чрезвычайно высока. Распоряжением правительства РФ от 13 августа № 1416-р была утверждена схема территориального планирования в области федерального транспорта в части трубопроводного транспорта. Основой для размещения новых объектов магистральных нефтепроводов является развитие нефтедобычи в стране в 2012–2020 гг., освоение новых центров нефтедобычи и увеличение нефтеотдачи на разрабатываемых месторождениях в традиционных районах. Документ содержит сведения о видах, местоположении и характеристиках зон с особыми условиями использования территорий планируемых для размещения объектов федерального значения в области трубопроводного транспорта на период до 2030 г. [1]. Трубопроводы России [2] 166 Секция 4 Согласно Энергостратегии России до 2035 г., поставки нефти планируется нарастить с 51 до 110 млн т в год, газа – с 14 до 130 млрд м3 [3], что позволит реализовать новые проекты по развитию транспортной инфраструктуры. Таким образом, планомерное строительство нефтегазовых трубопроводных систем становится одним из основных направлений экономической деятельности страны, а его обеспечение качественной и достоверной информацией при инженерных изысканиях является важнейшей государственной задачей при освоении новых территорий. В связи с ростом объемов строительства магистральных нефте- и газопроводов растет количество вопросов связанных со спецификой отрасли, требующих от инженер-геолога не только высокой квалификации, но и способности найти нестандартные решения и неординарные подходы к ведению изыскательских работ. Особенности инженерно-геологических изысканий для строительства сооружений трубопроводного транспорта заключаются, прежде всего, в быстрых темпах работ на линейных объектах значительной протяженности, характеризующихся сложными природно-климатические условиями, распространением мерзлых пород, развитием экзогенных процессов, в том числе и криогенных, районов с повышенной сейсмичностью, распространением специфических грунтов, сложных водных объектов. Разнообразие природно-климатических, геологических, геокриологических, сейсмических условий, потребовало от специалистов глубоких знаний геологии, гидрогеологии, инженерной геология и геокриологии. Полевые работы в северных и северо-восточных регионах выявили недостаточную подготовку изыскателей, зачастую не имеющих базового образования. Затруднения вызывало определение и классифицирование скальных, органических и органоминеральных, мерзлых, элювиальных и других грунтов; описание проявлений процессов, особенно криогенных, ландшафтов ключевых участков, и в целом поучастковое описание трассы. Кадровая проблема в области изысканий стоит довольно остро, так как при большом спросе на специалистов в целом зарплата инженер-геолога невысока. Инженерные изыскания постоянно недофинансируются, заказчики требуют уменьшения состава и объемов изыскательских работ. Новые справочники базовых цен, обеспечивающие более объективное ценообразование и разработанные уже несколько лет назад, не утверждаются, цены значительно занижены, и многие современные виды работ полностью отсутствуют в справочниках [4]. Все это не способствует закреплению кадровых инженергеологов, места которых занимают сотрудники с непрофильным образованием. В открытом письме президенту Российской Федерации В.В. Путину от сообщества инженеров-изыскателей [4] отмечено, что необходимо совершенствование программ высшего и среднего специального образования в области инженерных изысканий. Катастрофически не хватает специалистов-мерзлотоведов, адаптированных для изысканий – со знанием методов проведения геокриологических исследований, определения характеристик состава и свойств грунтов, их обработки, со знанием расчетных схем оснований фундаментов в криолитозоне, способных составить техническое задание и программу изысканий, программу мониторинга криогенных процессов. Идеальный вариант – выпуск специалиста с дипломом: инженергеолога, гидрогеолога и геокриолога. Магистратура без обязательного первого геологического образования также не спасает ситуацию. Образовательные учреждения, ведущие обучение, повышение квалификации и переподготовку специалистов-изыскателей, должны быть оснащены хорошей лабораторной и, конечно, полевой базой с новейшим оборудованием, для проведения стажировок специалистов с целью получения опыта и навыков работ, что также будет способствовать росту уровня подготовки кадров. Преподавательский состав должен иметь не только базовое геологическое образование, но и минимальный производственный стаж. Нельзя не отметить, что предприятия проводящие изыскания под трассы МТ, их супервайзинг и экспертизу хотят иметь высококвалифицированный персонал и ставят очень жесткие требования к образовательному цензу своих сотрудников. Сами сотрудники, в свою очередь, регулярно проходят курсы переподготовки и повышения квалификации, стажировки на предприятиях. Несмотря на их заинтересованность времени определенного на проведение курсов повышения квалификации или переподготовки специалистов не достаточно для получения полноценных знаний по геологическим дисциплинам. Другой особенностью является разнообразие сооружений, входящих в состав магистральных газо- и нефтепроводов и способы прокладки линейной части. Магистральный трубопровод представляет собой сложный производственно-технологический комплекс, состоящий из технологических объектов, 167 Роговские чтения обеспечивающих транспортировку, приемку, сдачу нефти/нефтепродуктов, природного или попутного нефтяного газа, от мест приема до мест сдачи потребителям или перевалку на другой вид транспорта. Комплекс включает как линейные объекты, такие как трубопровод с ответвлениями и лупингами, запорной арматурой, переходами через естественные и искусственные препятствия, установки электрохимической защиты от коррозии, линии и сооружения технологической связи, средства телемеханики трубопроводов, линии электропередачи, предназначенные для обслуживания трубопроводов и устройства электроснабжения и дистанционного управления запорной арматурой и установками электрохимической защиты; постоянные дороги и вертолетные площадки, расположенные вдоль трассы трубопровода, и подъезды к ним и др.; так и объекты площадные – здания и сооружения линейной службы эксплуатации трубопроводов; головные и промежуточные перекачивающие и наливные насосные станции, газораспределительные, газоизмерительные станции, станции охлаждения газа, конденсатосборники; компрессорные станции, установки дополнительной подготовки газа, здания и сооружения линейной службы эксплуатации газопроводов; резервуарные парки; терминалы, речные и морские погрузочные терминалы, порты, железнодорожные погрузочно-разгрузочные терминалы и т. д. [5]. Сложность и разнообразие инженерно-геологических условий определяет выбор способа прокладки нефтепроводов подземный и надземный – с применением специальных опор и компенсаторов для строительства в рыхлых вечномерзлых грунтах, в зонах тектонических разломов, на территориях развития опасных процессов. Переходы через водотоки выполняются траншейным способом, методом горизонтально-направленного бурения, тоннелированием и микротоннелированием, переходы через автомобильные и железные дороги методом закрытой проходки; газопроводы следует прокладывать подземно, прокладка в насыпи или на опорах допускается только как исключение. Многообразие объектов МТ с учетом сложности инженерно-геологических условий трассы определяет виды и объемы работ при инженерно-геологических изысканиях, так как каждое сооружение проектируется согласно требованиям соответствующих нормативных документов, имеет свой набор показателей состава и физико-механических свойств грунтов, применяемых в расчетах оснований по деформациям и несущей способности, а также классификационных характеристик. Соответственно, повышаются требования к четкому знанию инженер-геологом действующих нормативов и отраслевых стандартов. Нормативная база, заслуживает особого внимания, так как разнообразие действующих нормативов, еще одна проблема современных инженерных изысканий. Согласно Письму Минрегиона России от 15.08.2011 № 18529-08/ИП-ОГ, в целях переходного периода актуализированные своды правил не отменяют действия предыдущих сводов правил» [5]. Таким образом, для обеспечения требований Федерального закона РФ от 30.12.2009 № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» при проектировании объектов капитального строительства необходимо использовать национальные стандарты и своды правил (разделы таких документов), утвержденные постановлением Правительства РФ от 21.06.2010 № 1047-р, а также национальные стандарты и своды правил (разделы таких документов), утвержденные приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 01.06.2010 № 2079. Отчасти спасают ситуацию отраслевые нормативы: РД-91.020.00-КТН-042-12 [6], предназначенный для применения организациями, выполняющими работы по инженерным изысканиям, проектированию и строительству магистральных трубопроводов, для заказчиков на выполнение инженерных изысканий, а также для организаций, осуществляющих надзор за инженерными изысканиями и СТО Газпром 2-2.1-249-2008 [7], который распространяется на вновь проектируемые и реконструируемые магистральные газопроводы и ответвления от них условным диаметром до 1400 мм включительно с избыточным давлением среды свыше 1,18 МПа (12 кгс/см2) до 24,52 МПа (250 кгс/см2) для транспортирования: природного газа от промыслов до мест потребления; товарного газа, топливного и пускового газа, а также СП 36.13330.2012 [8] на проектирование новых и реконструируемых магистральных трубопроводов номинальным диаметром до 1400 мм включительно, с избыточным давлением среды свыше 1,2 до 10 МПа включительно и [9, 10]. Если СТО [7] в целом ссылается на общие нормативы, то в РД [6] детально для каждого сооружения в зависимости от категории инженерно-геологических условий приведены количество, расположение и глубина скважин, что значительно упрощает работу. По каждому инженерногеологическому элементу необходимо получение частных значений в количестве 10 характеристик состава и состояния грунтов или шести характеристик механических свойств грунтов. Для линейной 168 Секция 4 части трубопровода в РД предусмотрен упрощенный вариант опробования: расчленение инженерногеологического разреза на отдельные литологические слои проводится по видам грунта (глины, суглинки, супеси, пески, органо-минеральные и органические грунты, крупнообломочные грунты, скальные грунты). По каждому выделенному инженерно-геологическому элементу допускается в пределах линейной части отбор 6 образцов для определения показателей физических свойств грунта, что не соответствует ГОСТ 20522–2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. При этом по трассе трубопровода должна быть опробована только треть скважин, расположенных равномерно в пределах исследуемого участка. Оценку прочностных и деформационных свойств грунтов, согласно [6] в пределах линейной части трубопроводов, следует осуществлять в соответствии с региональными таблицами характеристик грунтов, специфичных для исследуемого района или по показателям физических характеристик в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011, допускается определять эти характеристики по справочным или фондовым данным. Несмотря меньшие диаметры (по сравнению с газопроводами) и небольшую нагрузку на основание (не более 0,02–0,03 МПа), это слишком упрощенный вариант определения показателей. Согласно СП 47.13330 п. 6.3.25 [11], при инженерно-геологических изысканиях линейной части магистрального трубопровода, укладываемого методом обратной отсыпки, отбор образцов на классификационные показатели выполняется в каждой горной выработке, за исключением зондировочных скважин, механические свойства грунтов, в том числе обратной отсыпки, определяются в обязательном порядке для магистральных трубопроводов диаметром более 1000 мм и/или избыточным давлением более 0,6 МПа, а также для линейных объектов повышенного уровня ответственности. Кроме того, в СП [11] предъявляются дополнительные требования к результатам инженерногеологических изысканий в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, специфических грунтов и опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Для определения показателей физико-механических свойств грунтов в полевых условиях необходимо соответствующее технологическое оснащение предприятий. В настоящее время в России очень мало организаций, выпускающих оборудование для полевых и лабораторных работ. В первую очередь это два доминирующих производителя НПП Геотек (комплексы АСИС для дисперсных, полускальных и мерзлых грунтов, в том числе и пучинистых) и ЗАО «Геотест» (комплекты оборудования для статического ТЕСТ-К2М, ТЕСТ-К4 и динамического зондирования АДЗ-2, прессиометры ПЭВ-89мк, штампы ШВ60 и ШП20, ШП5000Т), а также ООО «ЭкогеосПром» (оборудование для исследования физикомеханических свойств горных пород «Петромеханикс» и др.), Новосибирский инженерный центр (дилатометры РД-100 и АКР-2), ООО НТЦ «ПИКА-ТЕХНОСЕРВИС» (комплекты для статического зондирования Пика-17, Пика-19, для замеров температур МГА-5М, МГА-7), ОАО «Геомаш» (буровые установки, комплекты оборудования для динамического КДЗ-001 и статического зондирования КИЗ-000), ОАО «ПНИИИС» (штампы ШГСП-600/6, ШГСП-600/10, ШГСП-600/15) и др. Качество оборудования претензий не вызывает, но предлагаемый ассортимент не дает возможности выбора. Ряд нормативных документов не поддержан отечественными производителями оборудования, среди них ГОСТ Р 56353–2015 Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов, ГОСТ 27217–2012 Грунты. Метод полевого определения удельных касательных сил морозного пучения, ГОСТ 23061–2012 Грунты. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности. ГОСТ Р 53582–2009 Грунты. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов, ГОСТ Р 54476–2011 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве, ГОСТ Р 54476–2011 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик деформируемости грунтов в дорожном строительстве и др. Отсутствует на рынке российское оборудование для определения прочностных и деформационных показателей скальных и полускальных пород в полевых условиях, для работ на глубинах более 25 м, для исследования и мониторинга экзогенных процессов (как и нормативы) нет массового выпуска установок на сдвиг целиков, нет лабораторного оборудования для получения характеристик недонасыщенных грунтов, для испытаний при высоких давлениях, высоких и низких температурах и т.д. Цены на зарубежные аналоги столь высоки, что не каждая организация может позволить ее приобретение, а также зарубежные стажировки для обучения сотрудников, заказ запасных частей и расходных материалов, услуги на установку и монтаж, обслуживание и ремонт. Осложняет ситуацию рост курса валют и экономические санкции в отношении России. Кроме того, возможны про169 Роговские чтения блемы с поверками и калибровками оборудования, не учтенного в Госреестре средств измерений и не соответствие нашим отечественным нормативам. Протяженность линейных объектов на необжитых территориях, ведет к еще одной проблеме: образцы грунтов перевозят через всю страну в стационарные лаборатории для испытаний грунтов, если не находится местный субподрядчик. Сокращенные сроки испытаний не позволяют в полевых условиях определять характеристики состава и свойств грунтов, мобильные лаборатории применяются редко и они не дешевы. Чаще всего эта процедура проводится с мерзлыми грунтами, так как очень мало лабораторий оснащено оборудованием для определения их физико-механических свойств, и не каждая оснащенная лаборатория может проводить такие испытания. Везут образцы в основном в Москву с Западной и Восточной Сибири, Якутии и Дальнего Востока, что не способствует повышению качества результатов, так как сроки хранения образцов не должны превышать 10 дней. В целом в данной отрасли характерные для инженерно-геологических изысканий проблемы не стоят столь остро, а их более сглаженный характер объясняется серьезными инвестициями в трубопроводный транспорт. Положительными моментами производства являются жесткий контроль за ведением работ – как полевых, так и лабораторных, высокая квалификация и тенденция к дальнейшему профессиональному совершенствованию сотрудников, хороший уровень технического обеспечения работ, а также научные разработки, базирующиеся на огромном практическом опыте специалистов и отраженные в отраслевых нормативах. В заключение, необходимо отметить, что для получения качественной информации при изысканиях для строительства магистральных трубопроводов и любых других сооружений необходима единая нормативно-правовая база и стабильные цены на проводимые работы, позволяющие покупать и разрабатывать необходимое оборудование, а также хорошая школа подготовки инженер-геологов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 170 http://government.ru/media/files/41d48491818d6eb9f890.pdf http://investments.academic.ru/pictures/investments/img1923341_Truboprovodyi_Rossii.jpg http://www.eprussia.ru/news/base/2015/267865.htm http://oaiis.ru/news/detail_news.php?ID=62282&IID=68 Письмо от 15.08.2011 № 18529-08/ИП-ОГ «О разъяснении статуса сводов правил – актуализированных СНиПов». РД-91.020.00-КТН-042-12. Инженерные изыскания для строительства магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. СТО Газпром 2-2.1-249-2008. Магистральные газопроводы. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06–85. СТО Газпром 2-2.1-435-2010. Проектирование оснований, фундаментов, инженерной защиты и мониторинга объектов ОАО Газпром в условиях Крайнего Севера. СТО Газпром 2-2.1-206-2008. Сооружение газопроводов в горных условиях. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Секция 4 УДК 550.83:662.642 ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ ХАНДИНСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Е.М. Мухина, О.А. Бычков Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:igg@tsuab.ru Приведен анализ методики и организации мониторинга геологической среды при разработке угольных месторождений. Разработана целевая комплексная программа мониторинга Хандинского буроугольного месторождения. Ключевые слова: мониторинг, геологическая среда, месторождение. Из всех видов хозяйственной деятельности горнодобывающая промышленность оказывает наиболее техногенное воздействие на геологическую среду, вследствие чего организация мониторинга в районах развития этого производства является актуальной и важной задачей. Открытые горные разработки являются наиболее экологически напряженным способом добычи и в наибольшей мере влияют на компоненты геологической среды. При этом способе добычи наибольшие изменения геологической среды связаны: с отчуждением земель под карьеры и отвалы пустой породы; нарушением гидрогеологических условий с формированием депрессионных воронок, смешиванием вод разного состава, истощением запасов подземных вод; изменением ландшафта территории; изменением напряженного состояния массива горных пород и активизацией склоновых процессов [1]. При организации мониторинга геологической среды Хандинского буроугольного месторождения наблюдательная сеть должна быть направлена на мониторинг подземных вод, на наблюдения за устойчивостью бортов карьеров и отвалов пород, на наблюдения за различными видами загрязнения горных пород, почв и ландшафта в целом, на наблюдение за температурным режимом многолетнемерзлых пород и развитием неблагоприятных геологических процессов и явлений, обусловленных деградацией мерзлоты [2]. Главной целью мониторинга геологической среды является установление тенденций развития геологической среды или её части в пределах природно-технической системы и на основе этого – принятие управляющих решений по оптимизации функционирования природно-технической системы. Основными объектами мониторинга геологической среды месторождения являются горные породы, рельеф территории, подземные воды, геологические процессы и явления. Источниками получения информации о геологической среде являются различные виды инженерно-геологических, гидрогеологических, геокриологических, физических и геоморфологических наблюдений (рекогносцировочные, режимные, оценочные и т. д.); все виды съемочных работ, используемые в практике инженерно-геологических исследований; работы по организации систем инженерной защиты; всевозможное моделирование геологической среды, её элементов. В производственную базу мониторинга входит весь арсенал методов, используемых в инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии. Целевая комплексная программа мониторинга геологической среды месторождения содержит научно-методические обоснования, главными из которых являются: 1. Обоснование площади изучения, которая включает зону ожидаемого техногенного воздействия на все компоненты геологической среды территории. 2. Обоснование и выбор системы мониторинга, в основе которой лежит анализ и выявление тех компонентов геологической среды, на которые оказывается или ожидается техногенное воздействие и обеспечение прогнозирования изменений геологической среды. 3. Обоснование расположения наблюдательной сети мониторинга. Здесь определяющей является карта типологического инженерно-геологического районирования территории, включающая оцен171 Роговские чтения ку защищенности и чувствительности геологической среды к техногенному загрязнению и развитию экзогенных геологических процессов. 4. Обоснование периода наблюдений в системе мониторинга, который определяется временем консервации или рекультивации объектов, режимом функционирования природно-технических систем. 5. Обоснование режима наблюдений за каждым компонентов геологической среды или соответствующим экзогенным геологическим процессом. Таким образом, назначение целевой комплексной программы мониторинга геологической среды – обоснованно наметить оптимальный состав и последовательность практических действий по организации практических действий по организации и функционированию мониторинга геологической среды на месторождении [3]. Основными видами работ на начальном этапе в пределах Хандинского месторождения следует считать: 1. Наземные прямые наблюдения за элементами геологической среды и природно-технической системы. 2. Наземные дистанционные наблюдения. 3. Дешифрирование и применение различных дистанционных методов наблюдения. 4. Проведением режимных наблюдений наземными и дистанционными методами. 5. Повторная эколого-геологическая съемка. 6. Составление карт инженерно-геологического районирования, карт типизации техногенных воздействий, карт эколого-геологического состояния геологической среды, карты-схемы организации мониторинга. 7. Продолжение сбора информации. На следующих этапах функционирования созданной системы мониторинга геологической среды проводится фиксация изменений в геологической среде и природно-технической системе, оценка ситуации, её анализ, моделирование, прогноз и разработка рекомендаций по управлению. Основными видами работ являются: 1. Непрерывная обработка и анализ поступающей информации. 2. Представление результатов в виде регулярных аналитических отчетов, записок, заключений о состоянии геологической среды. 3. Моделирование различных ситуаций. 4. Ситуационное прогнозирование. 5. Разработка рекомендаций по управлению природно-технической системой и элементами геологической среды. 6. Проведение профилактических работ на действующей наблюдательной сети (ремонт, замена элементов и т. д.). В пределах Хандинского месторождения геоэкологическая ситуация во многом будет зависеть от: – степени заболоченности территории; – строения толщи многолетней мерзлоты; – характера и интенсивности деградации мерзлоты в бортах карьера; – изменения физико-механических свойств горных пород при оттаивании; – развития геодинамических процессов в бортах карьеров. С учетом этого на территории Хандинского месторождения были выполнены комплексные исследования, которые позволили осуществить прогнозную оценку устойчивости бортов и разработать систему мониторинга геологической среды. В целевой комплексной программе мониторинга геологической среды Хандинского месторождения дано обоснование системы мониторинга и расположения наблюдательной сети. При этом предусмотрена организация наблюдений за следующим компонентами геологической среды: – горными породами, их состоянием и физико-механическими свойствами; – деградацией многолетнемерзлых пород; – напряженно-деформированным состоянием грунтового массива; – развитием опасных геологических процессов в бортах карьеров; – вертикальными и горизонтальными смещениями грунтов при разработке месторождения открытым способом; 172 Секция 4 – подземными водами; – изменением ландшафта местности. С учетом этого дано обоснование комплекса методов проведения наблюдений, в том числе с применением геодезической спутниковой аппаратуры и магнитометрического метода для наблюдений за развитием глубинных оползневых деформаций. Таким образом, реализация программы мониторинга геологической среды на Хандинском месторождении позволит осуществлять оценку изменения геологической среды и избежать возникновения чрезвычайных ситуаций в связи с возможным развитием опасных природных и техногенных процессов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Общие вопросы методики инженерно-геологических исследований при разработке угольных месторождений открытым способом. / В.Е. Ольховатенко // Инженерно-геологические условия строительства крупных карьеров Сибири : сб. статей международной конференции. – Томск : ТТУ, 1973. 2. Щербак, Г.Г. Типизация инженерно-геологических условий Иркутского угольного бассейна / Г.Г. Щербак, С.К. Ханхараев // Инженерная геология месторождений Сибири и дальнего Востока. Т. 2. – Томск : ТГУ, 1992. 3. Королев, В.А. Мониторинг геологической среды / В.А. Королев. – М. : МТУ, 1995. 173 Роговские чтения УДК 550.8:624.159.2 ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА ВОСКРЕСЕНСКОЙ ГОРЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЁ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЕ В.Е. Ольховатенко, А.А. Краевский, Н.А. Чернышова Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:igg@tsuab.ru Освещаются результаты геоэкологических исследований оползневого склона Воскресенской горы, выявлены природные и техногенные факторы развития оползневых процессов, приведены расчеты устойчивости склона и рекомендации по инженерной защите. Ключевые слова: геоэкологические условия, оползневые процессы, устойчивость склона, инженерная защита. В последние годы на территории г. Томска активно развиваются опасные природные процессы, представляющие реальную угрозу для зданий и сооружений, построенных в зонах риска. Именно к такой зоне, согласно районированию территории г. Томска по степени опасности и уровню риска для городской застройки, относится Воскресенская гора [2]. Строить объекты в непосредственной близости от бровки склона Воскресенской горы опасно и экономически нецелесообразно, так как существует реальная угроза разрушения зданий и сооружений под воздействием оползневых процессов. Необходимость в разработке и внедрении мероприятий инженерной защиты возникла в связи с активацией оползневых процессов в результате подрезки склона при устройстве фундаментов административно-торгового здания по ул. Большая Подгорная, 21 в г. Томске у подножия Воскресенской горы. Подрезка склона на высоту 10 м при выполнении строительных работ привела к резкому ухудшению состояния склона и потере его устойчивости. Исследованиями установлено, что, даже в естественных условиях без пригрузки и техногенного уплотнения грунтов, склоны Воскресенской горы находятся в предельно-напряженном состоянии. Подрезка же склона на участке строительства административно-торгового здания по ул. Большая Подгорная, 21 привела к изменению морфологии склона, увеличению угла откоса более чем на 10°, но самое главное, к ликвидации призмы упора, удерживающей грунтовых массив. В сложившейся ситуации появилась реальная угроза активизации оползневых процессов, особенно в весенне-летний период, если не будут внедрены к этому времени мероприятии по инженерной защите территории. Явные признаки локального смещения грунтов со склона и образования оползней появились сразу же после подрезки склона. В связи с отмеченным, для обеспечения безаварийного функционирования природно-технической системы потребовалось решить следующие задачи: – провести анализ ранее выполненных изысканий непосредственно на рассматриваемом участке и прилегающих к нему территориях; – выполнить обследование склона и установить природно-техногенные факторы нарушения его устойчивости; – уточнить геологический разрез и литологический состав грунтов слагающих склон; – отобрать пробы грунтов ненарушенной структуры и естественного сложения непосредственно из обнаженной части склона; – выполнить комплекс лабораторных исследований состава и физико-механических свойств грунтов; – выполнить специальные исследования сопротивления грунтов сдвигу для естественно-влажных и дополнительно-увлажненных образцов; – обосновать методы расчета устойчивости склонов Воскресенской горы и расчетные показатели физико-механических свойств; – провести расчеты устойчивости склона для различных состояний грунтового массива; – выполнить расчеты оползневого давления и давления грунта на ограждение; – разработать рекомендации по инженерной защите территории. По своему геоморфологическому строению территория Воскресенской горы относится к третьей надпойменной террасе и характеризуется довольно крутым склоном (35–45) и значительной вы174 Секция 4 сотой (22–26 м). Устойчивость таких склонов в первую очередь будет зависеть от состава и прочностных свойств грунтов, степени их обводнения за счет поверхностных и техногенных вод. В процессе обследования установлено, что склон Воскресенской горы находится в предельнонапряженном состоянии и в различные периоды времени здесь протекали оползневые процессы. Одной из главных причин нарушения устойчивости склона является его подрезка на высоту 10 м. Наблюдения за склоном показали, что сразу же после подрезки произошли локальные оползни соскальзывания. В результате этого на отдельных участках склон обнажился на высоту, равную 2 /3 высоту склона. Выполненные на территории Воскресенской горы исследования показали, что все причины и факторы нарушения устойчивости склона отчетливо делятся на две группы: 1 – природные (естественные); 2 – техногенные. К первой группе относятся природно-климатические условия, особенности геологического строения территории, геоморфологические особенности. В геологическом отношении территория сложена позднечетвертичными аллювиальными отложениями (aQIII) представленными преимущественными песками, супесями и суглинками. В нижней части разреза залегают гравийно-галечниковые отложения, к которым приурочен водоносный горизонт. Подземные воды до глубины 22 м не встречены, они залегают ниже подошвы склона на глубине 1,8–2,0 м и существенного влияния на устойчивость не оказывают. Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов № ИГЭ Разновидности грунтов 1 Насыпные грунты 2 Пески мелкозернистые, пылеватые 3 4 5 Супеси пластичные с прослоями песка Суглинки тугопластичные с прослоями песка Суглинки текучие с включениями гравия 100 % Плотность, кг/м3 Угол внутреннего трения, Удельное сцепление, кПа град. I II III I II III CI CII CIII 1,80 1,78 1,80 1,80 1,64 20 31 31 19 30,5 31 17 30 30 27 22,7 1,59 1,80 1,79 1,62 14,7 23 20,8 13,9 20 19,7 13,2 1,98 1,99 2,00 32 31,5 31 8,4 6,2 4,7 1,97 1,97 1,97 26 25 23 14,0 12,0 11,0 1,97 1,97 1,97 20 19 17 27,0 23,0 20,0 1,92 1,92 1,92 18 18 16 9,0 8,0 7,0 Значения характеристик даны для грунтов с нарушенной структурой. Значения характеристик водонасыщенных грунтов. Анализ причин активизации оползневых процессов в пределах рассматриваемой территории Воскресенской горы позволяет сделать вывод, что наряду с природными факторами решающую роль сыграли техногенные факторы, к которым относят: – подрезка оползневого склона в связи со строительством административно-торгового центра по ул. Б.Подгорная, 21; – забивка свай при устройстве фундаментов; – динамические нагрузки от движущегося транспорта по Кузнечному взвозу; – увеличение угла откоса Воскресенской горы после её подрезки на 10; – ликвидация призмы упора после подрезки склона. С учетом отмеченных особенностей инженерно-геологического строения Воскресенской горы нами рекомендованы для выполнения расчетов устойчивости склонов методы круглоциллиндриче175 Роговские чтения ской поверхности с использованием графика Янбу и метод алгебраического сложения сил с построением криволинейной поверхности скольжения, близкой к логарифмической спирали. Методика построения наиболее слабой поверхности скольжения, после нахождения ширины призмы скольжения подробно освещается в работе Р.Э Дашко, Г.Л. Фисенко [1, 3]. Так как этот метод основан на теории предельного равновесия, то наиболее вероятной является криволинейная поверхность скольжения, близкая к логарифмической спирали. Для её построения определяется значение радиуса r0 по формуле: H ctg tg tg 45 / 2 H 90 r0 , 90 ctg cos tg tg 45 / 2 e где Н – высота откоса, м; – угол наклона откоса, град; 45 ; Н90 – высота вертикальной тре2 щины отрыва определяемая по формуле: Н 90 2Сctg 45 / 2 , где С – удельное сцепление массива грунта, кПа; – угол внутреннего трения грунта, град; – удельный вес, кН/м3. Ширина призмы возможного обрушения рассчитывается по формуле: а1 2 r0 cos H ctg . Поверхность скольжения получают расчетом величины переменных радиусов по формуле: r r0 exp tg , где – угол между радиусами. Значения r определяются в интервале 0 (90–). Положение центра логарифмической спирали устанавливается расчетом r0. После определения положения поверхности скольжения выделенная призма смещения делится на отдельные блоки, в пределах которых криволинейная поверхность скольжения может рассматриваться как плоская. Вес каждого блока раскладывается на нормальную (Ni) и касательную (Ti) составляющие. Коэффициент устойчивости рассчитывается по известной формуле: Kз tg N i CL Ti . Выполненные расчеты устойчивости склона Воскресенской горы показали, что он находится в предельно-напряженном состоянии, а коэффициент устойчивости не превышает 1,13–1,15, что ниже нормативного значения. При дополнительном увлажнении грунтов в весенне-летний период произойдет резкое снижение устойчивости склона, что приведет к переходу грунтового массива из предельно-напряженного в неустойчивое состояние и активизации оползневых процессов. Коэффициент устойчивости при этом составит 0,87–0,92. На основании проведенных исследований можно уверенно сказать, что состояние геологической среды Воскресенской горы является опасным. При этом развитие оползневых процессов приводит к нарушению динамического равновесия и способствует возникновению критических ситуаций в её эксплуатации, а в целом природно-техническая система оказывается неустойчивой. Для обеспечения устойчивости природно-технической системы и нормального безаварийного её функционирования рекомендуется: – построить подпорное удерживающее сооружение (подпорную стенку). При обосновании подпорного удерживающего сооружения необходимо использовать значение давления грунта на ограждение равное 67 кН/м, а оползневого давления 105 кН/м; 176 Секция 4 – выполнить дополнительные изыскания и разработать проект дренажа подземных вод. Проектирование подпорной стенки и дренажа выполнить комплексно, во взаимной увязке и в кратчайшие сроки построить дренажные сооружения; – разработать и внедрить проект по организационному сбору и отводу поверхностных вод со склона; – запретить забивку свай при устройстве фундаментов; – запретить строительство любых объектов в верхней части склона в непосредственной близости от его бровки; – исключить утечки из водонесущих коммуникаций; – исключить техногенное обводнение грунтовых толщ; – после устройства подпорного удерживающего сооружения произвести одерновку склона и посадку кустарниковой растительности; – организовать непрерывные геофизические наблюдения за развитием глубинных оползневых деформаций; – организовать непрерывные наблюдения за колебаниями уровней подземных вод. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Дашко, Р.Э. Механика горных пород / Р.Э. Дашко. – М. : Недра, 1987. 2. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.М. Лазарев. – Томск : Печатная мануфактура, 2005. – 152 с. 3. Фисенко, Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов / Г.Л. Фисенко. – М. : Недра, 1965. – 121 с. 177 Роговские чтения УДК 550.83:628 ПРОБЛЕМЫ ПОДТОПЛЕНИЯ Г. ТОМСКА М.Г. Рутман Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия Подтопления является одним из наиболее распространенных негативных инженерно-геологических процессов. Негативные последствия процесса подтопления проявляются в ухудшении экологических и социальноэкономических условий. Причины подтопления и факторы, способствующие его развитию, весьма многообразны и в значительной степени зависят как от геолого-геоморфологических и гидрогеологических особенностей территорий, так и от техногенного воздействия на природную среду. Гидрогеологические условия г. Томска определяются особенностями геологического строения территории, наличием развитой речной сети и большого количества водонесущих коммуникаций. Необходимость проведения защитных мероприятий связано прогнозом повышения уровня грунтовых вод. Выбор методов защиты производится на основе результатов гидрогеологических и технико-экономических расчетов. Ключевые слова: проблема подтопления, техногенное подтопление, естественное подтопление, меры защиты. При эксплуатации и строительном освоении территории возникает целый комплекс проблем, связанных с развитием опасных природных и техногенных процессов. Среди них центральное место занимает проблема техногенного подтопления городских территорий. Подтопление является одним из наиболее распространенных негативных инженерно-геологических процессов. Обводнение грунтов, имеющих повсеместное распространение на территории города, приводит к изменению их консистенции, снижению несущей способности и деформационных свойств. Слабо- и среднепучинистые грунты переходят в разряд сильнопучинистых и чрезмерно пучинистых. Разрушаются городские дороги, тротуары, деформируются строения. На некоторых подтопленных территориях грунтовые воды обладают достаточно высокой степенью агрессивного воздействия на бетонные, железобетонные, стальные и алюминиевые конструкции. Негативные последствия процесса подтопления проявляются также в ухудшении экологических и социально-экономических условий. Заболачивается территория, гибнет древесная растительность, снижаются теплозащитные свойства наружных стен зданий. В домах с затопленными подвалами влажность воздуха на 15-20% выше нормы. Происходит гниение пола, стен, отклеиваются краска, штукатурка, обои. Постоянная сырость, наличие грибка, обилие вредных насекомых отрицательно сказываются на здоровье людей и продолжительности их жизни. Подтопление территорий связано, прежде всего, с подъемом уровня грунтовых вод. Все источники подтопления застраиваемых территории делят на естественные и искусственные. К естественным источникам подтопления относят атмосферные осадки (дождевые и талые воды), грунтовые воды, сток поверхностных вод с окружающих территорий и пары воды в грунтах зоны аэрации. Искусственными источниками подтопления считают воды, накапливающиеся в различных котлованах, траншеях, транспортируемые временными и постоянными трубопроводами (водопроводы, канализация, тепломагистрали и т. д.), водозаборные пункты, водооборотные системы и сооружения на промышленных предприятиях, различные резервуары, очистные сооружения, цехи с мокрым технологическим процессом. Потери воды, подаваемой из р. Томи и подземных источников для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения составляют 30-40%. Поверхностный сток воды в городе ухудшается за счет вертикальной планировки территории, т. е. выравнивания поверхности земли под проектные отметки, засыпки оврагов, балок, мелких речек и ручьев. Подземный сток в городе уменьшается в связи с засыпкой озер, мелких речек, выполнявших до их ликвидации дренирующую роль, с экранирующим влиянием свайных и глубоких ленточных фундаментов, а также с уплотнением грунтов под зданиями и снижением водопроницаемости уплотненного грунта. При применении свайных и ленточных фундаментов глубокой закладки, пересекающих длинными сторонами зданий грунтовый поток, изменяется направление движения грунтовой воды. 178 Секция 4 Уменьшение испарения в городе происходит за счет асфальтирования территории, уменьшения транспирации влаги растениями в связи со снятием почвенно-растительного покрова, вырубом и подрезкой кроны древесной растительности. Город Томск расположен на границе Западно-Сибирской равнины и отрогов Кузнецкого Алатау на правом берегу реки Томи, в 50 км от места ее впадения в Обь. Климат г. Томска определяется его положением в пределах юго-восточной части Западной Сибири и характеризуется как резкоконтинентальный с коротким, тёплым летом и продолжительной холодной зимой. Среднегодовая температура воздуха –0,6 °С. Абсолютный минимум температуры воздуха (–55 °С), зафиксирован в январе, а абсолютный максимум (+37 °С) в июле. Глубина промерзания грунтов определяется величиной снежного покрова, составом грунтов и другими факторами. Для г. Томска ее нормативное значение в среднем равно 2,2 м. Максимальное среднегодовое количество осадков – 685 мм, минимальное – 368 мм. Рельеф в городе неровный. Выделяют следующие элементы речной долины: пойму, террасы и междуречье водораздела Томь – Малая Киргизка и Томь – Ушайка. Террасы разделены оврагами и балками. Для города характерен перепад высот, достигающий 60–70 м. Весь район Черемошники и Татарская слобода попадают под категорию естественно подтопляемых территорий. В основном город Томск расположен на правом берегу р. Томи. Кроме р. Томи на территории г. Томска и прилегающих районах протекают реки Ушайка и ее мелкие притоки, Басандайка, Большая Киргизка (в основном ее приток р. Малая Киргизка), Кисловка (в левобережной части города). По характеру водного режима р. Томь относится к типу рек с высоким весенним половодьем, летней меженью, прерываемой дождевыми паводками и низкой зимней меженью. В тектоническом отношении территория г. Томска расположена на сочленении юго-восточной части Западно-Сибирской плиты и Колывань-Томской складчатой зоны. В стратиграфическом отношении в пределах городской территории выделяют отложения каменноугольной, меловой, палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Среди выделенных систем наибольшее значение при решении геоэкологических проблем имеют отложения палеогенового, неогенового и четвертичного возрастов. Гидрогеологические условия г. Томска определяются особенностями геологического строения территории, наличием развитой речной сети и большого количества водонесущих коммуникаций. Согласно исследованиям гидрогеологические условия г. Томска характеризуются наличием в разрезе двух структурных этажей, к которым приурочены для основных водоносных комплекса. Нижний приурочен к дислоцированным и трещиноватым породам карбона, представленными глинистыми сланцами, алевролитами и песчаниками, а так же дайковому комплексу триасового и юрского возрастов. Водообильность палеозойских отложений низкая, отличается крайней неравномерностью и обусловлена степенью трещиноватости пород. Подземные воды верхнего водоносного комплекса палеогеновых отложений новомихайловской и лагерно-томской свит широко представлены на территории города. Водоносные горизонты приурочены к пескам и гравийно-галечниковым отложениям, заполняющим древние ложбины стока. По гидравлическим признаками эти подземные воды относятся к напорно-безнапорным. Подземные воды палеогеновых и неогеновых отложений определяют обводненность террасовых комплексов р. Ушайки и высокой поймы р. Томи. Эти воды разгружаются в пределах глубоких оврагов и по берегам рек Томи, Ушайки и Малой Киргизки. Подземные воды имеют тесную гидравлическую связь с рекой. В юго-западной части города пойменные отложения в связи с отсутствием первой надпойменной террасы примыкают к отложениям второй надпойменной террасы р. Томи. В верхней части аллювиальные отложения поймы представлены слабопроницаемыми глинистыми отложениями, которые в зоне примыкания образуют противофильтрационные завесы, т.к. перекрывают водоносный горизонт в подошве второй надпойменной террасы. Воды данной террасы поступают в насыщенные грунты или на поверхность поймы, вызывая заболоченность и затопление тыловой части поймы в районе ул. Московский тракт. В северной части города (мкр. Черемошники) пойменные отложения примыкают к отложениям третей надпойменной террасы, воды которой, разгружаются на поверхность поймы, вызывая затопление и подтопление территорий в тыловой части поймы. В тыловой части надпойменной террасы р. Томи на многих участках залегают слабопроницаемые отложения, которые являются противо179 Роговские чтения фильтрационной завесой при разгрузке подземных вод третей надпойменной террасы. Фактически все ресурсы подземных вод разгружаются в слабопроницаемые отложения данной террасы и формируют подтопление зданий и сооружений. Рис. 1. Схематическая гидрогеологическая карта г. Томска Проведенный анализ геологического строения и гидрогеологических условий территории г. Томска свидетельствуют о наличии благоприятных условий для развития естественного подтопления, который в значительной мере усиливаются с развитием техногенной составляющей подтопления. В результате эрозионной деятельности р. Томи на значительной части территории микрорайона Черемошники были полностью размыты, первая и вторая надпойменные террасы и отложения поймы глубоко врезались в песчано-глинистые палеогеновые образования. Сформировался крутой склон третей надпойменной террасы (Каштачная гора), относительно превышение поверхности террасы над поверхностью поймы составляет 20–32 м. В тыловой части р. Томи при отсутствии второй надпойменной террасы, аллювиальные песчано-гравийные отложения примыкают к водовмещающим отложениям третей надпойменной террасы, обуславливая тесную гидравлическую связь этих горизонтов. Пьезометрическая поверхность водоносного горизонта третей надпойменной террасы располагается значительно выше поверхности пойменных отложений и при отсутствии второй надпойменной террасы происходит разгрузка вод террасовых отложений на поверхность поймы р. Томи в виде многочисленных родников. Это вызывает затопление большой части микрорайона, создавая трудности для строительства и эксплуатации жилых зданий и промышленных объектов. С рекой Томью водоносный горизонт имеет тесную гидравлическую связь и в весенне-летний паводковые периоды, в результате повышения уровня воды в р. Томи создает подпорный режим, способствующий повышению уровней грунтовых вод. Подтопление центральной части микрорайона Черемошники определяется наличием двух встречных потоков подземных вод: со стороны р. Томи и подземных вод поступающих со стороны третей надпойменной террасы. Среди вышеописанных водоносных комплексов и горизонтов наибольшее влияние на развитие опасных процессов на территории г. Томска оказывают подземные воды неоген-палеогеновых отложений и техногенные водоносные горизонты. Наличие последних приводит к подтоплению значительной части городской территории, замачиванию грунтовых оснований, резкому снижению их прочности и устойчивости. Защиту застроенных и застраиваемых территорий и сооружений от подтопления осуществляют путем проведения предупредительных и собственно защитных мероприятий [2, 3]. При выборе участков для перспективной застройки предпочтение следует отдавать территориям с более глубоким залеганием водоупора, причем уклон кровли водоупора должен быть направлен в сторону естественного дренажа. При проектировании предприятий, потребляющих большое количество воды в технологическом цикле, предусматривать систему оборотного водоснабжения. К таким предприятиям относятся ТЭЦ, мясокомбинаты, молокозаводы, предприятия химической и нефтехимической промышленности. 180 Секция 4 С целью уменьшения утечек из водопроводно-канализационных сетей, тепломагистралей предусматривать устройство сопутствующего дренажа. Для увеличения испарения с поверхности водоносного пласта может быть применение биодренажа, основанного на траспирирующей способности древесной растительности (высадка деревьев), не следует допускать выруб древесной растительности, подрез кроны деревьев. С целью обеспечения поверхностного стока необходимо: – сохранять естественные дерны: овраги, балки, мелкие ручьи. В случае необходимости их засыпки следует обеспечить дренаж путем укладки по дну перфорированных труб с дренирующей обсыпкой для отвода воды в водоем; – своевременно тщательно выполнять вертикальную планировку, продольное профилирование улиц с устройством открытых водоотводных канав без перемычек. При пересечении поверхностного стока насыпями автомобильных дорог или железных дорог предусматривать водопропускные и водоотводящие сооружения, своевременно вывозить снег за пределы застраиваемой территории. Для свалки снега целесообразно выбирать территории, расположенные вблизи от естественных дрен. Для обеспечения подземного стока предлагаются следующие мероприятия: – расчистка и углубление озер, русел, речек, ручьев; создание искусственных котлованов для дренажа грунтовых вод и сбора ливневых осадков; – свайные фундаменты и глубокие ленточные фундаменты зданий большой протяженностью следует располагать параллельно направлению движения грунтового потока длинными сторонами зданий, Не рекомендуется застраивать тяжелыми капитальными сооружениями пойменные территории во избежание снижения фильтрационных свойств грунтов в основании этих сооружений. Целесообразно использовать пойменные территории под парки и зоны отдыха; – при необходимости застройки пойм капитальными зданиями, передающими значительные нагрузки на грунт, рекомендуется проведение гидротехнических мероприятий, обеспечивающих подземный сток с расположенных выше террас с помощью магистральных и ловчих дрен. Необходимость проведения защитных мероприятий определяется прогнозом повышения уровня грунтовых вод. Выбор методов защиты производится на основе результатов гидрогеологических и технико-экономических расчетов [1, 4]. Рис. 2. Типовые условия развития подтопления Конструкции защитных сооружений выбирают на основе анализа о геологическом строении, о фильтрационных свойствах грунтов, степени агрессивности грунтовых вод и т. п. Учитывая так же условия сброса воды самотеком или с механическим подъемом. Для защиты зданий и сооружений применяют гидроизоляцию. Наиболее распространенный тип дренажа, действующий на городских территориях – горизонтальный. В условиях плотной застройки не исключено применение лучевых дренажей. Так же, для защиты зданий и сооружений от подтопления широко применяются пристенные и пластовые дренажи. Они являются «плоскостными» дренирующими устройствами, обволакивающими своими фильтрующими элементами внешние контуры защищаемых сооружений, предохраняющими их от подтопления грунтовыми водами. Они отбирают гравитационную воду из окружающих грунтов у внешних контуров защищаемых сооружений, прерывают капиллярную кай181 Роговские чтения му и не допускают проникновения влаги внутрь этих контуров. Пристенные и пластовые дренажи применяют для защиты от подтопления грунтовыми водами подвалов зданий (или фундаментов), расположенных в глинах, суглинках твердых или полутвердых. Следует отметить, что пазухи котлованов в случае недостаточно плотной их обратной засыпки часто являются местом скопления воды. Пристенные дренажи предохраняют подвалы от затопления этой водой. Пристенные дренажи перехватывают новые воды, притекающие «сбоку», не допуская их к защищаемым конструкциям и отводят собранные дренажные воды за пределы защищаемых сооружений. Это особенно важно в тех случаях, когда грунтовые воды обладают агрессивными свойствами или когда вблизи сооружения проходят водопроводные или канализационные линии, их которых возможна утечка в грунт. Пластовые дренажи применяют для защиты подвалов отдельных зданий и коммуникаций, когда дно котлована не достигает водоупора и под ним лежат водоносные грунты, а так же при защите транспортных туннелей, подземных галерей и резервуаров, каналов-теплопроводов и т. д. Пластовые дренажи применяют так же для защиты подземных коллекторов, подземных переходов и дорожных одежд. Такие дренажные конструкции называют сопутствующими. Их применяют одновременно со строительством защищаемых объектов. Для дренирования основания проезжей части городских дорог и улиц пластовый дренах применяют в тех случаях, когда в основании залегают дисперсные грунты, склонные при замерзанию к пучению (пылеватые пески, глины, суглинки, супеси). Пучение грунтов основании приводит к деформации полотна проезжей части. В этом случае вдоль дороги, сбоку от проезжей части прокладывают трубчатую дрену, а под самой проезжей частью дренирующие слои. Водоприемником для такого дренажа обычно служит водосточная часть. Гидроизоляция предназначается для обеспечения водонепроницаемости сооружений (антифильтрационная гидроизоляция), а также защиты от коррозии и разрушения материалов фундаментов и подземных конструкций при физической или химической агрессивности подземных вод (антикоррозионная гидроизоляция). Гидроизоляция подземных сооружений может быть наружная и внутренняя. Наружную гидроизоляцию применяют для предохранения подземных частей зданий и сооружений от подтопления грунтовыми водами и в этом отношении она может представлять альтернативу пластовому и пристенному дренажу Наружная гидроизоляция может быть засыпной, литой, оклеечной и штукатурной. Внутреннюю гидроизоляцию обычно выполняют из обмазочных (окрасочных) или оклеечных покрытий. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ольховатенко, В.Е. Проблемы защиты территорий г. Томска и других населенных мест Томской области от опасных природных и техногенных процессов / В.Е. Ольховатенко // Материалы науч.-практ. конф. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 1998. – С. 112–116. 2. Кузеванов, К.И. Исследование техногенных изменений гидрогеологических условий г. Томска : автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук. – Томск., 1998. – 20 с. 3. Серяков, С.В. Техногенное подтопление как фактор, влияющий на стабильное функционирование городов / С.В. Серяков, В.К. Попов // Вестник ТГАСУ. – 2007. – № 2. – С. 131–137. 4. Ольховатенко, В.Е. Геоэкологические исследования урбанизированных территорий при решении градостроительных проблем / В.Е. Ольховатенко, В.М. Лазарев, М.Г. Рутман // Тр. Междунар. конф. по геотехнике, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. – СПб. : Изд-во С-ППТУ, 1988. – С. 186–187. 182 Секция 4 УДК 624.131.3 ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПУЧИНИСТОСТИ ГРУНТОВ ТЕРРИТОРИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЛЭП А.В. Леонова, О.В. Казанцева Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия е-mail: avleonova@rambler.ru, o.v.kazantseva@bk.ru Объектом работы являются пучинистые грунты, на участке проектируемого строительства линии электропередач (ЛЭП) на территории ЗАТО Северск. Целью работы является районирование территории под проектируемой ЛЭП по степени морозной пучинистости грунтов. Актуальность данной работы определяется тем, что районирование территории по степени пучинистости позволяет наглядно представить территории, для которых необходимо будет предпринять мероприятия по уменьшению влияния сил морозного пучения, и территории, грунты которых не будут деформироваться под этими силами. В результате составлена классификация пучинистых грунтов исследуемой территории в соответствии с требованиями и рекомендациями нормативной литературы с введением собственной цифровой системы обозначения и выделением зон по степени пучинистости грунтов; составлена карта районирования территории по степени пучинистости грунтов, даны рекомендации по защитным противопучинистым мероприятиям. Ключевые слова: грунты, степень пучинистости грунтов, инженерно-геологический элемент, инженерно-геологические условия, районирование территории. Часто геологические процессы, развитые в природе, нарушают нормальную эксплуатацию сооружений. Например, могут наблюдаться бугры и места разрыва асфальта, трещины в малоэтажных домах, наклоненные опоры ЛЭП, а вследствие и обвисшие провода. Все это несет опасность жизни и деятельности людей. В результате чего это происходит? Причиной всего этого часто является даже ни безответственность или некачественная работа строителей, а недоизученность грунта, на котором было построено это сооружение [1,2]. Деформации этих грунтов вызваны силами морозного пучения. Согласно ГОСТ 25100–2011. Грунты. Классификация [3], пучинистый грунт – это дисперсный грунт, который при переходе из талого состояния в мерзлое увеличивается в объеме вследствие образования льда. К пучинистым грунтам относятся глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня. При проектировании фундаментов на основаниях, сложенных пучинистыми грунтами, следует учитывать возможность повышения влажности грунта за счет подъема уровня подземных вод и инфильтрации поверхностных вод [3]. В административном отношении Сибирский химический комбинат (СХК) расположен в г. Северске Томской области РФ [4].Территория СХК граничит: с севера – с залесенной и частично заболоченной территорией тайги; с юга – с границей перспективной застройки г. Томска; с запада – с правым берегом р. Томи; с востока – с территорией томского нефтехимического комбината. Проектируемая трасса ЛЭП расположена в северо-восточной части ЗАТО Северск на расстоянии 6 км от селитебной зоны г. Северска. В геоморфологическом отношении трасса проектируемого сооружения входит в состав обширной Западно-Сибирской аккумулятивной равнины и расположена на стыке Причулымской возвышенной денудационной равнины и сложнопостроенной долины р. Томь. Таким образом, в пределах единого региона Западно-Сибирской низменности по геоморфологическим признакам выделяются две области: первая область – третья терраса р. Томи, вторая – юго-западный склон Томь-Чулымского водораздела, как части Причулымской возвышенной равнины [5]. Проектируемое сооружение расположено в пределах третьей надпойменной террасы р. Томи. Граница между третьей надпойменной террасой и склоном водораздела в рельефе не выражена. Поверхность участка относительно ровная, слабопересеченная, задернована. Рельеф слабоволнистый, покрытый смешанным лесом и мелким кустарником, с общим уклоном к р. Томь. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 95 до 138 м [6]. 183 Роговские чтения Климат исследуемого района резко континентальный, отличается продолжительной зимой с сильными ветрами, метелями, с устойчивым снежным покровом и жарким, но коротким летом. Переходные сезоны короткие, с резкими колебаниями температуры воздуха. Средняя годовая температура воздуха – +0,5 °С. Годовое количество атмосферных осадков – 548 мм [7]. Согласно карте зон влажности по СНиП 23-02–2003 [8] территория относится к зоне с нормальной влажностью. Нормативная глубина сезонного промерзания грунтов 2,2 м. Интенсивность сейсмических воздействий на площадке строительства принимается по карте ОСР-97-С [9] и составляет 7 баллов. В геоструктурном отношении территория располагается в пределах юго-восточной окраины эпигерцинской Западно-Сибирской плиты. На территории распространены отложения различного возраста – от палеозойского до современного. В пределах исследуемой территории геологический разрез имеет двухъярусное строение. Верхний структурный ярус сложен верхнечетвертичными аллювиальными отложениями третьей надпойменной террасы р. Томи (a3QIII), нижний структурный ярус представлен озерно-аллювиальными отложениями Кочковской свиты плиоцена (laN2). В геологическом строении площадки принимают участие верхнечетвертичные аллювиальные отложения третьей надпойменной террасы р. Томи (а3QIII), представленные глинами, суглинками, супесями, песками (рис. 1). Характерной особенностью четвертичных аллювиальных отложений является переслаивание, выклинивание и взаимозамещение слоев. Текстура грунтов преимущественно полосчатая, с мелкими и тонкими прослоями песка в глинистых грунтах и глинистых прослоев в песках [10]. Рис. 1. Инженерно-геологический разрез. Масштабы: горизонтальный 1:500, вертикальный 1:100 Гидрогеологические условия трассы ЛЭП характеризуются наличием практически безнапорного водоносного горизонта, приуроченного к пескам. Локально водоносный горизонт перекрывается водонепроницаемыми породами (суглинками) и приобретает напор. Воды этого горизонта встречены 184 Секция 4 скважинами на глубинах от 4,3 до 7,8 м (рис. 2), минерализация 650 мг/дм3 (скв. 116), тип воды гидрокарбонатный натриевый (по формуле М.Г. Курлова) [10]. Рис. 2. Карта инженерно-геологических условий. Масштаб 1:2000 При проведении инженерно-геологических изысканий было пробурено 19 скважин глубиной 8 м. Опоры ЛЭП предполагают заглублять на 3–8 м [10]. На исследуемом участке очень развиты процессы морозного пучения грунта. Проектируемая трасса ЛЭП – это сооружение первого класса ответственности. Для таких сооружений недопустимы какие-либо деформации [11, 12]. Процессы морозного пучения представляют собой неравномерное поднятие и опускание дневной поверхности [13]. Чтобы предотвратить деформации, вызванные этими процессами, необходимо предпринять меры по уменьшению сил морозного пучения. Для этого нужно выделить территории, на которых будет развито это явление. Вся проектируемая трасса имеет длину около 3600 м. Это достаточно большое расстояние. Если предпринимать меры по уменьшению сил морозного пучения на протяжении всей длины проектируемой трассы, это может привести к необоснованно большим расходам. Необходимо выделить территории, на которых будут развиты процессы морозного пучения, и только на этой территории проводить необходимые мероприятия. По результатам ранее проведенных изысканий грунты основания по степени морозной пучинистости разделены на следующие группы: непучинистые – ИГЭ 1, 10; слабопучинистые – ИГЭ 2, 4, 7, 9, 11; среднепучинистые – ИГЭ 3, 6; сильнопучинистые – ИГЭ 8; чрезмернопучинистый – ИГЭ 5. Для удобства в построении карты районирования (риc. 3) была составлена таблица, в которой каждой степени пучинистости грунта был присвоен свой номер (от непучинистого – 1 до чрезмерно пучинистого – 5). Далее, в таблицу была сведена информация о степени пучинистости каждого ИГЭ, выделенного в исследуемом районе. Для построения карты районирования был проанализирован геологический разрез проектируемой трассы ЛЭП и путем интерполяции выделены ИГЭ, которые залегают на глубинах 1, 2 и 3 м. Затем была составлена таблица, где для каждой скважины приводится степень пучинистости грунта на трех глубинах. 185 Роговские чтения Рис. 3. Схематическая карта районирования территории по степени пучинистости грунтов. Масштаб 1:2000 (техногенные отложения (tQIV) с карты сняты) Анализируя полученные данные, делаем вывод, что на глубине 1 м почти во всех скважинах (кроме скв. 98, 102, 110) грунт слабопучинистый. Глубина сезонного промерзания на данной территории составляет 2,2 м. Следовательно, можем рассматривать грунты на глубине 2 и 3 м, т. к. эти глубины подвержены сезонному промерзанию [7,10]. По полученным результатам проектируемую трассу ЛЭП можно разделить на 3 участка (рис. 3). Участок Iа (скважины № 98–101) характеризуется слабой степенью пучинистости грунта. Абсолютные отметки этого участка 95 м, геологический разрез сложен суглинком тугопластичным, полутвердым, супесью пластичной, песком средней крупности. Грунтовые воды на данном участке не встречены. Участок II (скважины № 102–110) характеризуется средней степенью пучинистости грунта. Абсолютные отметки изменяются от 95 до 111 м, геологический разрез сложен глиной тугопластичной, суглинком текучепластичным, тугопластичным, полутвердым, супесью пластичной, песком средней крупности. Грунтовые воды встречены на глубинах от 4,3 до 5,8 м. Участок Iб (скважины № 111–116) характеризуется слабой степенью пучинистости грунта. Абсолютные отметки этого участка изменяются от 113 до 138 м, геологический разрез сложен глиной тугопластичной, суглинком тугопластичным, полутвердым, супесью пластичной, песком средней крупности. Грунтовые воды на данном участке встречены на глубинах от 5,2 до 7,8 м. Как видно из карты районирования участок Iа, длина которого – 700 м и участок Iб – 1100 м до глубины сезонного промерзания сложены слабопучинистыми грунтами, и проведение специальных защитных мероприятий там не требуется. Участок II, сложенный среднепучинистыми грунтами находится в середине проектируемой трассы, его длина составляет 1800 м. Рекомендуем на участке II провести инженерно-мелиоративные мероприятия, такие как осушение грунтов и недопущение их водонасыщения в зоне сезонного промерзания и ниже ее на 2–3 м. 186 Секция 4 Важно, чтобы грунты перед промерзанием были максимально обезвожены, что не всегда возможно, так как не все грунты способны быстро отдавать содержащуюся в них воду. Рекомендуемые мероприятия: отмостка и водоотводящие лотки, дренаж, вытрамбовка и уплотнение грунта, устройство свай на насыпи или в котлованах, либо замена пучинистых грунтов на непучинистые. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Жуков, А.Д. Фундаменты на пучинистых грунтах / А.Д. Жуков. – Условия доступа : http://www.grisstroy.ru 2. Швецов, Г.И. Оценка степени пучинистости суглинистых грунтов Алтайского края / Г.И. Швецов, Р.О. Шевченко // Ползуновский вестник. – 2011. – С. 253–256. 3. ГОСТ 25100–2011. Грунты. Классификация. 4. Обобщение и анализ геологических, гидрогеологических, гидрогеологических и инженерно-геологических материалов по территории г. Томска с целью обоснования проведения картографирования масштаба 1:25000 / Б.А. Егоров, А.И. Скогорев [и др.] // Отчет, ОФ. ОАО «Томскгеомониторинг». – Томск, 2001. – 274 с. 5. Геологическое строение области сопряжения Кузнецкого Алатау и Колывань-Томской складчатой зоны / В.А. Врублевский, М.П. Нагорский, А.Ф. Рубцов [и др.]. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 1987. – 96 с. 6. Пояснительная записка к геоморфологической карте Томской области масштаба 1:1000000. – Томск : ОАО «Томскгеомониторинг», 2001. – 7 с. 7. Климат Томска. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 176 с. 8. СНиП 23-02–2003. Тепловая защита зданий. 9. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. 10. Технический отчёт по результатам инженерно-геологических изысканий внеплощадочных сетей для нового конверсионного производства в ОАО «СХК». Ч. 1. Текст и текстовые приложения № 497398-ПЗ. ГЕ-02. 11. СП 47.13330.2012. Свод правил. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02–96. – М., 2013. 12. СП 24.13330.2011. Свод правил. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция. СНиП 2.02.03–85. – М., 2011. 13. Емельянова, Т.Я. Практикум по мерзлотоведению / Т.Я. Емельянова, В.В. Крамаренко. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 115 с. 14. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. – М. : Стройиздат, 1979. 187 Роговские чтения УДК 502.51:504.5 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРЕДЕЛАХ РЕЧНЫХ ДОЛИН (НА ПРИМЕРЕ РЕЧНОЙ ДОЛИНЫ ПРИПЯТИ) Т.А. Мележ Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины, г. Гомель, Беларусь E-mail:tatyana.melezh@mail.ru В данной статье рассмотрена классификация природно-техногенных процессов, протекающих в пределах крупных речных долин Беларуси и в частности в долине реки Припять. Освещены процессы, негативно сказывающиеся на инженерном освоении речных долин. Проведено районирование долины реки Припять по условиям инженерного освоения. Ключевые слова: классификация, процессы, Припять, подтопление, речная долина, районирование. Хозяйственная деятельность человека активизирует развитие природных процессов и вызывает новые, ранее несвойственные территории процессы. Это может привести к возникновению природнотехногенной опасности, т. е. к ситуации, когда относительно слабое природное воздействие вызывает серьезную технологическую аварию. Наиболее опасные природно-техногенные процессы – наведенная сейсмичность, опускание территорий, подтопление, карстово-суффозионные провалы, наводнения вызванные нарушением целостности гидротехнических сооружений, обрушение земной поверхности над старыми горными выработками, в том числе в результате подтопления территории после ликвидации горных производств и остановки водоотлива, подтапливание территориии прочие. Интенсивность, скорость, характер и направленность природно-техногенных процессов, протекающих в пределах крупных речных долин Беларуси, определяется геоморфологическими условиями формирования речных долин, свойствами горных пород и особенностями их залегания, типом руслового процесса, степенью хозяйственного освоения территории. Процессы, протекающие в пределах речных долин можно ранжировать следующим образом: Первый ранг объединяет природные процессы, и включает два класса: донно-эрозионноаккумулятивных и береговых эрозионно-аккумулятивных процессов. Донно-эрозионные процессы прямого, непосредственного воздействия на инженерные объекты не оказывают, но значительно влияют на активизацию оползневых, обвальных, осыпных процессов. Все равнинные, реки характеризуются режимом преобладания донной аккумуляции (накопления отложений). Класс береговых эрозионно-аккумулятивных процессов объединяет пять групп и 13 типов: 1 группа – флювиальная, включающая такие типы процесса как: плоскостная эрозия и аккумуляция, эрозия и аккумуляция временных и постоянных водных потоков, размыв берегов и формирование аккумулятивной поймы; 2 группа – гидрогеологическая (процессы, связанные с деятельностью подземных вод), включает типы: суффозионно-карстовый и подтопление; 3 группа – гравитационная, включает типы: обвально-осыпной, оползневой и крип; 4 группа – эоловая, включающая такие типы как: дефляция и аккумуляция; 5 группа – биогенная, включает типы: заболачивание и торфонакопление. Второй ранг объединяет техногенные процессы. Здесь можно выделить два класса: Класс собственно-техногенных процессов, в данном случае, человек выступает как непосредственный рельефообразующий фактор, создавая отрицательные формы (карьеры, котлованы и др.) и положительные (насыпи, отвалы, дамбы и т. п.) формы рельефа. Класс техногенно-природных процессов – процессы, которые формируются или активизируются под влиянием деятельности человека (вырубка лесов, строительство авто и ж/д дорог, распашка склонов и т. п.). В зависимости от видов воздействия человека на природную среду выделяются следующие основные группы техногенно-природных процессов: 188 Секция 4 1) процессы, вызванные промышленно-гражданским строительством; 2) процессы, вызванные гидротехническим строительством; 3) процессы, вызванные строительством автомобильных и железных дорог; 4) процессы, вызванные разработкой полезных ископаемых; 5) процессы, вызванные сельскохозяйственной деятельностью; 6) процессы, вызванные вырубкой лесов. 7) процессы, вызванные гидромелиоративными мероприятиями. Речная долина Припяти относится к категории равнинных рек, но, несмотря на данное обстоятельство, в пределах поймы, речных террас достаточно интенсивно протекают различного рода природно-техногенные процессы, в том числе, оказывающие неблагоприятные воздействия на инженерное освоение территорий. Рассматриваемая территория, – долина реки Припять, подвергается активному освоению, не смотря на достаточно сложные инженерно-геологические условия. Здесь активны как процессы природной геодинамики, так и процессы техногенно-природной динамики. В частности, это территория, где осуществляются гидромелиоративные мероприятия. Гидрологический режим практически является антропогенно обусловленным. Имеет место искусственное снижение или чрезмерное поднятие уровня грунтовых вод, что обуславливает образование участков с критическими отметками уровня грунтовых вод, формирование излишне иссушенных или подтопленных территорий. Наблюдается нарушение режима естественного паводка, возрастание количества паводков в течение года: помимо весеннего паводка, периодически возникают полноводные летние и осенние паводки. Причинами указанных негативных процессов являются широкомасштабные гидромелиоративные преобразования водно-болотных угодий, сопровождавшиеся комплексом агротехнических мероприятий, в последствие приведших к изменению режима стока р. Припять и ее притоков. В результате осушительной мелиорации происходит как сокращение площади естественной поймы, так и существенное нарушение гидрологического режима окружающих территорий. Вследствие зарегулированности естественного стока поверхностных вод в результате создания крупных мелиоративных комплексов (польдеров) с искусственно регулируемым режимом увлажнения, обвалования поймы реки Припять, спрямлении ее притоков (преимущественно в средних и нижних устьевых частях русел), происходит нарушение естественного гидрологического режима. Пойма реки Припять подвержена ежегодному затоплению, причем паводки 25%-й обеспеченности и меньшей обеспеченности вследствие своей продолжительности и обширности затапливаемой территории отрицательно сказываются на хозяйственном использовании пойменных земель, а максимальные наводнения наносят существенный ущерб народному хозяйству районам Полесья и населению Беларуси. Также в пределах речной долины имеется ряд месторождений полезных ископаемых, которые эксплуатируются в настоящее время: месторождения глин – Астроженское, Голубица; гипса – Бриневское; строительного камня – Ситницкое и Микашевичское; каменной соли – Мозырское; калийной соли – Петриковское. Добычи полезных ископаемых осуществляется как открытым способом – шурфы и карьеры, так и путем подземных горных выработок – шахты, штольни и штреки. При проведении горно-геологических работ толщи горных пород дезинтегрируются и удаляются из земных недр. Таким образом, формируются как положительные, так и отрицательные формы рельефа, нарушается равновесие в геосистемах, а также вновь созданные формы рельефа подвергаются природным процессам экзодинамики, тем самым они выступают как «фактор-толчок» к активизации природнотехногенных процессов. При извлечении горных пород и полезных ископаемых на глубине возникают наземные и подземные пустоты. Проходка подземных горных выработок (шахт, штолен, штреков, вертикальных стволов) ведет к перехвату подземных вод, нарушению их режима, понижению уровня, а это, в свою очередь, сопровождается или осушением, или обводнением, или заболачиванием поверхностных территорий. Кроме того, подземные горные выработки стимулируют гравитационные процессы, как на поверхности, так и в глубине. Происходят провалы, проседания, обвалы, оползни и смещения блоков горных пород. Широкое использование методов подземного выщелачивания при добыче полезных ископаемых, в пределах речной долины, захоронение отходов химического производства приводят к резкой активизации процессов растворения горных пород. Возникают и начинают действовать рукотворные 189 Роговские чтения карстовые процессы. Вследствие возникновения подземных пустот и галерей на дневной поверхности появляются провальные гравитационные формы рельефа – воронки, просадки и прочие. В процессе сельскохозяйственного освоения и бесконтрольного использования земель резко усиливаются поверхностная и боковая эрозии. Возникает овражно-балочная сеть. Особенно это характерно при массовой распашке земель и нерегулированном выпасе скота. Эти же действия способствуют бороздовой и плоскостной дефляции, в результате чего уничтожается плодородный почвенный покров и дерновый слой. В пределах долины Припяти расположены такие достаточно крупные населенные пункты как: Туров, Пинск, Лунинец, Столин, Житковичи, Петриков, Калинковичи, Мозырь, Хойники, Ельск, Наровля, что и объясняет активизацию инженерно-хозяйственной деятельности. Это в свою очередь связанно с гражданским строительством, строительством дорог, гидротехническим строительством и сопровождается сооружением котлованов под жилые здания и промышленные предприятия, выемкой грунтов либо создание насыпей при сооружении транспортных магистралей, в результате чего дестабилизируется верхняя часть геологической среды, нарушается связность ее составных частей, что влечет за собой активизацию процессов выветривания, аккумуляцию веществ, проявление и развитие суффозионно-просадочных процессов, ряда гравитационных и прочих. На основании комплекса факторов и интенсивности проявления и развития природнотехногенных процессов автором проведено районирование долины реки Припять (рисунок). Районирование долины реки Припять по условиям инженерного освоения Выделено три района по условиям инженерного освоения: 1. Неблагоприятные районы. Распространяются на пойму реки, которая по условиям затопляемости территорий относится к району, требующему дорогостоящих инженерных мероприятий. Кроме того, в пределах поймы отмечены участки развития болотных отложений, не пригодных в качестве оснований сооружений. Для застройки этих районов требуются мероприятия как сплошной намыв, устройство дамб, обвалование, создание регулирующих водохранилищ, устройство систем дренажа, осушение заболоченных земель. Учитывая отмеченное, пойменные земли рекомендуется использовать под зеленые насаждения и зоны отдыха. Также к описываемому участку относится территория Мозырских краевых образований. Здесь развиваются такие инженерно-геологические процессы экзотехногенной геодинамики: делювиальный смыв, в результате деятельности временных водных потоков, оползнеобразование, крип, суффозионные процессы. Поэтому рекомендуется проводить ряд защитных мероприятий: противоэрозионные, противооползневые (регулирование поверхностного стока, защита от подмыва и размыва, сооружение подпорных стенок, анкерных креплений и др.), против суффозионные (снижение уровней грунтовых вод дренажными системами, отсыпка водопроницаемых пород). 2. Потенциально неблагоприятные районы. Приурочены, главным образом, к первой надпойменной террасе. Для рассматриваемой территории характерны процессы заболачивания, дефляции, эрозия временных водных потоков, гравитационные процессы, в частности, развитие оползне190 Секция 4 вых процессов. Для инженерного использования данных территорий необходимо проводить ряд мероприятий: – противооползневые и противоэрозионные: укрепление участков засыпкой промоин с последующим мощением камнем, укрепление габионами, бетонными плитами, а также одерновкой; – в районах распространения заболоченных массивов: мелиоративные мероприятия, в частности, осушение, в этом случае, осушением должны достигаться не только понижение уровня грунтовых вод и ограждение осушаемой территории от избыточного обводнения поверхностными и подземными водами, такое осушение проводится с регулированием стока поверхностных вод. На участках, отводимых под строительство дорожного полотна, особое внимание должно быть обращено на выбор грунтов, под насыпи, из которых они должны возводиться, и плотность их укладки в тело насыпей. Рекомендуется применять преимущественно хорошо дренируемые грунты: средне- и крупнозернистые пески, гравий, галечники, щебнистые и грубообломочные. Превалирующими видами инженерных сооружений на таких площадях являются: дороги, линии электропередачи и другие линейные сооружения. 3. Относительно благоприятные районы. Охватывают вторую надпойменную террасу, краевые ледниковые образования (Хойникские высоты и Мозырская гряда) и водно-ледниковые равнины и низины (Житковичская, Озаричская, Василевичская, Столинская, Мозырская и Хойникская). В пределах рассматриваемого участка развиваются такие процессы: делювиальные смыв, эоловые процессы, частично линейная эрозия, вследствие незначительного эрозионного потенциала территории, частичное подтопление, обусловленное слабым водообменом в толще моренных глинистых грунтов. Инженерное освоение возможно при проведении комплекса защитных мероприятий: дренажные и водозащитные мероприятия, а также мероприятия описанные выше. Таким образом, автором разработана классификация природно-техногенных процессов, а также проведено районирование долины реки Припять и определено, что природно-техногенные процессы активно преобразуют как верхнюю часть литосферы, так и подземное пространство, при этом наблюдается: – разрушение и уничтожение полезных площадей при разработке месторождений твердых полезных ископаемых; – оседание поверхности земли при значительных откачках подземных вод, – затопление и подтопление территорий; – вторичное засоление горных пород при орошении территорий; – сокращение площадей естественной поймы и существенное нарушение гидрологического режима окружающих территорий в результате осушительной мелиорации; – формирование антропогенных форм рельефа: техногенных – выемки, откосы, насыпи, дамбы, плотины, карьеры, шахты, терриконы; агрогенных – оросительные каналы, плотины, дамбы, пруды, площади осушения и орошения, террасированные склоны и др.; – активно протекают процессы ветровой эрозии, деградируется почвенный покров, активизируются эоловые процессы. 191 Роговские чтения УДК 551.435.627(571.17) РОЛЬ ВОДЫ В РАЗВИТИИ ОПОЛЗНЯ ОЛЬЖЕРАС (КЕМЕРОВСКАЯ ОБЛАСТЬ) И.В. Порубов, А.И. Шестакова, Ю.В. Муравьева Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия Развитие опасных геологических процессов зависит от многих факторов, на их развитие могут влиять поверхностные и подземные воды, минеральный состав горных пород, хозяйственная деятельность человека и др. С деятельностью подземных и поверхностных вод и другими факторами связаны разнообразные смещения горных пород, слагающих склоны долин рек, озёр и морей. Именно в оползневых процессах подземные воды играют важную роль. Под оползнями понимают крупные смещения различных горных пород по склону, распространяющиеся в отдельных районах на большие пространства и глубину. В декабре 2011 г. геологами ОАО «Сибгипротранс» А.Ю. Котовым и А.В. Сахаровским выполнено рекогносцировочное обследование по объекту: «Строительство соединительного пути между станциями Ольжерас и Томусинская 5–6, при котором было установлено наличие оползневого участка, длиной на 800 м вдоль железной дороги, шириной порядка 100 м. Плоскостью смещения оползня, по данным прошлых лет, в частности при строительстве ствола ш.им. Ленина, является граница между рыхлыми делювиальными отложениями и коренными породами кузнецкой свиты. По результатам инженерно-геологической рекогносцировки левобережного склона р. Ольжерас на участке проектируемого соединительного пути (пк41+00-пк52+20) выделено 3 участка с различной степенью опасности неблагоприятных инженерно-геологических процессов. На первом участке пк41-пк45 выявлены следующие неблагоприятные инженерно-геологические процессы и явления: консеквентные природно-техногенные оползни сдвига (скольжения), находящиеся в стадии временной стабилизации. Имеют стенки отрыва высотой до 2,0–2,5 м, оползневые террасы общей площадью от 30 до 150 м2, а также характерные бровки срыва с параллельными им тыловыми швами протяжённостью до 15–20 м. Крутизна оползневых террас в пределах обследуемого склона –0–15°, стенок отрыва –35–50°. Реже отмечаются повторные смещения и свежие поверхностные деформации в виде оползней оплывин шириной до 2–5 м, протяженность до 6–8 м и стенками отрыва высотой до 0,5–1,5 м. На площадках старых грунтовых дорог, подрезающих природный склон имеются мочажины и мокрые основания. Вследствие миграции подземных вод и влияния застойных водоёмов на исследуемом участке получили развитие суффозионно-просадочные процессы, в виде воронок и впадин диаметром до 1,0 м и глубиной до 0,8–1,0 м. Предположительно отчленение оползневых тел и основное их смещение происходит в период обильных дождей и снеготаяния о чем свидетельствует «пьяный лес» (саблевидное изгибание стволов деревьев) (рис. 1). Развитию оползневых и суффозионных процессов способствовало строительство фунтовых дорог без обустройства водоотводных сооружений (канавы, трубы, лотки), вырубка леса и нарушение дернового покрова. На втором участке пк45-пк49 выявлены следующие неблагоприятные инженерно-геологические процессы и явления: – комбинированные природно-техногенные оползни сдвига (скольжения) и вязкопластического течения, находящейся в стадии временной стабилизации с характерными повторными деформациями. Оползневые террасы в плане имеют ширину до 10–30 м и длину до 50 м со стенками отрыва высотой до 8–10 м. Крутизна оползневых террас в пределах обследуемого склона –0–10°, стенок отрыва –35–50° и более. Также отмечаются вторичные оползни-потоки и оплывины, как правило, приуроченные к ложбинам и неглубоким тальвегам (до 0,5 м) шириной до 5–20 м, протяженностью до 50 м, при (рис. 2); – суффозионные воронки диаметром до 1,0 м и глубиной до 0,8–1,0 м, спровоцированные «теряющимися» водотоками и миграцией подземных вод; – заболачивание поверхности оползневых террас и образование поверхностного застоя воды площадью до 300 м2 (–30* 10 м) в результате нарушения естественной разгрузки грунтовых вод (рис. 3). 192 Секция 4 Рис. 1. Вторичный оползень сдвига со стеной отрыва высотой 1,0 м и «пьяный лес» Рис. 2. Оползневые террасы, ограниченные тыловыми швами и стенками отрыва Рис. 3. Заболачивание поверхности оползневых террас 193 Роговские чтения На третьем участке пк49-пк52+20 инженерно-геологических процессов, осложняющих строительство и эксплуатацию проектируемого соединительного пути не выявлено. Выводы 1. Учитывая высокую сейсмичность района (7 баллов) и постоянное динамическое воздействие от проходящих железнодорожных составов, выявленные оползневые процессы представляют высокую опасность для проектируемой и существующей железной дороги. 2. Для предотвращения оползневых подвижек грунтовых масс необходимо провести следующий комплекс противооползневых мероприятий: – осушение заболоченных участков; – обустройство водоотводных канав и лотков на склоне; – очистка водоотводных канав вдоль существующего пути и труб под насыпью; – сооружение подпорных стенок. 3. Для детальной оценки опасности оползневых процессов, влияющих на строительство и эксплуатацию практикуемой и существующей железной дороги, а также для расчета устойчивости склона необходимо выполнить комплекс инженерно-геологических и инженерно-геодезических работ: – топо-геодезическая съемка оползневого склона до водораздельной части; – обустройство реперов и марок для наблюдения за развитием опасных процессов; – инженерно-геологическая съемка оползневого склона (выполняется после топо-геодезической съемки); – буровые работы (выполняется после топо-геодезической съемки); – площадная сейсморазведка (выполняется после топо-геодезической съемки; – опытно-фильтрационные работы (откачки, наливы в шурфы). 194 Секция 5. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ УДК 502.171 НЕОБХОДИМОСТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ НА ТЕРРИТОРИИ СЕЛЬСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ А.М. Адам, П.В. Ковалёв Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия E-mail: pavel.ko@sibmail.com В данной статье рассматривается подход к повышению эффективности управления системой обращения с отходами на примере муниципального образования Кожевниковский район. Решением данной проблемы является разработка Генеральной схемы очистки территории. Ключевые слова: система обращения с отходами, генеральная схема очистки территории, твердые коммунальные отходы. В настоящее время система обращения с отходами производства и потребления в сельских населенных пунктах в основном направлена на захоронение отходов на полигоне, без предварительной сортировки, тем самым снижая срок службы полигона. Неудовлетворительная организация сбора и вывоза отходов приводит к росту количества несанкционированных свалок и захламлению территории бесхозяйными отходами, что является мощным источником загрязнения окружающей среды. Основная проблема состоит в том, что система управления отходами не является комплексной. Возникает необходимость в создании организованной системы, в которой системы коммунальной инфраструктуры и объектов, используемых для захоронения отходов, будут приведены в соответствие со стандартами качества, обеспечивающими комфортные условия проживания населения на территории сельских населенных пунктов. Одним из основных документов в организации системы управления отходами является Генеральная схема санитарной очистки территории муниципального образования. В документе отражены направления по решению комплекса работ по организации, сбору, удалению, обезвреживанию отходов и уборке территории муниципального образования [1]. В сельской местности целесообразна следующая система обращения с отходами: в первую очередь – раздельный сбор отходов, второе это – компостирование органики (в основном пищевых отходов), третье – сжигание всех горючих компонентов, четвертое – выделение продаваемых компонентов и опасных отходов (ртутьсодержащих, ядовитых, агрессивных, резину, некоторые полимеры). Раздельный сбор в селе практически всегда ведется. Компостирование отходов – это типично сельский технологический прием обращения с органикой. Сжигание горючих отходов может быть организовано с применением специального оборудования (установок, обеспечивающих экологически безопасное сжигание). Продаваемую фракцию (металл, стекло) целесообразно накапливать и один или два раза в году вывозить на реализацию. Теми же средствами вывозить опасные отходы на ближайший полигон или специализированные предприятия по договору. В результате исследований мы установили, что необходимо строительство дополнительных объектов размещения отходов. Согласно методическим рекомендациям о порядке разработки генеральных схем, расстояние от места сбора до места размещения отходов не должно превышать 25 км. 195 Роговские чтения На рисунке мы отобразили места временного размещения отходов, где будет проходить сортировка отходов, а «хвосты» в дальнейшем вывезут на существующий полигон. Необходимость строительства новых объектов размещения отходов В целом предлагаемая нами система обращения с отходами позволит рационально использовать финансовые и трудовые ресурсы, а также повысит эффективность работы организаций, занимающихся вывозом отходов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. МДК 7-01.2003. Методические рекомендации о порядке разработки генеральных схем очистки территорий населенных пунктов Российской Федерации: Постановление Госстроя России от 21 августа 2003 г. № 152. 196 Секция 5 УДК 502.172:624.131.536 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГАЗОПРОВОДА К КУДЕПСТИНСКОЙ ТЭС О.А. Бычков, А.И. Переверзев Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: igg@tsuab.ru Охарактеризованы инженерно-геологические условия строительства газопровода к Кудепстинской ТЭС. Приведены результаты расчетов устойчивости оползневого склона методами круглоцилиндрической поверхности. Расчеты уточнены на основе использования метода прислоненного откоса. Ключевые слова: инженерно-геологические условия, оползневой склон, линия скольжения, расчет устойчивости. В соответствии с проектом, разработанным институтом «ГазЭнергоПроект» корпорации «ГазЭнергоСтрой», Кудепстинская ТЭС призвана обеспечить возрастающие потребности Сочинского района и прилегающих территорий в электрической энергии. Она станет крупнейшей в мире газопоршневой электростанцией и крупнейшей электростанцией мощностью 367 МВт с тремя независимыми автономно работающими энергоблоками – 147, 110 и 110 МВт с электрическим КПД – порядка 50 %. Для энергоснабжения к Кудепстинокой ТЭС планируется прокладка стального газопровода высокого давления (1,2 МПа), протяженностью порядка 4,0 км с глубиной от поверхности до верха трубы – 1,0–1,5 м. Для обоснования проектных решений на объекте: «Газопровод к Кудепстинской ТЭС» были проведены инженерно-геологические изыскания. Изыскания выполнялись ООО «Гео-Комплекс» г. Сочи и включали в себя рекогносцировочное обследование, буровые, геофизические, лабораторные и камеральные работы [3]. По результатам выполненных работ установлено, что в геоморфологическом отношении территория изысканий расположена в пределах горной системы Большого Кавказа и относится к горнодолинному рельефу со складчатой структурой, развитой от начала долин до выхода их на предгорные равнины. Рельеф здесь имеет резко расчлененный, типично горный характер, с глубоко врезанными долинами рек [3]. В геологическом строении до изученной глубины 4,0–40,0 м принимают участие коренные породы Хостинской свиты олигоцена (Р3hs), представленные песчаниками и аргиллитами, в кровле затронутыми процессами выветривания. Коренные породы перекрыты глинистыми образованиями четвертичного возраста техногенного (tQIV), аллювиального (aQIV), делювиального (dQIV), аллювиальноделювиального (аdQIV), оползневого (рdQIV), аллювиально-морского (amQIII-IV) коллювиальноделювиального (с-dQIV) и элювиального происхождения (еQIV) [3]. Согласно СП 11-105–97 инженерно-геологические условия площадки соответствуют III категории сложности. На основании лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов на исследуемой территории согласно ГОСТ 20522–96 и в соответствии с классификацией грунтов по ГОСТ 25100–95 выделено 15 инженерно-геологических элементов [3]. Геологическими выработками вскрыт водоносный горизонт четвертичных обводнённых отложений. Установившийся уровень подземных вод на период изысканий зафиксирован на глубине от 0,6 до 6,1 м. По химическому составу подземные воды в пределах участка изысканий пресные (средняя минерализация составляет 0,0,915 г/л); по водородному показателю щелочные (рНср = 7,7); по общей жесткости – умеренно жёсткие (3,66 мг/экв) [3]. Из геологических процессов на территории изысканий распространены: высокая сейсмическая активность, подтопление, выветривание, крип, боковая и донная эрозия. При производстве инженерно-геологических изысканий по трассе проектируемого газопровода был выявлен оползневой участок. Для оценки устойчивости оползня на участке выполнен расчет коэффициента устойчивости методами круглоцилиндрической поверхности скольжения тремя спосо197 Роговские чтения бами: Моргенштерна-Прайса, Янбу и Бишопа. По результатам выполненных расчетов на объекте было установлено, что склон находится в устойчивом состоянии (Kst = 1,47–2,40) по двум плоскостям скольжения профиля инженерно-геологического разреза при использовании в расчете физикомеханических свойств грунта, полученных при консолидированном сдвиге в водонасыщенном состоянии. При использовании в расчете физико-механических свойств грунта, полученных при неконсолидированном сдвиге в водонасыщенном состоянии склон переходит в неустойчивое состояние (Kst = 0,76–1,13) [3]. На наш взгляд расчет устойчивости склона выполнен не совсем корректно, т. к. линия скольжения, в данном случае, не может быть круглоцилиндрической. Анализ геологического строения оползневого склона показал, что смещение рыхлых четвертичных отложений возможно по кровле подстилающей, более прочной породы-аргиллита известкового, поэтому поверхность сдвига должна определяться в виде ломаной прямой, а по точкам излома весь массив грунта разбиваться на ряд отсеков простой трапецеидальной формы (рисунок). Расчетная схема устойчивости склона: ßср = 27°; Н = 20,6 м.; γ = 18,5 Н/м3; φ = 23°; С = 8 кПа Таким образом, рассмотренная схема, предусматривает использование при расчете устойчивости склона метод прислоненного откоса. В настоящей работе при расчете устойчивости склона реализован метод Шахунянца. Данная методика подробно освещается в литературе и здесь не приводится [1, 2]. Результаты расчетов представлены в таблице. Коэффициент устойчивости склона № блока 1 2 3 4 5 6 7 8 198 V, м3 300 450 425 325 450 375 375 350 L, м Р, кН 27 28 28 28 28 30 8 9 5550 8325 7862 6012 8325 6937 6937 6475 ά° N, kH T, kH H, kH R, kH E, kH ∑H, kH ∑R, kH ∑Е, kH 22 25 26 23 25 32 25 25 2075 3513,1 3443,5 1857,7 3513,4 3669,6 2927,4 2732,4 1924,2 3182,9 3092,3 2339,6 3182,9 3111,8 2652,2 2475,6 2192,5 2997,0 2846,0 2157,2 2997,0 2289,2 2441,8 2279,2 -268,3 185,9 246,3 182,4 185,9 822,6 210,4 196,4 1924,2 5107,1 8199,4 10539 13721 16832 19484 21959 5144 7542 7060 5531 7542 5882 6284 5866 2192,5 5189 8035 10192 13189 15478 17919 20198 0 185,9 432,2 614,6 800,5 1623,1 1833,5 2029,9 Kst 1,13 1,01 0,97 0,96 0,96 0,91 0,91 0,91 Секция 5 По результатам выполненных расчетов установлено, что склон находится в неустойчивом состоянии (Kst = 0,91). Вследствие этого, освоение склона при строительстве газопровода должно своевременно сопровождаться мероприятиями по инженерной защите БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Гинзбург, Л.К. Противооползневые удерживающие конструкции / Л.К. Гинзбург. – М. : Стройиздат, 1979. – 80 с. 2. Маслов, Н.Н. Механика грунтов в практике строительства / Н.Н. Маслов. – М. : Стройиздат, 1977. – 320 с. 3. Технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям на объекте: «Газопровод к Кудепстинской ТЭС (проектные и изыскательские работы, строительство)». – Сочи : ООО «Гео-Центр», 2013. 199 Роговские чтения УДК 502/504:378 СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ СОЦИАЛЬНО-ЗНАЧИМОГО НАПРАВЛЕНИЯ «ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ» В ТГАСУ С.А. Карауш, О.О. Герасимова Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: karaush@tsuab.ru В статье приведен ход становления в ТГАСУ социально-значимого направления подготовки специалистов «Техносферная безопасность». Высокий уровень производственного травматизма в строительной отрасли это направление подготовки делает особенно актуальным для нашей экономики. Ключевые слова: подготовка специалистов, техносферная безопасность, строительство. Вопросы подготовки в России высококвалифицированных специалистов в области техносферной безопасности стали очень актуальными после 1993 г., когда Россия приняла свою конституцию и теперь была независимым суверенным государством. Этот начальный период становления страны на новые экономические отношения характеризовался повышенным уровнем производственного травматизма, который в несколько раз превышал уровень травматизма в европейских странах. Принятие в России в 1993 г. федерального закона «Основы законодательства РФ об охране труда» привело к ухудшению ситуации в области охраны труда, т. к. в ст. 8 говорилось, что «… для организации работы по охране труда на предприятии создаются в случае необходимости службы охраны труда или привлекаются специалисты по охране труда на договорной основе». То есть работодатель сам решал о необходимости службы по охране труда на предприятии. На большинстве малых предприятий таких служб не было, и они не создавались, что явилось основой повышенного уровня производственного травматизма [1]. Это хорошо видно из таблицы, где показаны некоторые данные по травматизму в те годы. Уровень травматизма в Российской Федерации Показатель Число смертельно травмированных на производстве, чел Коэффициент частоты производственного травматизма – количество несчастных случаев на 1000 работающих Коэффициент частоты производственного травматизма со смертельным исходом – количество несчастных случаев со смертельным исходом на 1000 работающих Год 1995 6881 1996 6399 1997 5391 2013 2757 5,5 6,1 5,8 0,391 0,138 0,155 0,148 0,051 Особенно высоким был уровень травматизма в строительной отрасли. В связи с этим в 1996 г. Томская государственная архитектурно-строительная академия (ТГАСА) под руководством ректора Геннадия Маркеловича Рогова начала готовить документы на открытие двух новых специальностей в области безопасности: «Безопасность технологических процессов и производств» (БТП) и «Инженерная защита окружающей среды» (ИЗОС) в строительстве. Руководство Томской области и Учебно-методическое объединение по образованию в области машиностроения и приборостроения (МГТУ им. М.Э. Баумана) поддержало начинание ТГАСА, и в 1997 г. был осуществлен первый набор по 25 студентов на каждую специальность. Большая организационная работа по открытию этих специальностей была проделана ректором Г.М. Роговым. Эти две новые для ТГАСА специальности положили начало развитию социально-значимого для экономики России направления, которое в настоящее время называется «Техносферная безопасность». Необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов данного направления диктует сама жизнь своими потребностями в развитии новейшей техники и технологии в области за200 Секция 5 щиты жизни и здоровья человека, защиты окружающей среды. Решением таких значимых вопросов занимаются специальности БТП и ИЗОС. Инженеры специальностей занимаются анализом и идентификацией опасных и вредных производственных факторов, защитой человека от естественных и антропогенных опасностей, разработкой новых технологий и методов защиты человека и объектов экономики и окружающей среды, экспертизой безопасности, вопросами устойчивости и экологичности технологий, технических объектов и проектов. Они проводят исследования в области разработки новых технологий и оборудования, средств защиты от опасных и вредных факторов. Выпускники специальности БТП организуют деятельность по охране труда на предприятиях, участвуют в работе органов государственного и ведомственного надзора и контроля за безопасностью технологических процессов и производств, ведут разработку нормативно-технической документации по вопросам безопасности. В их сферу деятельности входит осуществление контроля за соблюдением в структурных подразделениях законодательных и нормативных правовых актов по охране труда, промышленной и противопожарной безопасности. Они проводят профилактическую работу по предупреждению производственного травматизма, аварий, пожаров, по созданию здоровых и безопасных условий труда на предприятии. Специалисты по охране труда становятся все более востребованными на предприятиях и в организациях. Выпускники специальности ИЗОС занимаются деятельностью по проведению комплексных геоэкологических исследований; управлению природоохранной работой на предприятиях строительного комплекса; экспертизой проектов; проектированием объектов инженерной защиты окружающей среды; организацией мониторинга природно-технических систем. Первоначально обе специальности были закреплены за кафедрой охраны труда и окружающей среды (ОТ и ОС), руководителем которой в тот момент был В.Н. Шлыков. Однако впоследствии в связи с большим объемом работы по становлению специальностей и подготовкой учебнометодических материалов специальность ИЗОС была передана на кафедру «Инженерная геология и геоэкология» (ИГиГ). Ставшие теперь выпускающими кафедры ОТиОС и ИГиГ тесно сотрудничали с промышленными предприятиями и организациями, учитывали их запросы по качеству подготовки специалистов в области безопасности. Так по просьбе ряда руководителей предприятий был усилен в учебных дисциплинах блок по изучению трудового законодательства и промышленной безопасности. Усиленно развивалась учебно-методическая база по данным специальностям, сформировался костяк преподавательского состава, который обеспечивал учебные дисциплины. Первый выпуск специалистов в количестве 17 чел. по специальности БТП и 15 чел. по специальности ИЗОС был успешно осуществлен в 2002 г. Выпуск первых специалистов показал высокое качество их подготовки для дальнейшей профессиональной деятельности. Подготовка и переподготовка специалистов теперь дополнительно велась через институт повышения квалификации ТГАСУ, где слушатели получали второе высшее образование по специальности БТП, а сейчас по направлению «Техносферная безопасность». Комиссия Министерства образования РФ при проведении в 2002 г. аттестации специальностей дала высокую оценку и указала на соответствие учебного процесса и подготовки выпускников требованиям высшей школы. Аттестация специальностей Министерством образования РФ в 2007 и 2012 г. также подтвердила хорошую подготовку специалистов в области безопасности в ТГАСУ. Дальнейшее развитие данного направления по безопасности производства при поддержке Рогова Г.М. вылилось в открытие на кафедре ОТиОС магистратуры по направлению «Строительство» по двум программам: «Инженерная безопасность строительных систем» и «Ресурсосбережение и экология строительных материалов». Обучение магистрантов по этим направлениям позволила повысить уровень подготовки высококвалифицированных кадров в области безопасности производства. Высокое качество подготовки специалистов по специальности БТП ежегодно отражалось в полученных студентами наградах на региональных, российских и международных конкурсах. Наши студенты завоевывали первые места на Всероссийских конкурсах дипломных проектов, становились лауреатами многих научных конкурсов, победителями на стипендии Президента России, Правительства РФ, открытого конкурса на именную стипендию Неправительственного экологического Фонда имени В.И. Вернадского среди российских и зарубежных высших учебных заведений и многих других. 201 Роговские чтения Подготовка студентов на высоком учебно-методическом уровне и высокий кадровый потенциал кафедры ОТиОС позволили в 2007 г. открыть аспирантуру по специальности 05.26.01 «Охрана труда» (строительство), где в настоящее время успешно обучаются аспиранты под руководством профессоров кафедры. В 2013 г. университет получил разрешение в Министерстве образования РФ на подготовку магистров по направлению «Техносферная безопасность». Это явилось дальнейшим развитием направления подготовки кадров по вопросам безопасности в ТГАСУ. Начиная с сентября 2011 г. в университете начата подготовка бакалавров по направлению «Техносферная безопасность» по профилям БТП и ИЗОС. В июне 2015 г. в ТГАСУ будет сделан последний выпуск специалистов по БТП и ИЗОС, обучающихся на очном отделении. За эти годы в университете было подготовлено свыше 500 высококвалифицированных специалистов в области безопасности, которые успешно трудятся не только в России, но и за рубежом. В настоящее время на кафедре ОТиОС кроме подготовки бакалавров ведется обучение магистрантов по направлению «Строительство» по программе «Инженерная безопасность строительных систем» и по направлению «Техносферная безопасность» по программе «Безопасность технологических процессов и производств», а также идет обучение аспирантов по направлению «Охрана труда» (строительство), повышение квалификации и переподготовка специалистов по техносферной безопасности в Институте непрерывного образования ТГАСУ. Большое внимание на кафедре ОТиОС при подготовке специалистов в области «Техносферной безопасности» уделяется научным исследованиям. Преподавателями кафедры развивается научное направление по оценке профессиональных рисков в строительной отрасли [2], ведут работу по оценке производственного травматизма и путей его снижения [3–5]. Студенты, магистранты и аспиранты проводят новые исследования и активно участвуют в научной жизни кафедры [6]. Это отражается в их выступлениях на научных конференциях различных уровней, статьях в научных журналах, олимпиадах и конкурсах. Все это говорит о том, что идеи, заложенные в свое время Г.М. Роговым по созданию такого важного научного направления как «Техносферная безопасность», активно развиваются в ТГАСУ, и реализует эти идеи педагогический коллектив университета. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Карауш, С.А. История охраны труда в России / С.А. Карауш, О.О. Герасимова. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2013. – 192 с. 2. Карауш, С.А. К вопросу оценки профессионального риска в строительной отрасли / С.А. Карауш, О.О. Герасимова, Г.И. Ковалев // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 3. – С. 171–176. 3. Карауш, С.А. Причины травматизма и пути его снижения в технологиях строительного производства / С.А. Карауш, О.О. Герасимова // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 4. – С. 243–248. 4. Карауш, С.А. Проблемы перехода на новую систему управления охраной труда в строительной отрасли / С.А. Карауш, О.О. Герасимова // Человек и труд. – 2013. − № 11–12. – С. 71–72. 5. Карауш, С.А. Обеспечение безопасности работ при строительстве объектов / С.А. Карауш, О.О. Герасимова // Вестник ТГАСУ. – 2013. – № 3. – С. 315–319. 6. Алексеева, Е.Г. Проблемы производственного травматизма на строительных предприятиях Томской области / Е.Г. Алексеева, С.А. Карауш // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 3. – С. 164–167. 202 Секция 5 УДК 69.01:537.67 ОСЛАБЛЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО САЙДИНГА С.А. Карауш1, А.В. Кузнецов2 1 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, Филиал «Корпоративный институт» ООО «Газпромтрансгаз Томск», г. Томск, Россия E-mail: karaush@tsuab.ru 2 В статье приведены результаты исследований ослабления естественного магнитного поля внутри макетов из сайдинга, применяемого в системе облицовки фасадов (навесной вентилируемый фасад) и кровли строящихся и реконструируемых жилых и производственных зданий. Ключевые слова: естественное магнитное поле, фасадная система, помещение, стальной сайдинг (металлический сайдинг), строительная конструкция, здание, коэффициент ослабления. Развитие строительных технологий подразумевает появление новых требований к строительным материалам, а также возможный положительный экономический эффект от их конечного применения. На этапах проектирования при выборе строительных материалов учитывается их прочность, долговечность, износостойкость. Что же касается, объекта строительства, здания или сооружения, то в последнее время важное значение уделяется понятию энергоэффективность. Энергоэффективность – эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов, использование меньшего количества энергии для обеспечения того же уровня энергетического обеспечения зданий или технологических процессов на производстве [1]. Снижение энергопотребления в процессе строительства и эксплуатации зданий возможно за счет множества средств. Сегодня одним из популярных направлений повышения энергоэффективности зданий является применение систем вентилируемых фасадов. Энергоэффективность конструкций навесных вентилируемых фасадов (далее – НВФ) определяется конструктивными факторами, теплотехнической эффективностью и эксплуатационной надежностью применяемых теплоизоляционных материалов (далее – ТИМ), качеством монтажа и условиями эксплуатации конструкции [2]. Навесные вентилируемые фасадные системы представляют собой конструкции, теплоизоляционного и ветрозащитного слоев и облицовочного покрытия (рис. 1). Рис. 1. Конструкция навесного вентилируемого фасада: 1 – утепляемая стена; 2 – теплоизоляционный слой; 3 – кронштейн; 4 – дюбель-анкер; 5 – направляющая; 6 – облицовочное покрытие 203 Роговские чтения Металлическая подконструкция состоит из кронштейнов (крепятся непосредственно к стене) и несущих профилей, устанавливаемых на кронштейны, на которых при помощи крепежных деталей закрепляются элементы защитно-декоративного покрытия. В качестве теплоизоляционного слоя применяются материалы из стеклянного штапельного волокна и каменной ваты. В качестве ветрозащитного слоя – проницаемые для водяного пара, но водо- и воздухонепроницаемые пленки, холсты или ткани. В качестве облицовочного покрытия – металлический и виниловый сайдинг, панели из профилированных металлических листов, фасадные керамические плиты, композитные панели и др. Причём в Сибирском регионе на первое место выходит стойкость облицовочного материала к сильным зимним морозам, при которых, например виниловый сайдинг становится хрупким. Характеристики металлосайдинга значительно менее зависимы от перепадов температуры. Поэтому можно увидеть, что он получил широкое применение во многих городах, в том числе и в городе Томске при облицовке фасадов зданий (рис. 2). а б Рис. 2. Примеры конструкций НВФ в г. Томске: а – административное здание по адресу проспект Ленина 82а; б – жилой дом по адресу проспект Ленина 12 Преимущества фасадных систем: отсутствие специальных требований к поверхности несущей стены (не требуют ее предварительного выравнивания); позволяют выравнивать дефекты и неровности поверхности при помощи профильных сеток; обладают естественной вентиляцией и удалением излишков атмосферной влаги; обладают высокой тепло- и звукоизоляцией; позволяют нивелировать термические деформации; позволяют производить монтаж в любое время года; обладают длительным эксплуатационным периодом (до 50 лет в зависимости от применяемого материала), в течение которого нет необходимости в ремонте или реставрации. К недостаткам фасадных систем можно отнести неприятный акустический эффект, который зачастую не позволяет использовать НВФ, облицованные при помощи металлосайдинга, при строительстве жилых помещений. При сильном ветре вентиляционные фасадные системы издают свист и гудение, причинами которых являются большая длина кронштейнов, фиксирующих навесные элементы фасада, и малая жесткость используемого утеплителя, который подвержен вибрации. Также стоит добавить, что применение металлосайдинга в НВФ может привести к ослаблению естественного магнитного поля внутри помещений подобного объекта, т. к. вокруг здания создаётся практически сплошной металлический экран. Жители таких домов обычно жалуются на плохой приём сигнала сотовой связи и телевизионного вещания. Согласно ГОСТ Р 51724–2001, при нахождении человека по роду своей деятельности в помещениях, строительные конструкции которых экранируют естественные электромагнитные поля, на его организм воздействует гипогеомагнитное поле (далее – ГГГМП). Как отмечает в своей работе А.П. Дубров [3], магнитное поле Земли (геомагнитное поле – ГМП) непосредственно воздействует на развитие человека, животных, бактерий, растений. Обобщённые им разносторонние исследования доказывают, важную роль геомагнитного поля для окружающей среды человека. 204 Секция 5 В ТГАСУ по теме «Исследование влияния строительных конструкций на геомагнитное поле внутри помещений» проводились работы в 2012–2014 гг. по оценке состояния ГГМП в облицованных металлическим сайдингом или кассетами зданий, находящихся в г. Томске. Измерения проводились на 10 объектах, жилого и производственного назначения. В трёх десятиэтажных жилых домах, трёх пятиэтажных, одном девятнадцатиэтажном, одном трёхэтажном и двух объектах производственного назначения до 3-х этажей. Здания выполнены из кирпича, толщина облицовочного материала в системе вентилируемого фасада от 0,3–0,5 мм, материал – оцинкованная сталь с полимерным покрытием. Параметры ГМП измерялись магнитометром трехкомпонентным малогабаритным МТМ-01, прошедшим государственную поверку, соответствующий требованиям контроля по СанПиН 2.1.8/2.2.4.2489–09 [4] и внесенным в Государственный реестр средств измерений. Методика и процедура измерений описана ранее [5]. Полученные в результате экспериментальных исследований усредненные по этажам значения коэффициента ослабления для зданий с вентилируемым фасадом и без него показаны на рис. 3. Наличие вентилируемого металлического фасада из металла толщиной 0,3–0,5 мм приводит к ослаблению геомагнитного поля внутри помещений на 10–30 %. КО ГМП 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Этаж 0,0 1 2 3 4 5 с вентилируемым фасадом 6 7 8 9 10 без вентилируемого фасада Рис. 3. График усредненных по этажам значений КОГМП в кирпичных зданиях с вентилируемым металлическим фасадом и зданиях без него Как видно из полученных результатов, коэффициент ослабления не превышает ПДУ. Однако применение данной технологии вносит определенные изменения в гипогеомагнитные условия помещений и должно учитываться при проектировании, строительстве и реконструкции зданий. Облицовочный материал может изготавливаться и с большей толщиной металла. Согласно физическим расчётам стальной лист толщиной 1 мм в 2–3 раза снижает интенсивность воздействия постоянного магнитного поля, т. е. обладает высокими экранирующими свойствами [6, 7]. Соответственно на практике использование металлического сайдинга и металлокассет в фасадных системах с толщиной от 1 до 1,5 мм может привести к значительному ослаблению параметров ГМП внутри помещений таких зданий и возникнет вероятность превышения предельно допустимого уровня. На втором этапе исследований было принято решение произвести оценку ослабления естественного магнитного поля при использовании облицовочных материалов в лабораторных условиях. В качестве экспериментального материала был выбран металлический сайдинг из оцинкованной стали с полимерным покрытием разной толщины, из которого были изготовлены макеты в форме куба, для проведения измерений. Измерения внутри макетов с толщиной стенки 0,1 мм и размером стенки 2020 см, толщиной 0,4 мм и размером 2626 см, толщиной 0,8 мм и размером 2727 см, показали наличие ослабление ГМП в 1,3; 1,6; 2,3 раза, соответственно. Далее проводились измерения внутри куба размером стенки 205 Роговские чтения 1616 см и толщиной 0,4 мм, где толщина увеличивалась на 0,4 мм, от 0,4 до 4,2 мм, за счет облицовки дополнительными стенками из сайдинга, полученные результаты приведены на рис. 4. Рис. 4. График зависимости ослабления геомагнитного поля от толщины сайдинга Анализ полученных результатов показывает, что увеличение ослабления ГМП пропорционально увеличению толщины стенок куба. В виду того, что в экваториальной плоскости магнитные силовые линии естественного поля идут параллельно поверхности Земли, тогда как ближе к полюсам они выходят из Земли на юге и входят в Землю на севере, были проведены исследования изменения ослабления магнитного поля при отсутствии какой-либо стенки куба относительно пространства, полученные результаты приведены на рис. 5. Рис. 5. График зависимости ослабления геомагнитного поля от наличия стенок куба относительно пространства Измерения проводились внутри куба с толщиной стенок 0,1 мм и размером 2020 см. Положение куба было зафиксировано на ровной поверхности с помощью компаса. Сначала проводились измерения целого куба, затем без какой-либо одной стенки. Анализ полученных результатов показывает, что наименьшее ослабление ГМП возникает при отсутствии боковых стенок по сторонам света, а отсутствие верхний и нижней стенок незначительно влияет на ослабление ГМП. 206 Секция 5 Данные подобных исследований могут быть учтены при разработке проектов строительства и реконструкции зданий, при принятии решений о повышении энергоэффективности объектов строительства за счёт дополнительных конструкций. По нашему мнению при применении новых технологий в строительстве следует особо уделять внимание вопросам безопасности работы и проживания людей в зданиях различного назначения. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Данилов, Н.И. Основы энергосбережения / Н.И. Данилов. – Екатеринбург : Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2010. – 564 с. 2. Бадьин, Г.М. Современные технологии строительства и реконструкции зданий / Г.М. Бадьин, С.А. Сычев. – СПб. : Изд-во БВХ-Петербург, 2013. – 288 с. 3. Дубров, А.П. Геомагнитное поле и жизнь: Краткий очерк по геомагнитобиологии / А.П. Дубров. – Л. : Гидрометеоиздат., 1974. – 176 с. 4. СанПиН 2.1.8/2.2.4.2489–09. Гипогеомагнитные поля в производственных, жилых и общественных зданиях и сооружениях. – Введ. 15.05.09. – М. : Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2009. – 5 с. – (Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы Российской Федерации). 5. Кузнецов, А.В. Влияние строительных конструкций и этажности зданий на геомагнитное поле внутри помещений в г. Томске / А.В. Кузнецов, С.А. Карауш // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 1. – С. 80–87. 6. Карауш, С.А. Влияние металлических фасадных систем на геомагнитное поле внутри помещений / С.А. Карауш, А.В. Кузнецов // Вестник ТГАСУ. – 2013. – № 1. – С. 83–87. 7. Борисейко, А.Н. Гигиеническая оценка гео- и электромагнитных полей в современных жилых зданиях / А.Н. Борисейко, А.М Черных // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2007. – № 1. – Условия доступа : jurnal.org/articles/2007/gigi2.html (дата обращения: 20.09.2014). 207 Роговские чтения УДК 504.2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ НЕДР ПРИ ДОБЫЧЕ УРАНА В ЗАО «ДАЛУР» М.Д. Носков1, А.Г. Кеслер1, Т.С. Теровская1, А.С. Бабкин2, Е.М. Посохова2 1 Северский технологический институт НИЯУ МИФИ, г. Северск, Россия, 2 ЗАО «Далур», Курганская обл., с. Уксянское, Россия E-mail: tsterovskaya@mail.ru, md_noskov@mail.ru В работе приведены методы осуществления геоэкологического мониторинга в ЗАО «Далур». Представлены результаты применения программного комплекса «КУРС» для обеспечения экологической безопасности и прогнозирования состояния недр в результате добычи урана методом скважинного подземного выщелачивания. Ключевые слова: скважинное подземное выщелачивание урана, геоэкологический мониторинг, прогнозирование состояние недр, компьютерное моделирование, геоэкология, экология, добыча урана. Перспективным способом разработки урановых месторождений является метод скважинного подземного выщелачивания (СПВ) [1]. Методом СПВ разрабатывают месторождения урана, в которых рудное тело находится в хорошо проницаемом подземном водоносном продуктивном горизонте. Добыча урана осуществляется с помощью сооружения системы технологических скважин, вскрывающих, содержащий рудное тело, продуктивный горизонт. В нагнетательные скважины подаются выщелачивающие растворы способные избирательно растворять урансодержащие минералы. Таким образом, добыча урана осуществляется без поднятия руды на поверхность путем избирательного перевода ионов природного урана в продуктивный раствор непосредственно в недрах. При этом разработка месторождения не сопровождается образованием отвалов вскрышных пород и хвостохранилищ, осушением подземных водоносных горизонтов, образованием сбросных вод гидрометаллургических заводов и др. Таким образом, добыча урана методом СПВ оказывает меньшее влияние на окружающую среду по сравнению с традиционными подземным и открытым горными способами. Однако, при разработке месторождения методом СПВ, в результате нагнетания выщелачивающего раствора и взаимодействия его с вмещающей породой, в подземные воды поступают различные загрязняющие вещества [2]. Для обеспечения экологической безопасности добычи урана методом СПВ и снижения воздействия на окружающую среду необходимо контролировать распространение технологических выщелачивающих растворов и загрязнение подземных вод, как в процессе подземного выщелачивания, так и после его завершения. ЗАО «Далур» – первое в России предприятие по добыче урана способом СПВ. Предприятие расположено в Далматовском районе Курганской области. ЗАО «Далур» ведет промышленную эксплуатацию и разработку месторождений, относящихся к Зауральскому ураново-рудному району (Далматовское, Хохловское и Добровольное). Для выщелачивания урана применяются слабые растворы серной кислоты и нитрита натрия (окислитель). Серная кислота, помимо ураносодержащих минералов, взаимодействует с другими минералами, входящими в состав вмещающей породы. В результате чего в подземные воды поступают различные загрязняющие компоненты, при этом общая минерализация технологических растворов может возрастать до первых десятков грамм в литре. С точки зрения экологии наибольший интерес представляют радионуклиды, компоненты выщелачивающих реагентов и продукты их преобразований (SO42–, NO2–, NO3–, NH4+), а также вещества, переходящие в технологические растворы в количествах существенно превышающих допустимые нормы (Be2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, V4+, Cd2+). Миграция всех загрязняющих веществ определяется гидродинамическими и физико-химическими процессами. К гидродинамическим процессам относятся фильтрация растворов в поровом пространстве и гидродинамическая дисперсия. Физико-химические процессы включают в себя комплексообразование, диффузию, гомофазные и гетерофазные окислительно-восстановительные и кислотно-основные процессы, различные виды сорбции, реакции осаждения-растворения минералов, соосаждение компонентов раствора. Из анализа способности компонентов участвовать в тех или иных физико-химических процессах и взаимодействовать с вмещающей породой, выявлено, что максимальными миграционными ха208 Секция 5 рактеристиками обладают нитрат и сульфат ионы. Однако, концентрации в рабочих растворах нитрат-ионов малы, по сравнению с концентрацией сульфат-иона, которые при подземном выщелачивании во много раз превышают концентрации каких-либо других компонентов. Таким образом, сульфат ион можно рассматривать как основной макрокомпонент – индикатор загрязнения, который обладает высокой миграционной способностью, по распространению которого можно судить об области распространения загрязнения подземных вод. Основой экологического мониторинга состояния недр в ЗАО «Далур» являются результаты опробования технологических (около полутора тысяч) и наблюдательных скважин (77 шт.). Наблюдательные скважины в вертикальном разрезе вскрывают все надрудные водоносные горизонты (олигоцен-четвертичный – 24 шт.; серовский – 6 шт.; камышловский – 9 шт.; мысовской – 5 шт.; средне-верхнеюрский рудоносный горизонт – 33 шт.). Ежеквартально проводятся единовременные замеры уровней подземных вод в наблюдательных и эксплуатационных скважинах, с целью определения растекания выщелачивающих растворов за пределы контуров отработки, с одновременным отбором проб из скважин, а также выполняются геофизические исследования в наблюдательных и эксплуатационных скважинах с целью изучения технического состояния обсадных колонн. Лабораторией ЗАО «Далур» проводится экспресс-анализ технологических растворов и сокращенный химический анализ проб из технологических и наблюдательных скважин. Экспресс-анализ включает анализ растворов на U, pH, Eh, H2SO4. При сокращенном химическом анализе продуктивных и выщелачивающих растворов определяют содержание следующих компонентов U, pH, Eh, H2SO4, SO4–2, HCO–, Cl–, NO3–, NO2–, Ca+2, Mg+2, (Na+ + K+), Fe+2, Fe+3, общая минерализация. Отобранные пробы на радиационные показатели (суммарная α- и β-активность, Th-232, Rа-226, U-234, U-235, U-238) направляются на выполнение в специализированную лабораторию предприятия «Радон» в г. Челябинск с периодичностью один раз в год. Для построения карт растекания технологических растворов в продуктивном горизонте за пределы контуров отработки и прогнозирования загрязнения подземных вод в ЗАО «Далур» применяется программный комплекс «КУРС» [3]. Комплекс состоит из геологической геоинформационной, технологической и моделирующей систем. Геологическая геоинформационная система предназначена для ввода, хранения, обработки и визуализации данных, характеризующих состояние продуктивного горизонта в рассматриваемой области. Технологическая система предназначена для ввода, хранения и визуализации данных о работе добычного комплекса. Моделирующая система описывает гидродинамические и физико-химические процессы, происходящие в продуктивном горизонте. Гидродинамический блок включает в себя расчет распределения давления, скорости фильтрации растворов, конвективного массопереноса и гидродинамической дисперсии. В физико-химический блок включены расчеты процессов взаимодействия рабочего раствора с урансодержащими минералами и вмещающей породой. Моделирование выполняется с учетом режимов работы технологических скважин, составов рабочих растворов, неоднородности фильтрационных параметров продуктивного горизонта и регионального потока подземных вод. Результаты мониторинга и моделирования процесса выщелачивания показывают, что, при соблюдении баланса откачных и закачных растворов, области с высоким содержанием серной кислоты не выходят на значительные расстояния за пределы контура блока, из-за нейтрализации кислоты в результате взаимодействия с вмещающей породой. Содержащийся в технологических растворах уран осаждается при повышении значения pH среды (до 3 и более) и не распространяется далеко за пределы контура блока (максимум 40 м), рис. 1. Наибольший ареал распространения имеет место для сульфат иона. В течение работы технологического блока область распространения сульфат иона возрастает, достигая наибольших расстояний 50–100 м от границ блока, рис. 2. Прогнозные расчеты показывают, что после окончания отработки блока, ареал сульфат иона сносится региональным потоком, концентрация сульфат иона уменьшается из-за разбавления пластовыми водами и взаимодействия с породообразующими минералами. Сравнение результатов расчетов с данными геоэкологического мониторинга показывает, что моделирование адекватно описывает распространения загрязняющих компонентов в подземных водах при СПВ урана, рис. 3, 4. Таким образом, на основании результатов мониторинга и моделирования можно сделать вывод, что при СПВ урана на Далматовском месторождении область загрязнения подземных вод локальна и находится преимущественно в границах контура эксплуатационного блока. После завершения отработки блока 209 Роговские чтения происходит снижение концентрации загрязняющих веществ в результате химического взаимодействия с породообразующими минералами, ионообменных процессов, сорбции, соосаждения и разбавления пластовыми водами. Рис. 1. Картина распределения урана в жидкой фазе Рис. 2. Картина распределения сульфат иона 210 Секция 5 а б Рис. 3. Концентрации в продуктивных растворах верхнего блока: а – концентрация урана в жидкой фазе, мг/л; б – концентрация серной кислоты, г/л; 1 – результаты моделирования; 2 – данные отработки блока а в б г Рис. 4. Показания контрольной скважины 8-3Н: а – pH среды; б – концентрация серной кислоты, г/л; в – концентрация урана, мг/л; г – концентрация сульфатиона, г/л; 1 – результаты моделирования; 2 – данные мониторинга БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Справочник по геотехнологии урана / В.И. Белецкий, Л.К. Богатков, Н.И. Волков [и др.]. – М. : Энергатомиздат, 1997. – 672 с. 2. Крайнов, С.Р. Гидрохимия / С.Р. Крайнов, В.М. Швец. – М. : Недра, 1992. – 463 с. 3. Геотехнологический информационно-моделирующий экспертный комплекс для обеспечения экологической безопасности геотехнологического предприятия / М.Д. Носков, А.Д. Истомин, А.Г. Кеслер [и др.] // Экологические системы и приборы. – 2010. – № 9. – С. 11–14. 211 Роговские чтения УДК 502.211:582 ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛОВ В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ РЕЧНОГО ОКУНЯ БАССЕЙНА Р. ОБИ К.Д. Степанова, Н.А. Осипова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия E-mail: Stepanovakric@yandex.ru В бассейне Оби (среднее течение реки Обь и нижнее течение реки Томь) выловлено 15 образцов речного окуня. Данный вид рыбы в соответствии с экологическими характеристиками относится к представителям ихтиофауны равнинных рек. Приведены результаты оценки содержания металлов (Ag, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W, Zn) в мышечной ткани речного окуня – одного из основных промысловых видов рыб обского бассейна. Установлено, что в мышечной ткани исследуемых образцов содержание металлов не превышает допустимых для пищевой продукции значений. Ключевые слова: бассейн Оби, речной окунь, металлы, аккумуляция. В настоящее время исследования по определению содержания металлов в промысловых рыбах бассейна Оби заслуживают особого внимания. Актуальность таких исследований связана с увеличением уровня антропогенной нагрузки на водные экосистемы рассматриваемого региона, нарушающей естественный геохимический круговорот элементов. Экологические последствия таких изменений не могут не вызывать интереса, поскольку в отличие от других веществ, загрязняющих природную среду, металлы в естественных условиях не разрушаются, а только изменяют форму нахождения. Металлы являются неотъемлемой составной частью живого организма, поскольку многие соединения данных элементов входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Без их участия невозможны дыхание, образование крови, белковый, углеводный и жировой обмены. Опасность изменения фонового содержания металлов объясняется тем, что индивидуальная потребность гидробионтов в данных элементах очень мала, а поступление из внешней среды их избыточных количеств приводит к различным токсическим эффектам и нарушению жизнедеятельности [1–3]. Сведения о микроэлементном составе органов и тканей рыб можно использовать для оценки качества водоема. Рыбы занимают в биоценозах водных экосистем верхний трофический уровень и обладают ярко выраженной способностью, наряду с другими гидробионтами, накапливать металлы. Повышенное содержание в организме рыб металлов свидетельствует о значительной их концентрации в водной среде, аккумуляции последних в пищевых цепях, функциональном нарушении во всех звеньях экосистемы [4]. Знания о составе и количестве металлов в тканях (прежде всего, в мышечной) промысловых рыб имеют важное практическое значение. Рыбы являются одним из компонентов пищевого рациона населения, и избыточное содержание металлов в рыбопродуктах, в конечном итоге, отражается на здоровье человека как потребителя продукции [5]. Цель данной работы – выявить общие тенденции содержания металлов (Ag, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W, Zn) в мышечной ткани речного окуня бассейна Оби. Для аналитических исследований выбран вид рыб, который имеет широкое распространение по всему району исследования и является одним из преобладающих видов ихтиофауны изучаемых водных объектов. Образцы вылавливались в июне- первой декаде июле 2014 г. в среднем течении реки Обь и в нижнем течении реки Томь (табл. 1). Материалом для изучения послужили образцы мышечной ткани речного окуня. Общая масса одной пробы составляла 500–700 г, в нее входили не менее 7–10 рыб. Мышечную ткань отделяли, измельчали пластмассовым инструментом. Количественный анализ образцов на содержание серебра (Ag), висмута (Bi), кадмия (Cd), кобальта (Co), хрома (Cr), меди (Cu), железа (Fe), марганца (Mn), молибдена (Mo), никеля (Ni), свинца (Pb), олова (Sn), вольфрама(W), цинка (Zn) проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой «iCAP 6300 Duo» фирмы Thermo Scientific, имеющим чувствительность 10–8–10–9 % и дающий результаты с погрешностью 20–50 % в зависимости от определяемого элемента. 212 Секция 5 Таблица 1 Регистрация исследуемых образцов речного окуня бассейна р. Оби № пробы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Наименование пробы Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Дата отбора пробы 29.16.14 13.07.14 10.07.14 14.07.14 27.06.14 28.06.14 3.07.14 12.07.14 22.06.14 02.07.14 25.08.14 12 Окунь, Percafluviatilis 25.06.14 13 14 15 Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis Окунь, Percafluviatilis 27.06.14 14.06.14 6.06.14 Место отбора пробы Река Томь, д. Юрты-Константиновы Река Томь, д. Митрофаново Река Томь, Мамалыга Река Томь, д. Коларово Река Томь, с. Кафтанчиково Река Томь, г. Томск Река Томь, г. Северск Река Обь, с. Кожевниково Река Обь. Пос. Киреевское Река Обь. Пос. Победа Река Обь. Пос. Половинка Река Обь, с. Никольск, Кривошеинский район Река Обь, с. Кривошеино Река Обь, г. Колпашево Река Обь, с. Александровское Проведенный анализ содержания элементов в мышечной ткани изучаемого вида рыб позволил выявить следующее: большинство металлов (Ag, Bi, Cd, Co, Cr, Mo, Ni, Pb, Sn, W) находятся вне диапазона чувствительности используемой методики, среднее содержание Cu, Fe, Mn, Znв мышечной ткани речного окуня не превышает допустимых для пищевой продукции значений (табл. 2). Таблица 2 Среднее содержание металлов в мышечной ткани речного окуня бассейна р. Оби, мг/кг сырой массы ПДК элементов в хищной преЭлемент Проба № 1 Проба № 2 Проба № 3 Проба № 4 Проба № 5 Проба № 6 Проба № 7 сноводной рыбе [СанПиН] Cu Fe Mn Zn 10 30 10 40 0,695 24,2 0,872 8,20 0,571 10,6 1,46 8,09 0,461 11,1 2,63 6,83 0,418 9,49 2,43 7,62 0,305 6,44 0,637 6,10 0,499 10,8 0,425 7,90 0,526 15,1 0,902 6,82 Окончание табл. 2 ПДК элементов в хищной преЭлемент сноводной рыбе [СанПиН] Cu Fe Mn Zn 10 30 10 40 Проба №8 Проба №9 Проба № 10 Проба № 11 Проба № 12 Проба № 13 Проба № 14 Проба № 15 0,301 11,2 1,33 6,99 0,488 17,0 3,61 10,2 0,264 12,4 0,449 6,11 0,298 16,9 0,590 6,53 0,487 12,4 0,377 7,21 0,474 11,9 0,721 8,27 0,462 22,7 0,559 5,96 0,273 17,8 0,468 6,82 213 Роговские чтения Содержание железа (Fe) варьирует в пределах 6,44–24,2 мг/кг, максимальные концентрации железа обнаружены в пробе № 1, 14, 15 и 9. Без дополнительных исследований нельзя сделать однозначные выводы о причинах и источниках повышенных концентраций Fe в приведенных участках бассейна Оби. Можно предположить, что источником металла в образцах рыбы под номерами 14 и 15 является приуроченность точек отбора к одному из крупнейших в мире Бакчарско-Колпашевскому железорудному месторождению. Вторым источником железных руд в Томской области являются континентальные проявления болотных руд на правом берегу р. Оби. Источником железа в болотных водах, с одной стороны, являются подстилающие породы, а с другой – тот терригенный материал, который поступает в область заболачивания со стороны в виде взвеси. Среди наиболее известных проявлений среди них – Киреевское (точка опробования №9). Этот объект Томского приобья слабо изучен, поскольку не имеет сегодня промышленного значения [6]. Важно отметить, что в точке отбора №9, кроме повышенного содержания Fe, отмечаются повышенные содержания Mn и Zn. Это можно объяснить тем, что геохимической спецификой железных руд является обогащенность Zn, Sr, La, а также элементами группы железа, среди которых присутствует Mn. Указанные элементы не образуют собственных минеральных форм и присутствуют, скорее всего, в адсорбированном состоянии и частично в виде изоморфной примеси в фосфатах, карбонатах и других экзогенных примесей [6]. Кислые болотные воды, сформированные в нижней части торфяников, выносят с почвенным стоком в ручьях и небольших протоках огромное количество железа в ионной форме и в виде железоорганических соединений, что в настоящее время наблюдается в террасах не только Оби, но и других сибирских рек – Томи, Чулыма. По величинам концентраций в мышечной ткани исследуемых образцов изученные металлы располагаются в следующем убывающем порядке: Fe-Zn-Mn-Cu(образцы № 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15) Fe-Zn-Cu-Mn (образцы № 6, 12) В целом во всех рассматриваемых образцах мышечной ткани речного окуня преобладают железо (Fe) и цинк (Zn). Это явление объясняется интенсивной аккумуляцией в организме элементов, которые принимают активное участие в протекании физиологических процессов (дыхания, кроветворения, депонирования, выделения и др.) [7,8]. Согласно [5], ранжированные ряды имеют такую же убывающую последовательность по содержанию элементов в мышечной ткани таких рыб Верхней Оби, как лещ, серебряный карась, окунь и судак. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Патин, С.А. Микроэлементы в морских организмах и экосистемах / С.А. Патин, Н.П. Морозов. – М., 1981. 2. Ветров, В.А. Микроэлементы в природных средах региона оз. Байкал / В.А. Ветров, А.И. Кузнецова. – Новосибирск, 1997. 3. Попов, П.А. Оценка экологического состояния водоемов методами ихтиоиндикации / П.А. Попов. – Новосибирск, 2002. 4. Руднева, Н.А. Тяжелые металлы и микроэлементы в гидробионтах Байкальского региона / Н.А. Руднева. – Улан-Удэ, 2001. 5. Глазунова, И.А. Содержание и особенности распределения тяжелых металлов в органах и тканях рыб Верхней Оби / И.А. Глазунова // Известия АлтГУ. – 2007. – № 3. 6. Асочакова, Е.М. К геохимии оолитовых и болотных железных руд Томской области / Е.М. Асочакова, С.И. Коноваленко // Вестник ТГУ. – 2010. – № 341. 7. Евтушенко, Н.Ю. Особенности накопления тяжелых металлов в тканях рыб Кременчугского водохранилища / Н.Ю. Евтушенко, О.В. Данилко // Гидробиологический журнал. – 1996. – Т. 32. – № 4. 8. Петухов, С.А. Распределение микроэлементов группы тяжелых и переходных металлов в органах и тканях рыб / С.А. Петухов, Н.П. Морозов, М.С. Добрусин // Экологические аспекты химического и радиоактивного загрязнения водной среды. – М., 1983. 214 Секция 5 УДК 502.3:504.5:662.6/.7 МЫШЬЯК В СНЕГОВОМ ПОКРОВЕ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТОМСКОЙ ГРЭС-2 Н.П. Самохина, Е.А. Филимоненко, А.В. Таловская Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: samokhina_np@mail.ru В статье обсуждаются результаты многолетнего мониторинга (2009–2014 гг.) загрязнения снегового покрова в зоне воздействия Томской ГРЭС-2. Представлены данные изучения мышьяка в талой снеговой воде и твердом осадке снега. Выявлено, что в течение всего изучаемого периода концентрации мышьяка в пробах превышают фоновые показатели. По мере удаления от труб предприятия (0,7–2 км), содержание мышьяка в твердом осадке снега уменьшается. Корреляционный анализ показал, что в талой снеговой воде мышьяка возможно может образовывать соединения с ионами кальция и фосфора. В твердом осадке снега минеральной формой мышьяка является арсенопирит. Поступление мышьяка с большой долей вероятности связано со сжиганием угля. Ключевые слова: мышьяк, твердый осадок снега, талая снеговая вода, теплоэлектростанция. Введение. Мышьяк является редким элементом, оказывающим в повышенных концентрациях токсическое действие на живые организмы [1–3]. Мышьяк является элементом первого класса опасности (ГОСТ 17.4.1.02–83) и по различным международным классификациям входит в группу особо опасных загрязняющих веществ [4, 5], с одним из самых высоких показателей патологичности [4]. Высокая токсичность мышьяка зависит от его валентного состояния, растворимости, от соединений, в которых он находится. Наиболее токсичным является трёхвалентный мышьяк As(III), его соединения в 25–60 раз токсичнее пятивалентного As(V) [6]. Однако в различных природных условиях формы мышьяка могут трансформироваться из более опасной в менее опасную и наоборот [7]. Соединения As(III) в воде присутствуют обычно в форме слабой мышьяковистой кислоты H3AsO3, а соединения As(V) – в виде значительно более сильной мышьяковой кислоты H3AsO4 и ее анионов H2AsO4– и HAsO42– [8]. Согласно литературным данным, сжигание угля на электростанциях является одним из антропогенных источников поступления мышьяка в окружающую среду [4, 9]. В городе Томске значительный вклад в общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от всех стационарных источников вносят предприятия теплоэнергетики, в том числе государственная районная теплоэлектростанция (ГРЭС-2), которая в настоящее время является самым крупным источником теплоснабжения города. В своем технологическом процессе данная теплоэлектростанция использует уголь Кузнецкого бассейна и природный газ. Основная доля угля (до 80–90 %) сжигается за зимний период – с ноября по март. Целью данной работы является выявление пространственно-временного распределения мышьяка в зоне воздействия Томской ГРЭС-2, по данным изучения снегового покрова в период 2009–2014 гг. Методика исследования. С целью изучения содержания мышьяка в зоне воздействия Томской ГРЭС-2 в конце зимних сезонов с 2009 по 2014 гг. выполнялся маршрутный отбор снеговых проб по векторной сети в северо-восточном направлении на расстоянии 0,7; 1,0; 1,3; 1,6 и 2,0 км от труб. Общее количество проб за 6 лет – 30. Все работы по отбору, подготовке и анализу снеговых проб проводились в соответствии с методическими рекомендациями [10] и руководству по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186 № 2932-83). Объектом исследования являлся твердый осадок снега (2009–2014 гг.) и талая снеговая вода (2013 г.). Для аналитических исследований проб снега был применен комплекс современных и высокочувствительных методов анализа: инструментальный нейтронно-активационный анализ (ядерногеохимическая лаборатория МИНОЦ «Урановая геология» кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ; аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская), масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента для поддержки молодых российских ученых (МК 951.2013.5). 215 Роговские чтения MS) (ХАЦ «Плазма», г. Томск). Вещественный состав твердого осадка снега изучался в учебнонаучной лаборатории электронно-оптической диагностики МИНОЦ «Урановая геология» кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ с применением сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400N с приставкой для микроанализа (консультант – ассистент кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ С.С. Ильенок) для определения минеральных форм химических элементов. Для сравнения содержаний мышьяка в исследуемых пробах использовались данные о его содержании в пробах, отобранных в 2013 г. на площадках локального (обсерватория «Фоновая» ИОА СОР, недалеко от п. Киреевск, 70 км от г. Томска) и регионального (480 км от г. Томска по данным [11, 12]) фонов. По полученным аналитическим данным, были рассчитаны следующие показатели: коэффициент концентрации (Kc), общая нагрузка, создаваемая поступлением мышьяка в окружающую среду (среднесуточное выпадение мышьяка из атмосферы на снеговой покров – Pобщ) согласно работе [9], коэффициент аэрозольной аккумуляции (Ka) [13], коэффициент интенсивности нагрузки мышьяка в талой снеговой воде (Нзв), а также коэффициент распределения между взвешенной и растворенной формой (Kраспр) [14]. Данные показатели рассчитывались по формулам: Kc = С/Сф, где С – содержание элемента в природной среде (мг/кг); Сф – его фоновое содержание (мг/кг). Робщ = С Рn, мг/ (км2сут), где С – содержание элемента в природной среде (мг/кг); Pn – пылевая нагрузка (мг/(м2сут) или кг/(км2сут). Kа = А/К, где А – содержание элемента в твердой фазе аэрозоля; К – кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры по данным [15]. Нзв = (C V)/(S n), мг/м2мес., где С – концентрация As в снеготалой воде, мг/дм3; V – общий объем пробы снеговой воды, дм3; S – площадь отбора проб снега, м2; n – число месяцев от даты образования устойчивого снежного покрова до даты отбора проб. Kраспр = log(Cтос/Cсн.вода), где Cтос – содержание в твердом осадке снега, мг; Cсн.вода – содержание в талой снеговой воде. Результаты и их обсуждение. В результате исследования было выявлено, что за весь период исследования среднее содержание мышьяка в пробах твердого осадка снега изменяется от 7 до 22 мг/кг. Все значения превышают фоновые показатели от 7 до 54 раз, максимальное превышение зафиксировано в 2012 г., на расстоянии 700 м от труб теплоэлектростанции. В период исследования с 2009 по 2014 гг. закономерного снижения или повышения концентраций мышьяка в пробах не наблюдается. Однако можно отметить, что средняя концентрация мышьяка в пробах в период с 2012 по 2014 гг. почти в два раза выше, чем в период с 2009 по 2011 гг. В таблице приведены значения основных эколого-геохимических показателей мышьяка в твердом осадке снега из зоны влияния Томской ГРЭС-2 в период с 2009 по 2014 гг. Средние значения общей нагрузки создаваемой поступлением мышьяка из атмосферы на снеговой покров в течение 6 лет мониторинга изменяются от 617 до 1447 мг/(км2сут), при фоновом значении 3,5 мг/(км2сут). Анализ значений по мере удаления от труб электростанции показал, что мышьяк в составе пыли выпадает преимущественно в ближней зоне воздействия предприятия (на удалении до 1 км от труб). Согласно литературным данным, максимальное техногенное воздействие выбросов теплоэлектростанций сосредоточено в локальной зоне (в радиусе 0,5–1 км от предприятия) [16, 17]. Значения коэффициентов аэрозольной аккумуляции указывают на умеренную (Ka от 1 до 10) интенсивность обогащения аэрозоля мышьяком, по классификации, предложенной Добровольским [13], однако в некоторых пробах отмечается средняя (Ka от 10 до 50) интенсивность обогащения, что указывает на локальный техногенный источник поступления данного элемента. 216 Секция 5 Эколого-геохимические показатели мышьяка в твердом осадке снега из зоны влияния Томской ГРЭС-2 (2009–2014 гг.) Год Расстояние от труб, км CAs, мг/кг Kc Pобщ, мг/(км2сут) Ka 2009 0,7 15,0 29,9 2281 1,0 13,1 26,2 2871 1,3 10,6 21,1 886 1,6 13,8 27,6 963 2,0 4,5 9,0 235 0,7 10,5 21,0 1042 1,0 7,7 15,3 1243 1,3 7,1 14,3 379 1,6 10,2 20,4 714 2,0 24,4 48,9 1588 7,9 6,9 5,6 7,3 2,4 5,5 4,0 3,8 5,4 12,9 Год Расстояние от труб, км CAs, мг/кг Kc Pобщ, мг/(км2сут) Ka 2011 Pобщ, мг/(км2сут) Ka 2012 0,7 7,8 15,5 773 1,0 8,7 17,4 1140 1,3 7,8 15,6 515 1,6 3,7 7,5 242 2,0 8,7 17,3 417 0,7 27,2 54,4 2353 1,0 23,4 46,7 898 1,3 23,0 45,9 492 1,6 9,3 18,6 909 2,0 26,1 52,2 1081 4,1 4,6 4,1 2,0 4,6 14,3 12,3 12,1 4,9 13,7 1,6 21,6 43,2 601 11,4 2,0 18,1 36,3 635 9,5 Год Расстояние от труб, км CAs, мг/кг Kc 2010 2013 0,7 17,7 35,5 820 9,3 1,0 12,6 25,2 800 6,6 1,3 11,9 23,9 366 6,3 2014 1,6 19,3 38,6 726 10,2 2,0 24,7 49,4 1076 13,0 0,7 20,0 40,0 2100 10,5 1,0 17,8 35,6 747 9,4 1,3 14,0 28,0 619 7,4 Примечание. Данные ИНАА, CAs – содержание мышьяка в пробах твердого осадка снега; Kс – коэффициент концентрации мышьяка относительно фона (0,5 мг/кг); Робщ – общая нагрузка, создаваемая поступлением мышьяка в окружающую среду, Kа – коэффициент аэрозольной аккумуляции относительно Кларка в гранитном слое континентальной земной коры [15]. Анализ данных показал, что мышьяк преимущественно концентрируется в твердой фазе снегового покрова, т. е. в пробах твердого осадка снега обнаружены наибольшие концентрации элемента. По данным электронной микроскопии проб твердого осадка снега мышьяк был обнаружен в форме сульфида – арсенопирит Fe[AsS]. Также мышьяк был обнаружен в составе отходов Томской ГРЭС-2. Исследования показали, что главным образом мышьяк содержится в золе уноса и в меньшей степени в шлаковых отходах, что сопоставимо с литературными данными [18]. По результатам исследования мышьяка в пробах талой снеговой воды в 2013 г. выявлено, что содержания As изменяются от 0,77 до 1,1 мкг/дм3 и превышают фоновые показатели в 2–3 раза (фон – 0,38 мкг/дм3 – обсерватория «Фоновая» ИОА СОР, недалеко от п. Киреевск, 70 км от г. Томска). Значения интенсивности нагрузки мышьяка в талой снеговой воде на территорию изменяются от 0,02 до 0,04 мг/м2мес., при фоновом значении – 0,01 мг/м2мес. Коэффициент распределения между содержанием мышьяка в твердом осадке снега и растворе талой снеговой воды (Kраспр = 0,14) указывает на подвижность элемента, т. е. его способность переходить в раствор талой снеговой воды. Данные по подвижности элемента сопоставимы с опубликованными данными по составу снегового покрова в окрестностях теплоэлектростанций г. Новосибирск [14]. Так же в работе [7] показано, что соединения мышьяка более подвижны, чем тяжелые металлы и способны к повышенной миграции в почвах, природных водах. Для изучения зависимости между содержаниями ионов и мышьяка в талой снеговой воде, был применен корреляционный анализ. Установлено, что наибольшей корреляционной зависимостью с мышьяком обладают катионы кальция (0,77) и фосфат ионы (0,74), а наибольшей отрицательной корреляционной зависимостью – нитрат ионы (–0,66). Из чего можно сделать вывод о способности мышьяка образовывать соединения с кальцием и фосфором. В литературе отмечается, что в почвах арсенаты способны соединятся с основными компонентами почв, а том числе с кальцием [19]. 217 Роговские чтения При сжигании углей с газовой фазой могут уходить многие химические элементы, в том числе мышьяк, что подтверждается опубликованными исследованиями [18, 20–22]. В работе посвящённой изучению угольной электростанции в Канаде [22] отмечено, что мышьяк в угле содержится в виде арсенат иона (As5+), арсенопирита (FeAsS), а так же арсенита (As3+). В результате полного окисления арсенопирита образуются формы As3+ и As5+ [18, 23]. В угле и золе уноса австралийской электростанции [18] мышьяк обнаружен в тех же формах (FeAsS, As3+, As5+). Арсенопирит (FeAsS) преимущественно содержится в углях, а зола уноса главным образом обогащена мышьяком в форме As5+. Более токсичный мышьяк As3+ присутствует в золе уноса в меньшей степени (10 % от общего количества As). Присутствие мышьяка в снеговом покрове так же подтверждается в работах, посвященных изучению снеговых проб в зонах воздействия предприятий теплоэнергетики в регионах России. В работе [14] показано, что для выбросов Новосибирской теплоэлектроцентрали один из наиболее характерных элементов – мышьяк. Так же мышьяк выделяется по максимальным уровням концентрации в пробах талой снеговой воды из зоны воздействия Усть-Илимской ТЭЦ (Иркутская обл.) [16]. Заключение. В целом по результатам исследований можно отметить, что концентрации мышьяка в пробах твердого осадка снега в зависимости от года проведения исследований изменяются неравномерно, закономерного снижения или повышения концентраций не наблюдается в зоне влияния Томской ГРЭС-2. Максимальное содержание мышьяка наблюдалась в пробах твердого осадка снега за 2012 г., а минимальное значение обнаружено в 2011 г. Мышьяк в составе пыли выпадает на снеговой преимущественно в ближней зоне воздействия предприятия (до 1 км от труб) и концентрируется преимущественно в твердом осадке снега и присутствует в форме арсенопирита. Анализ данных показал, что мышьяк способен переходить в раствор талой снеговой воды, и образует корреляционные связи с ионами кальция и фосфора. На основе многолетних наблюдений, исследования состава золы уноса ГРЭС, а также литературного обзора можно сделать вывод, что источником поступления мышьяка преимущественно является сжигание угля. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Манн, А.У. Химия окружающей среды / А.У. Манн. – М. : Химия, 1982. – С. 289. 2. Эмсли, Дж. Элементы / Дж. Эмсли. – М. : Наука, 1988. – С. 127–128. 3. Бабошкина, С.В. Мышьяк в компонентах окружающей среды Алтая : автореф. дис. … канд. биол. наук. – Новосибирск : Новосиб. аграр. ун-т, 2005. – 23 с. 4. Иванов, В.В. Экологическая геохимия элементов : справочник: в 6 кн. Кн. 3. Редкие элементы /В.В. Иванов ; под ред. Э.К. Буренкова. – М. : Недра, 1996. – 352 с. 5. Алексеенко, В.А. Экологическая геохимия / В.А. Алексеенко. – М. : Логос, 2000. – 627 с. 6. Макаров, В.Н. Мышьяк в биосфере Якутии / В.Н. Макаров // Наука и техника в Якутии. – 2012. – № 1 (22). – С. 41–46. 7. Петров, В.Г. Об особенностях поведения техногенного мышьяка в природных средах при работах по уничтожению люизита / В.Г. Петров, О.С. Набокова, М.А. Шумилова // VIII Всероссийская конференция по анализу объектов окружающей среды 26 июня – 2 июля 2011 г. и Школа молодых ученых, посвященные 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова : тезисы докладов. – Архангельск, 2011. – С. 222, 2011. 8. Немодрук, А.А. Аналитическая химия мышьяка / А.А. Немодрук. – М. : Наука, 1976. 9. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин [и др.]. – М. : Недра, 1990. – 335 с. 10. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. – М. : ИМГРЭ, 1982. – 111 с. 11. Язиков, Е.Г. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Томска по данным изучения пылеаэрозолей и почв / Е.Г. Язиков, А.В. Таловская, Л.В. Жорняк. – Томск : Томского политехнического университета, 2010. – 264 с. 12. Язиков, Е.Г. Экогеохимия урбанизированных территорий юга Западной Сибири : дис. ... докт. геол.-минерал. наук. – Томск : Том. политехн. ун-т, 2006. – 423 с. 13. Добровольский, В.В. Основы биогеохимии / В.В. Добровольский. – М. : Издательский центр «Академия», 2003. – С. 400. 14. Методы анализа данных загрязнения снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере г. Новосибирск) / С.Б. Бортникова, В.Ф. Рапута, А.Ю. Девятова [и др.] // Геоэкология. – 2009. – № 6. – С. 515–525. 15. Беус, А.А. Геохимия окружающей среды / А.А. Беус, JI.И. Грабовская, Н.В. Тихонова. – М. : Недра, 1976. – 248 с. 16. Санина, Н.Б. Эколого-геохимическая обстановка окрестностей Усть-Илимской ТЭЦ (Иркутская обл.) / Н.Б. Санина, Ю.К. Ланкин, И.В. Матвеева // Геоэкология. – 2007. – № 2. – С. 124–136. 17. Гришанцева, Е.С. Влияние атмосферных выбросов Конаковской ГРЭС на состояние снегового покрова района Иваньковского водохранилища / Е.С. Гришанцева, Н.С. Сафронова, Н.В. Кирпичникова // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2012. – № 2. – С. 135–142.; Санина, Н.Б. Эколого-геохимическая обста- 218 Секция 5 18. 19. 20. 21. 22. 23. новка окрестностей Усть-Илимской ТЭЦ (Иркутская обл.) / Н.Б. Санина, Ю.К. Ланкин, И.В. Матвеева // Геоэкология. – 2007. – № 2. – С. 124–136. Speciation of As, Cr, Se and Hg under coal fired power station conditions / P. Shah, V. Strezov, K. Prince P.F. Nelson. – Fuel 87. – Р. 1859–1869. О некоторых особенностях поведения соединений мышьяка при мониторинге объекта по уничтожению люизита / М.А. Шумилова, О.С. Набокова, В.Г. Петров // Вестник Удмуртского университета. Серия «Физика. Химия». Т. 1. – 2011. – С. 125–129. Gaffney, J.S. The impacts of combustion emissions on air quality and climate – From coal to biofuels and beyond Atmos. Environ / J.S. Gaffney, N.A. Marley. – 2009. – № 43. – Р. 23–36. Таловская, А.В. Динамика загрязнения в окрестностях предприятия теплоэнергетики на основе химического анализа снегового покрова (на примере ГРЭС-2 г. Томск) / А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Е.Г. Язиков // Сергеевские чтения. Вып. 16. – М. : РУДН, 2014. – С. 491–496. Goodarzi, F. Assessment of elements, speciation of As, Cr, Ni and emitted Hg for a Canadian power plant burning bituminous coal / F. Goodarzi, F.E. Huggins, H. Sanei // International Journal of Coal Geology. – Accepted. – № 74. – Р. 1–12. Huggins, F.E. Mode of occurrence of arsenic in subbituminous coals. Energy and Fuels / F.E. Huggins, F. Goodarzi, C.J. Lafferty. – 1996. – № 10. – Р. 1001–1004. 219 Роговские чтения УДК 502.17 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В НЕРАСТВОРИМОЙ ФАЗЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА Г. ТОМСКА А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: filimonenkoea@mail.ru В марте 2014 г. на территории г. Томска осуществили отбор проб снега. Результаты позволили определить уровень пылевой нагрузки на снежный покров и содержания тяжелых металлов (Zn, As, Sb, Ba) в твердом осадке снега в зонах влияния автотранспорта, ряда промышленных предприятий и на территории некоторых городских зон отдыха. К участкам, испытывающим наибольшее аэротехногенное воздействие, были отнесены территории города, расположенные вблизи зоны преимущественного влияния автотранспорта в южной части города (пл. Транспортная), в зонах влияния кирпичных заводов и ГРЭС-2. Ключевые слова: снежный покров, пылевая нагрузка, тяжелые металлы, автотранспорт, промышленные предприятия. Введение. В практике эколого-геохимических исследований широко используются различные депонирующие среды как индикаторы качества окружающей среды. В климатических условиях Западной Сибири снежный покров является одной из наиболее представительных и удобных для изучения сред. Анализ проб снега позволяет проводит оценку загрязнения территории, обусловленную в основном антропогенными факторами, получая при этом интегральные оценки за весь период формирования снежного покрова, т. е. 4–5 мес. Снегогеохимические исследования на территории юга Западной Сибири, Обского бассейна, Томской области и г. Томска успешно проводятся на базе кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета с 1990-х гг. по настоящее время [1-5]. Кроме этого начиная с 2009 г. ОГБУ «Областной комитет охраны окружающей среды и природопользования» проводит ежегодный мониторинг загрязнения снежного покрова на территории г. Томска [6]. Точки мониторинга за плотностью выпадения загрязняющих веществ (взвешенные вещества, нитриты, нитраты, аммоний, фенолы, железо, цинк, свинец, медь, бенз(а)пирен, хлориды и нефтепродукты; дополнительно – кадмий и фосфаты только в 2009 г.) на снежный покров располагаются во всех административных районах города в зонах влияния автотранспорта, промышленных предприятий, в зонах отдыха населения, на детских площадках и около школ. По данным площадной снегогеохимической съемки, проведенной на территории г. Томска в 2007 г. [5] и данным ОГБУ «Областной комитет охраны окружающей среды и природопользования» [6] наиболее контрастные очаги загрязнения на территории города сохраняются из года в год. Не смотря на то, что работы, проводимые ОГБУ «Областной комитет охраны окружающей среды и природопользования» носят систематический характер, перечень контролируемых химических элементов и соединений весьма ограничен. Поэтому авторами статьи в марте 2014 г. был проведен отбор проб снега в пунктах ежегодного мониторинга ОГБУ «Областной комитет охраны окружающей среды и природопользования» с целью получения дополнительных данных для более достоверной оценки эколого-геохимического состояния территории г. Томска. Методика исследования. На территории г. Томска всего было отобрано 20 проб снега в конце февраля 2014 г. Работы по отбору и подготовке образцов проводились согласно методическим рекомендациям [8, 9] и с учетом нашего многолетнего практического опыта проведения снегогеохимических исследований [1–5]. Отбор проб проводили методом шурфа, на всю глубину снежного покрова за исключением 5-см слоя над почвой. Подготовка проб включала в себя следующие операции: таяние при комнатной температуре, фильтрация (фильтр типа синяя лента), просушивание фильтра с твердым осадком снега, просеивание и взвешивание. Согласно работам [10, 11] большинство химических элементов в составе снежного покрова сконцентрировано в составе нерастворимой фазы снега, то наибольший интерес в рамках данного 220 Секция 5 исследования представлял анализ именно твердого осадка снега. Все пробы твердого осадка снега были проанализированы инструментальным нейтронно-активационным анализом на базе ядерногеохимической лаборатории ТПУ на содержание 28 химических элементов, из которых в данной статье рассматриваются четыре элемента (Zn, As, Sb, Ba) и которые можно отнести к группе тяжелых металлов и являются токсичными. На основе экспериментальных данных проводили расчет величины пылевой нагрузки (Рn, мг/м2сут): Рп = Р0/(Sxt), Рo – вес твердого снегового осадка, мг; S – площадь снегового шурфа, м2; t – количество суток от начала снегостава до дня отбора проб, сут. Рассчитывали коэффициент концентрации (Kс) Kc = С/Сф, где С – содержание элемента в твердом осадке снега (мг/кг); Сф – фоновое содержание элемента (мг/кг), фоновая площадка – обсерватория «Фоновая» ИОА СО РАН, недалеко от п. Киреевск, 70 км от г. Томска. Проводили расчет среднесуточного притока тяжелых металлов с пылевыми взвешенными частицами в атмосферном воздухе на снежный покров Робщ = С Рn, мг/(км2сут), где С – содержание элемента в твердом осадке снега (мг/кг); Pn – пылевая нагрузка кг/(км2сут). Результаты и их обсуждение. Расчет величины пылевой нагрузки на территорию г. Томска позволил выявить участки наибольшего аэротехногенного загрязнения (табл. 1). К таким территориям, где фоновый уровень (7 мг/м2сут [2]) превышен в 31–34 раза, в первую очередь относятся те, которые расположены вблизи наиболее загруженных кольцевых автодорожных развязок (ул. Суворова и пл. Транспортная). Однако пылевое загрязнение снежного покрова вблизи автокольца на ул. Суворова также, с высокой долей вероятности, может быть обусловлено осаждением взвешенных в атмосферном воздухе пылевых частиц, выбрасываемых кирпичным заводом, который расположен в 200 м от точки отбора пробы снега. Повышенные уровни пылевой нагрузки (от 12 до 17 фонов) наблюдаются также вблизи других автомагистралей и в окрестностях ряда промышленных предприятий г. Томска. Некоторые из таких территорий совпадают с месторасположением детских площадок. Так, например, площадка по ул. Шевченко, 39 и площадка школы № 39 расположены вблизи санитарнозащитной зоны Томской ГРЭС-2, ввиду чего на данных участках города отмечается повышенный уровень пылевого загрязнения. Наши многолетние наблюдения в зоне влияния ГРЭС-2 показали [12, 13], что высокое значение величины пылевой нагрузки приходится на расстоянии 1 км от труб данной теплоэлектростанции. Таблица 1 Уровень пылевой нагрузки (Pn) и содержание тяжелых металлов (Zn, As, Sb, Ba) в пробах твердого осадка снега на территории г. Томска Точка отбора пробы снега на территории г. Томска Фон [2, 3] Белое озеро Лагерный сад, ул. Нахимова-пр. Ленина Березовая роща, ул. К. Ильмера ул. Шевченко, 39, детская площадка ул. Салтыкова-Щедрина, школа № 39 ул. Смирнова, школа № 56 ул. Суворова, 1а (газон) пр. Кирова – ул. Красноармейская пл. Транспортная (центральный газон) пл. Кирова ул. Пушкина – ул. Яковлева пр. Комсомольский – ул. Герцена ул. Балтийская (в районе моста через р. Ушайку) ул. Клюева, мкр. Солнечный пр. Ленина – ул. 5-й Армии Pn Zn As 1401 293 148 240 742 1186 1164 206 401 574 321 840 914 387 238 277 0,5 13,7 7,6 10,5 14,1 20,0 18,3 7,4 11,1 36,8 13,8 19,8 17,8 13,5 6,7 14,2 2 мг/м сут 7 41,5 43,9 5,9 42,5 105,0 24,2 215,8 79,7 237,5 39,7 77,7 29,7 85,9 81,2 68,2 Sb мг/кг 2,3 8,5 2,9 4,9 6,1 4,7 4,7 1,7 4,4 5,6 5,3 11,8 8,6 1,9 2,5 4,7 Ba 100 767 735 689 851 761 1836 423 544 755 383 618 883 223 829 791 221 Роговские чтения Окончание табл. 1 Точка отбора пробы снега на территории г. Томска ул. Угрюмова (ЖБК-100, ЖБК-40, ООО «Керамзит») Иркутский тракт (ЗАО «Карьероуправление») ул. Говорова, 41 ул. Трудовая – ул. Нижне Луговая 2 пос. ЛПК Примечание. всех точек. 1 Pn Zn 2 мг/м сут 98,7 118,2 60,9 95,5 104,9 355 577 255 383 425 As Sb мг/кг 11,9 2,9 11,9 6,3 12,2 4,6 4,5 15,8 5,7 4,1 Ba 642 694 751 450 522 пос. Киреевск (2013 г.); жирным выделены значения, превышающие средние величины по выборке для Распределение содержания рассматриваемых тяжелых металлов в пробах твердого осадка снега на территории г. Томска характеризуется относительно равномерным характером – коэффициент вариации изменяется от 63 % (для Zn) до 48 % (для Sb и As) и 45 % (для Ba). При этом разброс между минимальным и максимальным значениями концентрации Ba составляет 8,2 раза, Zn – 8,0 раз, Sb – 7,1 раз, а As – 6,4 раза. Достоверно значимая парная корреляция (при уровне надежности р = 0,95) установлена для Zn – Ba и Zn – As на уровне 0,56 и 0,51 соответственно. Наибольшие концентрации Zn (от 8,3 до 8,5 фонов) в пробах твердого осадка снега на территории г. Томска зафиксированы на территории пришкольных площадок, расположенных вблизи таких промышленных предприятий как Томсккабель, Бетонный завод и производственных помещений ряда других организаций (школа № 56), а также вблизи Томской ГРЭС-2 (школа № 39). Повышенные относительно фона в 6,5–5,3 раза содержания Zn в пробах твердого осадка снега установлены и в некоторых других точках исследования, расположенных на расстоянии 500–900 м от 100-метровых дымовых труб Томской ГРЭС-2 в северо-западном направлении. Наиболее высокие содержания Sb в пробах твердого осадка снега (от 2,3 до 5,1 фоновых значений) наблюдаются в зонах преимущественного влияния автотранспорта, т. е. на перекрестках автодорог города: ул. Пушкина и ул. Яковлева с прилегающей территорией Белого озера, пр. Комсомольский и ул. Герцена, пл. Транспортная. Содержание As в пробах твердого осадка снега на территории всех рассматриваемых участков г. Томска значительно превышает фоновые концентрации – от 11,5 до 73,6 раз, при среднем превышении в 28,3 раза, что соответствует концентрации As в пробах 14,1 мг/кг. Территориально набольшие концентрации As установлены в зонах влияния автотранспорта и вблизи Томской ГРЭС-2. Концентрации Ba в твердом осадке снега, превышающие региональный фон в 18,4 раза, наблюдаются в северо-восточной части г. Томска на территории школы № 56, располагающейся вблизи комплекса промышленных производств, указанных в тексте выше. Повышенные относительно фона в 7,4–8,8 раз содержания Ba установлены в пробах, отобранных на территории селитебных и рекреационных зон города. Для оценки эколого-геохимического состояния территории особое значение имеет такой показатель как среднесуточный приток химического элемента на снежный покров. Он является характеристикой аэротехногенной нагрузки на территорию, учитывающей и величину пылевой нагрузки, и уровни содержания в накопленной в снежном покрове атмосферной пыли химических элементов. Результаты расчета среднесуточного притока Zn, As, Sb и Ba с пылевыми взвешенными частицами в атмосферном воздухе на снежный покров на территории г. Томска представлены в табл. 2. Участки г. Томска, расположенные в зоне интенсивного влияния автотранспорта (пл. Транспортная) и промышленных предприятий – ЗАО «Карьероуправление» и Томской ГРЭС-2 (площадка школы №39), испытывают наиболее интенсивное аэротехногенное воздействие среди всех рассмотренных городских территорий. Среднесуточный приток Zn с пылевыми взвешенными частицами в атмосферном воздухе на снежный покров на данных территориях г. Томска превышает фоновый уровень в 68–136 раз, As – в 403–2497 раз, Sb – в 25–67 раз и Ba – в 80–179 раз. Аналогичные превышения фоновых показателей по величине среднесуточного притока Zn, As и Sb установлены в районе перекрестка ул. Пушкина 222 Секция 5 и ул. Яковлева; As и Ba – в районе автокольца по ул. Суворова, где также загрязнение обусловлено выбросами кирпичного завода; As – в промзонах г. Томска по ул. Угрюмова и на пересечении ул. Трудовой и ул. Нижне-Луговой, которые расположены в северо-западной части г. Томска. Таблица 2 Среднесуточный приток тяжелых металлов (Zn, As, Sb, Ba) с пылевыми взвешенными частицами в атмосферном воздухе на снежный покров на территории г. Томска Точка отбора пробы снега на территории г. Томска Фон [2, 3] Белое озеро Лагерный сад, ул. Нахимова-пр. Ленина Березовая роща, ул. К. Ильмера ул. Шевченко, 39, детская площадка ул. Салтыкова-Щедрина, школа № 39 ул. Смирнова, школа № 56 ул. Суворова, 1а (газон) пр. Кирова – ул. Красноармейская пл. Транспортная (центральный газон) пл. Кирова ул. Пушкина – ул. Яковлева пр. Комсомольский – ул. Герцена ул. Балтийская (в районе моста через р. Ушайку) ул. Клюева, мкр. Солнечный пр. Ленина – ул. 5-й Армии ул. Угрюмова (ЖБК-100, ЖБК-40, ООО «Керамзит») Иркутский тракт (ЗАО «Карьероуправление») ул. Говорова, 41 ул. Трудовая – ул. Нижне Луговая 2 пос. ЛПК Zn As Sb Ba 2 1 12 6 1 32 124 28 45 32 136 13 65 27 33 19 19 35 68 16 37 45 г/км сут 0,004 0,02 0,57 0,35 0,33 0,13 0,06 0,03 0,60 0,26 2,10 0,49 0,44 0,11 0,36 1,60 0,89 0,35 8,74 1,33 0,55 0,21 1,54 0,92 0,53 0,26 0,16 1,16 0,55 0,21 0,97 0,32 0,28 1,18 1,41 0,75 0,75 0,28 0,43 1,51 0,60 0,43 1 32 32 4 36 80 44 91 43 179 15 48 26 19 67 54 63 82 46 43 55 Примечание. Жирным выделены наибольшие значения для каждого химического элемента. Поступление данных элементов в окружающую среду может быть связано с выбросами от сжигания угля. Наши многолетние исследования за загрязнением снежного покрова в зоне влияния Томской ГРЭС-2 [5, 12, 13] показали, что Ba, As являются элементами-индикаторами в составе твердого осадка снега в данном районе. Минеральными формами их проявления является барит и арсенопирит соответственно. Литературный обзор также подтверждает наши выводы [14]. С другой стороны, не следует исключать поступление рассматриваемых элементов с выбросами от других источников, что требует дополнительных исследований. Заключение. Таким образом, по результатам проведенной снегогеохимической съемки на территории г. Томска в марте 2014 г. был установлен уровни пылевой нагрузки на снежный покров и содержания тяжелых металлов (Zn, As, Sb, Ba) в твердом осадке снега в зонах влияния автотранспорта, ряда промышленных предприятий и на территории некоторых городских зон отдыха. К участкам, испытывающим наибольшее аэротехногенное воздействие, были отнесены территории города, расположенные вблизи зоны интенсивного влияния автотранспорта в южной части города (пл. Транспортная), в зонах влияния предприятия строительной (ЗАО «Карьероуправление» – кирпичный завод) и теплоэнергетической (Томская ГРЭС-2) отраслей. 223 Роговские чтения БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Экология Северного промышленного узла г. Томска. Проблемы и решения. / под ред. А.М. Адама. – Томск : Изд-во ТГУ, 1994. – 260 с. 2. Шатилов, А.Ю. Вещественный состав и геохимическая характеристика атмосферных выпадений на территории Обского бассейна : автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук. – Томск, 2001. – 24 с. 3. Язиков, Е.Г. Экогеохимия урбанизированных территорий юга Западной Сибири : дис. … докт. геол.-минерал. наук. – Томск : Том. политехн. ун-т, 2006. – 423 с. 4. Эколого-геохимические особенности природных сред Томского района и заболеваемость населения / Л.П. Рихванов, Е.Г. Язиков, Ю.И. Сухих [и др.]. – Томск : Изд-во ИП Т.И. Серкова, 2006. – 216 с. 5. Язиков, Е.Г. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Томска по данным изучения пылеаэрозолей и почв / Е.Г. Язиков, А.В. Таловкая, Л.В. Жорняк. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 264 с. 6. Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области [официальный сайт]. – Условия доступа : http://www.green.tsu.ru/dep/quality%20of%20the%20environment/monitoring/air%20quality/ (дата обращения: 16.02.2015). 7. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин [и др.]. – М. : Недра, 1990. – 335 с. 8. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. – М. : ИМГРЭ, 1982. – 111 с. 9. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186 № 2932-83. – М.: Госкомгидромет, 1991. – 693 с. 10. Методы анализа данных загрязнения снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере г. Новосибирска) / С.Б. Бортникова, В.Ф. Рапута, А.Ю. Девятова [и др.] // Геоэкология. – 2009. – № 6. – С. 515–525. 11. Таловская, А.В. Динамика элементного состава снегового покрова на территории северо-восточной зоны влияния Томск-Северской промышленной агломерации / А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Е.Г. Язиков // Оптика атмосферы и океана. – 2014 – Т. 27 – №. 6. – C. 491–495. 12. Экспериментальные и численные исследования длительного загрязнения снегового покрова ураном и торием в окрестностях теплоэлектростанции (на примере Томской ГРЭС-2) / А.В. Таловская, В.Ф. Рапута, Е.А. Филимоненко [и др.] // Оптика атмосферы и океана. – 2013 – Т. 26 – №. 8. – C. 642–646. 13. Особенности вещественного состава пылевых атмосферных выпадений в зоне воздействия предприятия топливноэнергетического комплекса (на примере Томской ГРЭС-2) / Е.А. Филимоненко, А.В. Таловская, Е.Г. Язиков // Оптика атмосферы и океана. – 2012 – Т. 25 – №. 10 – C. 896–901. 14. Твердые фазы аэрозолей в природно-технических системах городов Прибайкалья. Геоэкология / В.А. Скворцов, Н.В. Федорова, В.П. Рогова [и др.]. – 2011 – № 1. – С. 31–39. 224 Секция 5 УДК 502.173 АНТРОПОГЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЛАНДШАФТОВ ГОМЕЛЬСКОГО ПОЛЕСЬЯ С.В. Андрушко Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины, г. Гомель Республика Беларусь E-mail: sandrushko@list.ru Рассмотрен процесс эволюционного изменения ландшафтов Гомельского Полесья под влиянием антропогенных факторов, начиная со времени наиболее существенных воздействий человека. Выделены преобладающие факторы антропогенных изменений на различных этапах развития региона. Установлены особенности формирования и изменения структуры природно-антропогенных ландшафтов, а также степень их изменения на различных этапах хозяйственного освоения. Установлено, что эволюционные изменения ландшафтов, предполагающие коренное изменение его структуры, возможны на локальных территориях, которой на исследуемой территории является областной центр Гомель и зона его влияния. В пределах города выделен наиболее преобразованный участок и на его примере предложены мероприятия по снижению негативных последствий антропогенного преобразования. Ключевые слова: Антропогенная эволюция, природные и природно-антропогенные ландшафты, Гомельское Полесье, этапы хозяйственного освоения, антропогенное преобразование ландшафтов, эволюционные изменения, урболандшафт, планировочные мероприятия. Антропогенные изменения ландшафтов приводящие к изменению и коренной перестройке его структуры называются эволюцией ландшафта [1, с. 263]. На современном этапе развития общества антропогенный фактор стал значительным источником эволюционных изменений. Исследование антропогенной эволюции ландшафтов, как наибольшей степени антропогенных изменений, предполагает анализ особенностей антропогенного освоения территории с начала ее хозяйственного освоения и на последующих этапах воздействия. Это позволяет понять механизм преобразования и формирования современных природно-антропогенных ландшафтов и их изменения во времени. Необходимость подобных исследований обусловлена значительной степенью изменении естественной природной структуры ландшафтов на современном этапе в ходе длительного предшествующего антропогенного освоения территории. Уже начиная с конца XIX в. ученые отмечали наличие негативных последствий антропогенных вмешательств в процессы функционирования и динамики ландшафтов. Сегодня же очевидно, что особенности современного состояния ландшафтов во многом определяются предшествующими антропогенными воздействиями, а также их последствиями [2]. Изучение изменений ландшафтов в историческом аспекте предполагает учет всех факторов воздействия и изучение влияния различных видов природопользования на состояние окружающей среды на разных этапах освоения территории с использованием широкого спектра археологических, географических и геоэкологических данных об особенностях хозяйственного освоения территории. Особенности антропогенной эволюции ландшафтов была изучены на территории Гомельского Полесья, которая включает в себя репрезентативные природные ландшафты Полесского региона (моренно-зандровые, вторичные водно-ледниковые и озерно-аллювиальные), и характеризуетсядлительной история хозяйственного освоения, что позволяют проследить особенности и установить закономерности антропогенного воздействия и трансформации ландшафтов на различных этапах освоения. Для изучения истории антропогенного преобразования Гомельского Полесья были выделены этапы хозяйственного освоения территории, также проведена их типизация с учетом преобладающего вида хозяйственной деятельности, особенностей землепользования, расселения, антропогенной трансформации ландшафтов и общих социально-экономических условий развития территории. В основу типизации положен преобладающий вид хозяйственной деятельности на том или ином этапе освоения. Всего выделено 5 этапов: 1-й этап – Этап подсечно-огневого земледелия (первое тысячелетие до н. э. – I в. н.э.); 2-й этап – Этап перехода от подсечно-огневого к пашенному земледелию (I–VIII вв. н. э.); 3-й этап – Этап развития пашенного земледелия и ремесел (IX–XVI вв.); 225 Роговские чтения 4-й этап – Этап начала промышленного воздействия (XVII–XIX вв.); 5-й этап – Этап интенсивного антропогенного преобразования (XX–XXI вв.). Анализ степени и интенсивности антропогенного освоения позволил установить, что на начальных этапах развития (первое тысячелетие до н. э.) существенные антропогенные изменения были представлены на незначительных локальных участках в пределах первоначальных населенных пунктов, которые на тот период занимали площадь от 1 до нескольких гектаров. Всего на 1 и 2 этапе воздействия зафиксировано более 300 населенных пунктов. Мощность культурного слоя в них колебалась от 0,3 до 1 м. А в радиус хозяйственного освоения попадали территории для охоты и занятий примитивным земледелием, а именно – подсечно-огневым. Таким образом, приблизительно до X–XV вв. н. э. территории с существенными антропогенными преобразованиями занимали лишь десятые доли процентов от всей исследуемой территории. Начиная со второй половины этапа пашенного земледелия и развития ремесел значительно увеличивалась численность и людность населенных пунктов, усложнялись виды хозяйственной деятельности. В XVIII в. происходил постоянный рост числа сельских поселений, а соответственно и сельскохозяйственная освоенность территории. С начала ХІХ в. Гомель и прилегающие территории начинают приобретать черты промышленного центра. И именно с данного периода существенные антропогенные изменения начинают распространяться на значительных площадях. Для изучения антропогенных преобразований ландшафтов Гомельского Полесья были использованы топографические карты района исследований середины XIX и конца XX в., по которым была определена структура землепользования. За рассматриваемый период характерно значительное снижение лесистости и лесоболотных территории, общее увеличение сельскохозяйственных угодий, особенно в пределах волнистых, волнисто-увалистых и холмисто-волнистых моренно-зандровых ландшафтов. Еще одной тенденцией является значительное увеличение площади населенных пунктов, при общем снижении площади естественных природных территорий и их замене сельскохозяйственными и застроенными землями. С учетом структуры земельных угодий каждого вида ландшафтов, были установлены типы и виды антропогенной трансформации по методике, разработанной Г.И. Марцинкевич [3–6]. Установлено что, в XIX в. преобладающими были лесной и сельскохозяйственно-лесной тип антропогенной трансформации ландшафтов. Лесоболотный, лесной, пахотно-лесной и лесо-пахотный виды антропогенно трансформации по каждому из типов соответственно. Тогда как в конце XX в. значительно снижается площадь ландшафтов с лесохозяйственным типом, и начинают преобладать ландшафты с сельскохозяйственным и сельскохозяйственно-лесным типом антропогенной трансформации. Доминирующим в сельскохозяйстенно-лесном типе трансформации становятся пахотно-лесной и лесо-пахотный виды, а в пределах сельскохозяйственного типа – селитебно-пахотный вид антропогенной трансформации. Наиболее интенсивно начинает преобразовываться территория в зоне влияния города Гомеля и именно в последние 250–300 лет, что обусловлено именно размещением в пределах района исследования города, который оказывал определяющее влияние на прилегающие территории уже с XVII–XVIII вв. Разнообразные виды деятельности концентрировались в пределах города, однако его хозяйство распространялось далеко за границы городской черты. В дальнейшем увеличение общей освоенности региона, развитие и усложнение хозяйственной деятельности привели к увеличению видов воздействия и антропогенной измененности территории. На основании анализа картографического материала определены пространственно-временные закономерности антропогенных изменений ландшафтов зоны влияния города с XVIII по XX вв. и также различные виды антропогенныхизменений. Антропогенные изменения выражались в интенсивном сельскохозяйственном и лесохозяйственном воздействий. Анализ показал расширение пахотных земель (с 37,6 до 51 %, т. е. в 1,35 раза) и снижение лесистости (с 40 до 7,2 % или в 5,5 раз) с конца XVIII до начала XX в. Снижение лесистости привело к значительному сокращению средней площади лесных массивов территории междуречья – с 4,8 до 0,15 км2 на всей территории. Особенно интенсивно снижение средней площади лесных массивов произошло в холмисто-волнистом вторично-моренном ландшафте (с 19,6 до 0,027 км/км2) за рассматриваемый период. К необратимым изменениям отнесены преобразования, возникающие при застройке и создании техногенных форм рельефа, строительстве дорог, добыче полезных ископаемых и мелиоративном 226 Секция 5 воздействии. В течение XX в. площадь застройки и участков с техногенными формами рельефа возросла с 1 до 17,9 %. Масштабное осушение болот (в XX в.) привело к значительному снижению средней площади болотных массивов (средняя площадь уменьшилась с 1,7 до 0,02 км2). Мелиоративное воздействие проявилось в зарегулировании стока, канализировании малых рек. Густота гидросети в течение XVIII–XX вв. увеличилась в 5 раз. Поскольку, освоение болот и изменение гидросети на территории междуречья Сожа и Узы привело к практически полному уничтожению болотных экосистем и экосистем малых рек, то эти изменения были отнесены к проявлениям антропогенной эволюции ландшафтов. В ходе анализа особенностей антропогенного преобразования территории самого города Гомеля установлено, что с начала XIX до начала XXI вв. площадь застройки на территории современной черты города увеличилась с 3 до 49,6 %. Антропогенные преобразования проявились в преобразовании морфолитогенной основы (техногенные грунты развиты на 8,3 % территории), активизации геологических процессов (на 6,3 % территории), вертикальной трансформацией рельефа (развита на 57 % площади), а также добыче полезных ископаемых и изменении естественной гидросети. Таким образом, именно в пределах города и городских территорий наблюдаются наиболее масштабные и интенсивные антропогенные преобразования за достаточно незначительный временной отрезок. Длительное антропогенное воздействие на ландшафты приводит к увеличению степени антропогенной трансформации, что при значительном увеличении степени и интенсивности воздействия приводит к необратимым или эволюционным изменениям. Оценка степени антропогенной трансформации и эволюции ландшафтов проводилась по состоянию экологического каркаса территории и степени трансформированности морфолитогенной основы. В результате выделены 17 урболандшафтов, под которыми понимается городской ландшафт, сформировавшийся в результате градостроительного преобразования территории, характеризующийся однородной природной основой и определенным типом градостроительного использования [7]. В ходе анализа выявлено, что наибольшая степень антропогенной трансформации, а соответственно и антропогенной эволюции, характерна для урболандшафта № 10 «Волотова». В настоящее время урболандшафт № 10 «Волотова» представляет собой территорию с антропогенными эволюционными изменениями, который можно рассматривать как техногенный ландшафт, характерными особенностями которых являются техногенная морфолитогенная основа (намывные и насыпные песчаные грунты), активное протекание ряда техно-природных геологических процессов, полное отсутствие естественных природных элеменов экологического каркаса. Рассмотренные изменения имеют необратимый характер и представляют собой один из примеров антропогенной эволюции ландшафтов. Для компенсации негативных последствий антропогенной трансформации и эволюции предлагается ряд мероприятий по увеличению средообразующего потенциала территории урболандшафта № 10 «Волотова»: – озеленение вдоль основных транспортных магистралей (ул. Мазурова и Головацкого), которое позволит значительно снизить шумовое загрязнение; – внутридворовое озеленение на территории микрорайонов № 16–19, которое снизит дефляцию обнаженных песчаных грунтов; – создание лесопарка на севере участка (в районе искусственных озер), который позволит соединить остатки пойменных территорий в районе оврага по ул. Юбилейная с зоной отдыха на северовостоке (соединенные элементы экологического каркаса образуют сплошную полосу, обрамляющую исследуемый участок с севера и запада, что существенно увеличит средообразующий потенциал); – искусственное укрепление склонов намывного массива, что позволит значительно предотвратить развитие водно-эрозионных процессов; – общее озеленение намывного массива, с целью закрепления рыхлых песчаных грунтов, что уменьшит развитие эоловых процессов на территории. Также необходимы регулярные наблюдения за динамикой техно-природных геологических процессов, прогноз их развития и принятие своевременных неотложных мер для нейтрализации, что позволит предотвратить их неблагоприятные последствия. Таким образом, для снижения негативных последствий антропогенной трансформации и эволюции ландшафтов, для увеличения средообразующего потенциала территории необходим комплекс 227 Роговские чтения мероприятий, включающий создание элементов экологического каркаса, эффективное градостроительное планирование территории и организация мониторинга за развитием техно-природных геологических процессов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Сочава, В.Б. Введение в учение о геосистемах / В.Б. Сочава. – М. : Наука, 1978. – 320 с. 2. Низовцев, В.А. Ландшафтно-историко-экологический подход к организации территорий культурного и природного наследия / В.А. Низовцев // Географические основы формирования экологических сетей в России и Восточной Европе : материалы электр. конф., Москва, 1–28 февр. 2011 г. : в 2 ч. / Мин-во прир. рес. и экологии Российской Федерации [и др.]. ; редкол.: Н.А. Соболев [и др.]. – М., 2011. – Ч. 1. – С. 178–184. 3. Марцинкевич, Г.И. Функциональная типология и структура трансформированных ландшафтов Белорусского Полесья / Г.И. Марцинкевич, И.И. Счастная, И.П. Усова // Земля Беларуси. – 2010. – № 3. – С. 24–27. 4. Марцинкевич, Г.И. Функциональная типология и структура трансформированных ландшафтов Белорусского Полесья / Г.И. Марцинкевич, И.И. Счастная, И.П. Усова // Земля Беларуси. – 2010. – № 4. – С. 43–48. 5. Марцинкевич, Г.И. Классификация и закономерности распространения современных ландшафтов Белорусского Полесья / Г.И. Марцинкевич, И.И. Счастная, А.А. Звозников // Проблемы природопользования: итоги и перспективы : материалы Междунар. науч. конф., г. Минск, 21–23 ноября 2012 г. / Нац. акад. наук Беларуси [и др.] ; редкол.: А.К. Карабанов [и др.]. – Минск, 2012. – С. 170–173. 6. Структура географической среды и ландшафтное разнообразие Беларуси / под ред. И.И. Пирожника, Г.И. Марцинкевич. – Минск : БГУ, 2006. – 194 с. 7. Фалолеева, М.А. Ландшафтно-градостроительный анализ территории г. Минска / М.А. Фалолеева // Вестник Белорусского государственного университета. Серия «География». – 2002. – № 2. – С. 70–75. 228 Секция 5 УДК 502.211:582 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЧУЖЕРОДНЫХ РАСТЕНИЙ НА НОВЫХ ТЕРРИТОРИЯХ М.В. Олонова, Н.В. Горина, Н.С. Мезина Биологический институт Томского государственного университета, г. Томск, Россия Рассматривается возможность использования алгоритма MaxEnt для моделирования потенциального распространения чужеродных видов на примере Poa compressa L. Полученные климатические параметры и прогнозные карты его распространения позволяют предполагать в случае потепления климата высокие потенциальные возможности расселения этого вида на территории Сибири. Ключевые слова: инвазивные виды, биоклиматическое моделирование, MaxEnt, Poa compressa L. Проблема чужеродных и инвазивных видов в настоящее время выходит на передний план природоохранной деятельности и деятельности по созданию благоприятной для проживания человека окружающей среды. Среди инвазивных видов, непрошено вторгающихся на наши территории и закрепляющихся на них, присутствуют не только сорняки, но и опасные аллергены, такие как печально известные в европейской части России амброзия и борщевик Сосновского. Последний, помимо аллергии, снижает защитные действия организма против ультрафиолетовых лучей, что может вызвать тяжелые ожоги и даже смерть человека [1]. Пока эти виды не достигли Сибири, но все мы помним, как десяток лет назад считалось, что колорадский жук нам не страшен, поскольку не способен перенести суровых сибирских зим. Оказалось, что способен. В понятии инвазивный вид разные авторы часто вкладывают разный смысл, но большинство авторов различают чужеродные и инвазивные виды. И те и другие – это виды, интродуцированные намеренно или неперднамеренно за пределы своих природных мест обитания, но в отличие от чужеродных, инвазивные виды активно вторгаются в природные сообщества, самостоятельно там закрепляются, успешно конкурируют с местными видами и занимают новые экологические ниши. Это приводит к существенным изменениям в растительных сообществах, угнетению и вытеснению местных видов. При этом особенно страдают наиболее уязвимые – редкие и реликтовые виды. Инвазивные виды оказывают влияние и на эволюционный процесс и могут изменить генофонд аборигенных видов. Интрогрессивная гибридизация может привести к полному исчезновению отдельных видов местной флоры. Инвазивные виды в настоящее время не только наносят большой экономический ущерб, но и угрожают существованию природных экосистем. Помимо вытеснения аборигенных видов, чужеродные инвазивные виды прямо или косвенно наносят ущерб среде обитания. Так, они способны существенно изменить физические и химические условия среды, влиять на круговорот воды и углеродный обмен [2, 3]. Влияние инвазивных видов – вторая причина утраты биоразнообразия во всем мире, после разрушения мест обитания, поэтому уже с конца прошлого столетия проблема вторжения многочисленных видов растений и животных становится все более актуальной и привлекает все большее внимание как биологов, так и общественности. Миграция видов – естественный процесс, вызываемый изменениями климата и поверхности Земли на протяжении геологических периодов, однако в последнее время мобильность видов существенно возросла. Это обусловлено подъемом экономической деятельности, в том числе и сельскохозяйственной, товарообмена и туризма. Результатом такой повышенной активности некоторых видов, называемых инвазивными, является их внедрение в местные экосистемы и изменение их. Известно, что успех закрепления и расселения вида на новой территории зависит от множества причин. Первой из них C.S. Elton [2] называет конкурентоспособность видов, которая определяется их биологическими особенностями. Г.П. Москаленко [4] особое внимание уделяет таким особенностям, как способность к вегетативному размножению, быстрое достижение репродуктивной зрелости Исследования были проведены при поддержке гранта РФФИ (№ 13-04-01715 А). 229 Роговские чтения и способность к регулярному и обильному плодоношению. Однако при этом, как отмечает Г.П. Москаленко, согласно теории климатических аналогов, успешная интродукция возможна только при непременном сходстве экологических условий. Поэтому, зная, в каких условиях распространен тот или иной вид, можно с большой долей вероятности прогнозировать районы его успешной интродукции. Современный научный подход к исследованию инвазивных видов предполагает выявление потенциальных возможностей их распространения [5] или потенциальных ареалов. Понятие потенциального ареала вида было дано Т.А. Работновым [6]. Под ним понимается область, где климатические условия благоприятны для произрастания вида. Эта характеристика вплотную приближается к понятию экологического ареала, сформулированного В.П. Селедцом [7]. Однако, в отличие от экологического ареала, который значительно более детально характеризует условия среды произрастания, выявление потенциального ареала не требует столь точного исследования и определения места вида в координатах экологических шкал. Потенциальный ареал опирается на климатические показатели и может быть определен с помощью биоклиматического моделирования, основанного на использовании ГИС-технологий [8]. Биоклиматическое моделирование распространения видов, основанное на использовании климатических показателей и ГИС-технологий, может выявить территории, подходящие по своим климатическим характеристикам для произрастания того или иного вида. В настоящее время существует несколько методов биоклиматического моделирования. Их сравнению и оценке посвящены многочисленные статьи [8, 9, 10]. Большинство из этих методов основано на выявлении экологической ниши исследуемых видов, которая устанавливается путем комбинации данных географического распространения видов (географических координат «точек присутствия») и климатических характеристик этих точек. Полученная модель затем проецируется на электронную карту изучаемого региона. Она показывает потенциальное распространение вида и определяет области, где данный вид может произрастать и куда он может распространиться в будущем [5]. Более темным тоном на карте отмечаются области с наиболее благоприятными для каждого вида комбинациями климатических характеристик. Метод BIOCLIM, разработанный H. Nix [11], широко используется для построения климатического профиля видов (его экологическую нишу) и выявления их потенциальных ареалов. BIOCLIM визуализирует занимаемую видом экологическую нишу двумя путями: в виде гистограммы и «конверта». Гистограмма показывает частоты различных климатических параметров, наблюдаемых у вида в заданной области, а «конверт» двумерную нишу вида, основанную на двух климатических параметрах [12]. Метод DOMAIN, предложенный Carpenter et al. [13], использует меру сходства Говера (Gower metric) для определения множественных расстояний между климатическими показателями в точках произрастания вида и изучаемым регионом. В результате создаются слои, где для каждой ячейки растра определяется расстояние Говера между этой ячейкой и ближайшей точкой, где был зарегистрирован вид. Значения, вычисленные DOMAIN, представляют собой меру сходства и выражаются индексом пригодности местообитания для произрастания данного вида, значения которого варьируют от 0 до 100 %. Метод MaxEnt (максимальной энтропии), предложенный S.J. Phillips [10, 15], в настоящее время является одним из самых эффективных методов моделирования распределения видов на основании данных только о присутствии вида, существенно превосходя и DOMAIN, и BIOCLIM [16]. MaxEnt оценивает распределение подходящих условий обитания для исследуемого вида в соответствии с принципами максимальной энтропии. Энтропия в информатике является мерой непредсказуемости и неопределенности информации, или, другими словами, количество информации, которая содержится в случайной изменчивости или неизвестной величине [5]. Информационная и термодинамическая энтропия тесно связаны между собой, и получение информации влечет за собой потерю энтропии. MaxEnt рассчитывает распределение вероятности ячеек растра, начиная с равномерного, шаг за шагом уточняя соответствие модели введенным данным. Прирост начинается с нуля и асимптотически увеличивается в процессе расчета. Определяется прирост как средняя логарифмическая вероятность присутствия объекта, минус константа, которая делает прирост равномерного распределения равным нулю. В конце расчета прирост показывает, насколько сильно модель сконцентрирована вокруг «точек присутствия» Получающаяся на выходе карта показывает вероятность присутствия объекта на различных территориях. Метод хорош и тем, что показывает вклад каждой переменной в полученную модель распределения, поэтому мы можем оценить вклад каждой биологически значи230 Секция 5 мой климатической переменной, включенной в анализ, в полученную модель распространения вида [10, 12]. Несомненным достоинством всех трех методов является то, что их использование не требует данных об отсутствии вида в тех или иных точках. Разумеется, привлечение этих данных повысило бы точность прогноза, но слабая изученность территории Сибири в ботаническом отношении практически исключает возможность их использования. В данной работе показана возможность моделирования потенциального ареала при помощи метода MaxEnt на примере чужеродного вида Poa compressa L. Poa compressa L. – широко распространенный вид, который отмечается не только в северном полушарии (рис. 1), но даже в Австралии. Считается, что на американский континент он был интродуцирован из Европы [17, 18]. В настоящее время в США [19] и Канаде [20] он включен в список инвазивных и вредоносных растений. Будучи обычным видом в Европе, включая европейскую часть России [18], до последнего времени он был очень редким в Сибири. В течение долгого времени едва ли не единственное, подтвержденное гербарным образцом, местонахождение этого вида было зарегистрировано на территории Тулунской опытной станции в Иркутской области, но, вероятно, распространен он был все же шире [22]. Затем этот вид был обнаружен в Томске [22], в Кузнецком Алатау [14] и в Алтайском крае [15]. Злаки, как известно, легко вступают в гибридизационные отношения [24], особенно характерно это для мятликов секции Stenopoa [25] к которой принадлежат эти виды. Сходная картина наблюдалась нами летом 2011г. на Урале (Екатеринбург, железнодорожные пути возле товарных складов). Это говорит о том, что в Сибири P. compressa может стать инвазивным и реально изменить генофонд близких аборигенных видов. В этом случае его распространение здесь должно контролироваться, как это делается в США и Канаде. Для выявления потенциальных возможностей распространения P. compressa на территории Сибири требовалось установить его экологическая нишу на основании биоклиматических параметров и составить прогнозную карту распространения. Рис. 1. Распространение Pоа compressa в северном полушарии Для составления карты распространения P. compressa были использованы гербарные коллекции (BYU, LE, TK, US, UTC, Nevada), электронная база данных Missouri Botanical Garden TROPICOS [26]; некоторые точки были взяты из атласа E. Hulten [27]. Всего было учтено 528 так называемых «точек присутствия», расположенных в северном полушарии. Для выявления климатического профиля и составления прогнозной карты распространения P. compressa была использована программа DIVA GIS 5.2 [28]. Климатические данные – 19 переменных – были взяты из базы WORDCLIM [29]. Она включает сетку с пространственным разрешением 2,5 arc-min, в узлах которой размещены климатические характеристики, полученные путем экстраполяции данных метеостанций с 1950 по 2000 гг. Прогнозные карты распространения P. сompressa, составленные с помощью методов BIOCLIM и DOMAIN [14] показали довольно высокие возможности его расселения на территории Сибири, однако эти методы в настоящее время заслуженно критикуются за ограниченные возможности оценки модели. В данной работе была предпринята попытка использования более точного метода – MaxEnt. Поскольку многие из переменных коррелируют между собой, и это оказывает сильное негативное влияние на получаемую модель [12], для дальнейшего использования было отобрано 8 слабо скоррелированных переменных – среднегодовая температура (Bio1), минимальная температура самого холодного месяца (Bio6), средняя температура самого теплого квартала (Bio10), среднегодовое количество осадков (Bio12), сезонность осадков или стандартное отклонение месячных осадков (Bio15), осадков cамого сухого квартала (Bio14), осадков самого влажного квартала (Bio17), и осадков самого теплого квартала (Bio18). Модель, сконструированная в результате анализа, была спроецирована на 231 Роговские чтения карту, построенную с помощью программы ArcGIS 9 [30], ограниченную прямоугольником со значениями между 32° и 70° с. ш. и между –167° и 145° долготы. Для оценки полученной модели все «точки присутствия» вида были разделены на обучающие (обучающая выборка), которые послужили для создания модели (75 %), и тестирующие (25 %), использованные для проверки модели. Одним из важных параметров, использующихся для оценки полученной модели, является AUC (Area Under Curve), представляющая собой площадь под операционной кривой (Receiver Operating Curve). AUC измеряет способность модели различать пункты, где вид присутствует, и пункты, где он отсутствует, и изменяется от 0 до 1. При этом 1 означает полную дискриминацию, а 0,5 – что дискриминация не лучше случайной. Значение 85 % для AUC означает, 85-процентную вероятность того, что в местах, где предсказано присутствие вида, он реально присутствует. Отличной считается AUC выше 0,9, хорошей – от 0,8 до 0,9, и приемлемой от 0,7 до 0,8 [10, 12]. При создании модели для обучающей выборки был задан порог 10 процентилей. Это означает предположение, что 90 % «точек присутствия» описывают типичную среду обитания вида, в то время как 10 % оставшихся обитают в не вполне типичных для вида условиях и не принимаются во внимание при выявлении климатической ниши. Полученная в результате модель потенциального распространения P. compressa в северном полушарии (рис. 2) хорошо соотносится с ареалом этого вида и показывает относительно низкие возможности выживания этого вида на большей части территории Сибири. При этом AUC модели для обучающей выборки составила 0,874, что превышает значение 0,8 и может расцениваться как хорошая. Рис. 2. Потенциальное распространение Poa compressa L. в северном полушарии, полученное на основании 8 биоклиматических переменных при помощи алгоритма MaxEnt Помимо прогнозирования области потенциального распространения, алгоритм MaxEnt может также выявить роль каждой переменной в модели распределения и их прогностическую значимость. Для этого предлагается два независимых метода – пермутации и jackknife-тест. При пермутации вклад каждой переменной определяется путем случайного изменения значений этой переменной в обучающей выборке и измерения результирующего уменьшения AUC. Существенное уменьшение значения AUC будет свидетельствовать о том, что модель сильно зависит от этой переменной. Для того чтобы выразить значение каждой переменной в процентах, полученные результаты нормализованы [10, 12]. В нашем случае при пермутации самое высокое значение (33.9%) оказалось у Bio6 (среднегодовые осадки). Далее следовали Bio15 (cезонность осадков) и Bio16 (осадки самого сухого квартала), со значениями, соответственно, 20.1% и 16.3%. Альтернативный метод оценки переменных, тест jackknife (рис. 3), состоит в том, что из анализа по очереди исключаются все переменные, и модель создается на основании оставшихся (светлоголубые столбцы). Затем модель создается только с этой переменной (темно-синие столбцы). Затем – дополнительно – со всеми переменными (красный столбец). Переменная с самым коротким светлосиним столбцом содержит более всего уникальной информации [10]. Таким образом мы можем протестировать и обучающую выборку, и тестирующую, и AUC. Использование этого метода оценки показало, что ни одна из переменных не обладала уникальной информацией. График тестирующей выборки почти полностью повторял график обучающей и в целях экономии места здесь не приводится. Наиболее значимыми и для обучающей выборки, и для AUC оказались Bio1 и Bio6, отражающие, соответственно, среднегодовую температуру и среднегодовые осадки. Оба значения оказались приблизительно равными (рис. 3). Высокие значения показали также Bio17 (осадки самого влажного квартала) и Bio12 (среднегодовое количество осадков). Минимальное значение было у Bio18 (осадки самого теплого квартала). 232 Секция 5 а б Рис. 3. Jakknife тест для модели Poa compressa: a – обучающая выборка; б – AUC (обозначения переменных в тексте) Таким образом, моделирование потенциального распределения P.compressa на основании климатической ниши показало, что, в целом условия окружающей среды на обширной территории Сибири весьма неблагоприятны для его существования. Тем не менее, принимая во внимание будущее увеличение температуры во всем мире [31], в будущем расширение этого ареала в Сибири представляется весьма вероятным. Здесь следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о моделировании вероятностного распределения климатических условий, благоприятных для произрастания того или иного вида, а успех внедрения в растительные сообщества зависит в немалой мере и от других причин – от конкурентных способностей вида, от взаимосвязей компонентов сообщества. Авторы благодарят кураторов гербариев BYU, LE, TK, US, UTC, Nevada за предоставленную возможность работы с коллекциями, профессора Университета штата Невада (Рино, США) Томаса Олбрайта за консультации по геостатистическому моделированию и ценные советы. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Виноградова, Ю.К. Черная книга флоры Средней России. Чужеродные виды растений в экосистемах Средней России / Ю.К. Виноградова, С.Р. Майоров, Л.В. Хорун. – M. : GEOS Publ., 2010. –512 c. – Условия доступа : http://www.bookblack.ru (дата обращения: 12.05.2011). 2. Elton, C.S. The ecology of invasions by animal and plants / C.S. Elton. – London : Mcthenen, 1958. – 181 p. 3. Cabral, H. Ornamental plant species that threaten biodiversity in Mexico / H. Cabral, I.J. March, G.J. Alanis. – Условия доступа : http://weedcenter.org/wab/2010/docs/presentations/Session-02/Cabral/CABRAL_PowerPoint.pdf (дата обращения: 12.05.2011). 4. Москаленко, Г.П. Оценка потенциальной опасности адвентивных видов для ландшафтов / Г.П. Москаленко // Экологическая безопасность и инвазии чужеродных организмов : сб. материалов круглого стола Всероссийской конференции по экологической безопасности России (4–5 мая 2002 г.). – М. : ИПЭЭ им. А.Н. Северцова, IUCN MCOII, 2002. – С. 94–104. 5. Ward, D.F. Modeling the potential geographic distribution of invasive ant in New Zealand / D.F. Ward // Bio Invasions. – 2007. –V. 9. – P. 723–735. 6. Работнов, Т.А. Фитоценология / Т.А. Работнов. – Изд. 2-е. – М. : Изд-во МГУ, 1983. – 292 с. 7. Селедец, В.П. Экологический ареал вида у растений / В.П. Селедец, Н.С. Пробатова. – Владивосток : Дальнаука, 2007. – 98 с. 8. Anderson, R.P. Evaluating predictive models of species’ distributions: criteria for selecting models / R.P. Anderson, D. Lew, A.T. Peterson // Ecological Modelling. – 2003. – V. 162. – P. 211–232. 9. Welk, E. Constrains in range predictions of invasive plant species due to non-equilibrium distribution patterns: Purple loosestrife (Lythrum salicaria) in North America / E. Welk // Ecological Modeling. – 2004. – V. 179. – P. 551–567. 10. Philips, S.J. Maximum entropy modeling of species geographic distributions / S.J. Philips, R.P. Anderson, R.E.Schapire // Ecological Modeling. – 2006. – V. 190. – P. 231–259. 11. Nix, H. A biogeographic analysis of Australian Elapid snakes / H. Nix // Longmore R. (ed.) Snakes: atlas of Elapid snakes of Australia. – 1986. – № 4. – 15 p. 12. Schelderman, X. Training manual on spatial analysis of plant diversity and distribution / X. Schelderman, M. van Zonneveld. – Rome : Biodiversity International, 2010. – 180 p. 13. Сarpenter, G. DOMAIN a flexible modeling procedure for mapping potential distributions of plants, animals / G. Сarpenter, A.N. Gillison, J. Winte // Biodivers. Conserv. – 1993. – V. 2. – P. 667–680. 14. Олонова, М.В. Потенциальные возможности распространения адвентивного растения Poa compressa L. в Сибири / М.В. Олонова, Х. Gao // Вестник ТГУ. Биология. – 2014. – № 4 (28). – С. 56–69. 15. Phillips, S.J. Modelling of species distribution with Maxent: new extentions and a comprehensive evaluation / S.J. Phillips, M. Dudic, // Ecography. – 2008. – V. 31. – P. 161–175. 233 Роговские чтения 16. Franklin, J. Mapping species distribution: spatial inference and prediction / J. Franklin. – Cambridge : Cambridge University Press, 2010. – 320 p. 17. Hitchcock, A.S. Manual of the grasses of the United States / A.S. Hitchcock. –Washington : US Government Printing Office, 1935. – 1040 p. 18. Цвелев, Н.Н. Злаки СССР / Н.Н. Цвелев. – Л. : Наука, 1976. – 788 с. 19. Ranking invasive Exotic plant species in Virginia / K.E. Hefferman, P.P. Coulling, J.F. Townsend [etc.] // Natural Heritage technical report 01–13. Virginia: Virginia Department of Conservation and Recreation, Division of Natural Heritage, Richmond. – 2001. – 27 p. 20. Hoffman, R. Wisconsin manual of control recommendations for ecologically invasive plants / R. Hoffman, R. Kearns. – Wisconsin : Wisconsin Dept. Natural Resourses. Madison. – URL : http://plants.usda.gov/java/invasiveOne?publD=Wi (дата обращения: 12.05.2011). 21. Олонова, М.В. Мятлик / М.В. Олонова, L. Poa // Флора Сибири. – Новосибирск : Наука, 1990. – Т. 2. – С. 163–186. 22. Олонова, М.В. Новое местонахождение Poa compressa L. / М.В. Олонова // Систематические заметки по материалам Гербария им. П.Н. Крылова. – 2003. – № 93. – С. 11. 23. Эбель, А.Л. Новые для Сибири и малоизвестные чужеродные виды растений / А.Л. Эбель // Систематические заметки по материалам Гербария им. П.Н. Крылова. – 2013. – № 108. – С. 23–28. 24. Цвелев, Н.Н. О значении гибридизационных процессов в эволюции злаков (Poaceae) / Н.Н. Цвелев // История флоры и растительности Евразии. – Л. : Гаука, 1972. – С. 5–16. 25. Пробатова, Н.С. Хромосомные числа в семействе Poaceae и их значение для систематики, филогении и фитогеографии (на примере злаков Дальнего Востока России) / Н.С. Пробатова // Комаровские чтения. – 2007. – Вып. 55. –С. 9–103. 26. TROPICOS 2004 / R.J. Soreng, G. Davidse, P.M. Peterson [etc.]. – URL : http://mobot.mobot.org/W3T/Search/nwgc.html (дата обращения: 20.05.2011). 27. Hulten, E. Atlas of the distribution of the vascular plants in Nowestern Europe / E. Hulten. – Ed. 2. – Stockholm, 1971. – 515 p. 28. DIVA-GIS, version 5.2. Manual. 2005 / R.J. Hijmans, L. Guarino, A. Jarvis [etc.]. – URL : http://www.diva-gis.org/DIVAGIS5_manual.pdf (дата обращения: 22.05.2011). 29. Hijmans, R.J. Climate date from Worldclim. 2004 / R.J. Hijmans, S. Cameron, J. Parra. – URL : http://www.worldclim.org (дата обращения: 20.05.2011). 30. ArcGIS (ESRI). – URL : http://www.esri.com (дата обращения: 27.01.2011). 31. Intergovernmental Panel on Climate Change. – URL : http://www.grida.no/climate/ipcc/emission/. (дата обращения: 22.06.2012). 234 Секция 5 УДК 502:627.51 МОДЕЛЬ РАСЧЁТА СКОРОСТЕЙ ДОБЕГАНИЯ ВОЛНЫ ПАВОДКА ПРИ КРАТКОСРОЧНОМ ПРОГНОЗИРОВАНИИ НАВОДНЕНИЙ НА РЕКАХ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА В.Н. Орлянкин НГИЦ РАН, г. Москва, Россия E-mail: vadim.orlyankin@yandex.ru Сущность прогнозирования наводнений заключается, как известно, в заблаговременном расчёте наивысшего уровня воды и на его основе картографировании зоны предстоящего затопления в пик весеннего половодья или дождевого паводка, если он выше половодья, как это обычно имеет место, например, на всех реках бассейна р. Амура и Приморья. В методике краткосрочного (за несколько суток) прогнозирования наводнений в речных долинах важнейшей составной её частью является расчёт скорости добегания (продвижения вдоль долины вниз по течению реки) паводковой волны. На протяжении почти двух столетий учёными предлагалось множество различных формул расчёта скорости добегания паводковых волн (U км/с), эмпирически выведенных обычно на местном материале гидрометрических наблюдений. Наиболее удачной, на наш взгляд, простой и относительно точной и потому чаще других применяемой ранее в СССР и затем в России является формула Г.А. Алексеева: ⁄ = 15,5 ∙ ⁄ ∙ , км/сут, (1) где Q – максимальный в пик паводка расход воды, м3/сек; i – продольный уклон реки, ‰. Наша проверка этой формулы на примерах десятков крупных и средних рек Сибири и Дальнего Востока показала, что на реках с широкой поймой (рр. Обь, Иртыш, Лена, Амур в их среднем и нижнем течении) формула завышает U в 1,5–2,5 раза, а на беспойменных (особенно горных) реках, наоборот, занижает U до 2–3 раз, по сравнению со скоростью добегания паводковой волны, полученной при прослеживании изменения календарных дат пика паводка (половодья), двигавшегося вниз по течению реки, т. е. при анализе «соответственных уровней» гидрографов последовательно расположенных гидрометрических постов. С целью уменьшения отклонений расчётных по формуле Г.А. Алексеева данных от фактических нами предлагаются следующие дополнения структуры его формулы применительно к рекам с различной формой долины и русла. Для беспойменных рек и пойменных рек при низких паводках без выхода паводковых вод на пойму добавляем повышающий коэффициент a, косвенно отражающий увеличение средней скорости течения рек, пропорциональное повышающемуся уровню воды: = , (2) где – среднестатистическая ширина речного русла как функция максимального расхода воды 1 % обеспеченности Q1%, м3/с: ⁄ ,м = % ; (3) bp – средняя ширина паводкового русла беспойменной реки или расстояние между пойменными бровками на прямолинейных отрезах пойменной реки (на перегибах русла между смежными меандрами). Тогда = 15,5 ∙ ⁄ ∙ ⁄ ⁄ , (4) где Q – максимальный в пик паводка расход воды, м3/с; i – продольный уклон реки, ‰. 235 Роговские чтения Для рек с поймой, на которых при выходе паводковых вод на пойму средние скорости течения в реке снижаются, т. е. при расходах воды выше расхода 15 % обеспеченности, в формулу Г.А. Алексеева добавляем понижающие коэффициенты an и k0: ⁄ = , (5) где bp, м – то же, что и в (2); B, м –средняя ширина поймы как частное от деления площади поймы fn (км2) в пределах без- или малоприточного участка речной долины на длину участка L(км) вдоль оси долины (fn подсчитывается в пределах контура распространения «вееров блуждания русла» и старичных озер на аэро- или спутниковых изображениях): = 10 , м; (6) k0 – редукционный безразмерный коэффициент, учитывающий аккумулирующее влияние зон стоячей воды: = 0,25(2 + ), (7) где fn – то же, что и в (6); f0 – суммарная площадь участков затопляемой зоны со стоячей водой обычно в краевых частях поймы и в приустьевых участках мелких подтопляемых притоков. Формулу (7) имеет смысл использовать в интервале 0,1 < < 100, что соответствует диапа- зону 0,25 < k0 < 1,0. С учётом значений коэффициентов an и k0 формула расчёта скорости добегания паводковой волны приобретает вид: ⁄ = 15,5 ∙ ∙ ⁄ ⁄ 0,25 2 + , км/сут. (8) ⁄ Для рек с разветвлённым руслом в формуле (8) параметр bp заменяется на , м: = % . В качестве примера ниже приводится таблица результатов расчёта скорости добегания паводковой волны по некоторым рекам Сибири, в которой приняты следующие буквенные обозначения: L – длина участка реки, км; T – время прохождения паводковой волны по участку, сутки; Q1% – расход воды 1 % обеспеченности, рассчитанный для центра выбранного участка, м3/с; bф – фактическая средняя ширина русла беспойменной реки, м; U1 – скорость добегания паводковой волны, рассчитанная по формуле Г.А. Алексеева, км/сут, м; U2 – то же по формуле Г.А. Алексеева, дополненной в НГИЦ РАН, Uф – фактическая скорость добегания паводковой волны (Uф = L/T). Река, участок р. Обь, г. Сургут – г. Салехард р. Иртыш, с. Усть-Ишим – г. Тобольск р. Иртыш, г. Тобольск – г. Ханты-Мансийск р. Катунь, с. Тюнгур – с. Сростки р. Лена, п. Качуг – с. Грузновка р. Лена, д. Змеиново – г. Ленск р. Лена, с. Табога – с. Намцы р. Колыма, Усть-Бохапча – Усть-Среднекан 236 L T Q Q1% i, ‰ 1191 40 377 11 9900 10 000 0,0208 465 617 30 12 100 13 000 0,0201 376 1 4125 5250 221 2 2680 2690 691 B + bф или bф U1 U2 Uф 63,5 33,1 29,8 4000 42,6 32,6 34,3 544 12 000 44,3 20,3 20,6 1,67 302 180 118 332 376 0,548 193 230 91,5 110,5 110,5 7 21000 23600 0,132 820 900 114 104 98,8 124 2 48000 60000 0,0704 1530 1200 95 60,6 62 216 1 10400 12700 0,130 420 155 220 216 ,м 47 300 47 500 0,0216 1310 18 500 545 Секция 5 На большей части рек Сибири, особенно в приполярном поясе и в реках с широкой (многокилометровой) поймой, данные о расходах воды в соответствующих справочных пособиях отсутствуют, в связи с чем вышеперечисленные формулы там неприменимы. Для таких условий нами предлагается модель расчёта U (км/сут), учитывающая морфометрические и динамические параметры паводкового стока: 86,4( hр b V р hп B Vп ) U , км/сут, (9) hp b hп B где hp – глубина воды в русле на перекатах в паводок, м; hп – средняя глубина воды на пойме, м; Vр – средняя скорость течения в русле (при hp), м/с; Vп – средняя скорость течения на пойме (при hn), м/с. Известно, что скорость течения в русле Vр возрастает с поднятием уровня воды, но при выходе воды на пойму русловая скорость начинает снижаться («эффект Железнякова»). Нами разработана следующая модель расчета скорости течения в русле, учитывающая этот эффект: hp2/3 i1/2 Bb H Vp 0,3 , км/сут 1 K lg 0, 4 np b H оя (применяется при H H оя ≥ 0,75 и Bb b (10) ≥ 1). В формуле (10) np – коэффициент шероховатости дна русла по шкале М.Ф. Срибного или Дж. Брэдли (np = 0,025 в реках с песчаным дном, np = 0,030 – с гравийно-галечным дном и np = 0,04 – с валунным дном); K – коэффициент меандрирования реки; H – наивысший уровень воды в паводок, м; Hоя – уровень воды (над меженью), выше которого начинаются опасные явления, вызывающие затопление населенных пунктов на пойме, м. оя = % 0,5 + 0,2 ∙ lg (11) (применяется при 1 < < 100), где H1% – наивысший уровень воды 1 % обеспеченности (над меженным уровнем). Если информация о H1% для данного места (створа) долины отсутствует, то H1% может быть рассчитан по формуле [1, 2]: 0,3 Bb 0,3 1 2 b b H1% n0,6 1 p 0,67 , м (12) ( B b ) i 1 0,5 K 0,5 B b или % = , [( , ∙ ) ] , , м. (13) В речных долинах с фурцирующим (разветвлённым) многорукавным руслом определение средней ширины поймы B не вызывает затруднений. Сложнее вычисляется средняя ширина русла b (в условиях отсутствия данных о расходе воды Q1%): B = (D F)0,5, м, (14) где F – площадь водосбора (км2) для створа, находящегося в центре участка реки; D – безразмерный параметр, косвенно отражающий интенсивность снеготаянья или дождевых осадков: = , % . (15) Для большинства рек параметр D берётся интерполированием с соответствующей карты Российской Федерации М 1: 5 000 000, авторский вариант которой имеется в НГИЦ РАН. Используя эти данные и определяя площадь водосбора F, рассчитывают b для любого межприточного многорукавного участка реки, например: 237 Роговские чтения Река Обь Лена Амур b, м Участок п. Колпашево – г. Ханты-Мансийск г. Ханты-Мансийск – г. Салехард г. Якутск – устье р. Алдана устье р. Алдана – устье р. Вилюя устье р. Вилюя – п. Жиганск п. Жиганск – с. Кюсюр г. Хабаровск – г. Комсомольск г. Комсомольск – с. Софийское с. Софийское – г. Николаевск 1070 1300 1520 2300 2500 3000 1280 1200 1040 Средняя глубина воды в паводковом русле hp рассчитывается как сумма наивысшего уровня воды в паводок H и глубины на перекатах в межень: ℎ = + 0,1 , , м. (16) Среднюю скорость течения на затопленной пойме Vп предлагается рассчитывать по формулам: – на меандрирующих реках hn2 3 (i p K )1 2 Vп , (17) nn где hп – средняя глубина на пойме: H hn 1, 2 1 H H оя ; (18) H оя – на реках с разветвлённым руслом Vп где и hn2 3 i1p 2 k0 nn hn H = 0,25(2 + , (19) H оя 2 (20) ). Достоверность расчётов по всем предлагаемым формулам снижается при впадении на участке реки крупных притоков, на которых паводки могут оказаться выше, чем на основной реке, и существенно нарушать, тем самым, закономерный процесс прохождения по ней паводковой волны. Поэтому расчёты скорости добегания волны паводка необходимо проводить индивидуально по каждому малоприточному участку реки. В качестве примера ниже даётся расчёт U км/сут для разветвлённого многорукавного участка реки Амур на участке г. Хабаровск – г. Комсомольск, на котором паводковая волна проходила с 20.09.1959 по 29.09.1959 (при отсутствии данных о расходе воды): B + b = 17 000 м, b = 1280 м, i = 0,000054, H = 8,96 м, H1% = 9,84 м, hp = 12,2 м, оя = 9,84 0,5 + 0,2 ∙ lg ℎ = 8,96 − 7,12⁄2 = 5,40 м; = 238 , ⁄ ∙ , , ⁄ 1 − lg = 7,12 м; = 0,25(2 + lg 3) = 0,618; 0,4 , , − 0,3 = 1,20, м/с; = 3, Секция 5 = = при , ( , ⁄ ⁄ ∙ , ∙ , , , ∙ ∙ , ∙ , ∙ , , ∙ факт ∙ , = км сут = 0,278 м/с; ) =36,5 км/сут; = 38,5 км/сут. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Лебедев, В.В. Дистанционное определение наивысших уровней воды рек при отсутствии гидрометрических наблюдений / В.В. Лебедев, Е.И. Куприянова, В.Н. Орлянкин // ДАН. – 2012. – Т. 445. – Вып. 1. – С. 94–97. 2. Orlyankin, V.N. Technology of emergence situation short-term forecasting when flood within the river valley / V.N. Orlyankin // Geoinformation sciences and environment development: new approaches, methods, technologies. Collection of articles of II International conference (Limasol, Cyprus, May 5–9, 2014). –Rostov-on-Don, 2014. – P. 13–16. 239 Роговские чтения УДК 502.132 ПРИМЕНЕНИЕ БИОИНДИКАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Ю.А. Шумкина, В.А. Королёв Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия E-mail: shumkina7@mail.ru Предложена методика эколого-геологической оценки урбанизированных территорий на основе биоиндикационного мониторинга. Описана методика проведения биоиндикации с помощью определения коэффициента симметрии листовых пластин древесных растений, методика проведения биоиндикационного мониторинга, а также их применение для эколого-геологической оценки юго-восточного административного округа г. Москвы. Ключевые слова: биоиндикация, мониторинг, урбанизация, коэффициент симметрии. За многовековую историю деятельность человека привела к глобальным изменениям среды своего обитания. Урбанизация территорий сопровождается глубоким антропогенным изменением природы, заменой естественных экосистем урбосистемами. Ухудшение экологической обстановки урбанизированных территорий требует экологического подхода к решению проблем охраны природы – мониторинга. В практике эколого-геологического мониторинга разработано и широко используется большое количество методов и приемов биоиндикации. Их применение дает прямую информацию о реакции организмов на загрязнение, что позволяет изучать последствие антропогенного воздействия на окружающую среду. Физиологические и биохимические признаки растительных биоиндикаторов позволяют установить нарушения на ранних стадиях антропогенного воздействия на экосистемы. Кроме того, биоиндикация является одним из надежных методов оценки качества урбанизированных территорий [1, 6]. В настоящее время методика проведения биоиндикационного мониторинга урбанизированных территорий остается все еще не достаточно разработанной. Существует достаточное количество литературы и публикаций, в которых описаны методики проведения биоиндикации. Предприняты лишь единичные попытки применения методов биоиндикации для оценки качества среды. Отсутствие общей методики проведения подобных исследований, а также многообразие биоиндикаторов, отсутствие эколого-геологической интерпретации результатов затрудняют проведение биоиндикационного мониторинга. Авторами была предпринята попытка разработать методику проведения биоиндикации и биоиндикационного мониторинга, позволяющего дать оценку эколого-геологического состояния ЭГУ урбанизированной территории на примере ЮВАО г. Москвы. В качестве объекта исследования изучали верхние горизонты литосферы Юго-Восточного административного округа г. Москвы, как абиотический компонент эколого-геологической системы урбанизированной территории. Юго-Восточный административный округ является одним из самых загрязненных в Москве. На состояние природной среды влияют предприятия-загрязнители: Капотненский нефтеперерабатывающий комбинат, Люблинский литейно-механический завод, завод «Автофрамос» (бывший АЗЛК), а также крупные автомагистрали (Волгоградский проспект и др.). Одним из наиболее информативных показателей техногенного загрязнения территории ЮВАО г. Москвы являются грунты, особенно их верхняя часть – почвенный слой. Основная часть металлов поступает в грунты за счет атмосферных выпадений и их распределение в грунтах можно рассматривать как долговременный индикатор степени экологического благополучия или неблагополучия городских территорий. Очаги техногенного загрязнения грунтов в ЮВАО г. Москвы представляют собой избыточную концентрацию в грунтах не одного, а целого комплекса химических элементов. Кроме того, большинство промышленных предприятий г. Москвы специализируются на металлообработке и машиностроении, приборостроении, радио- и электротехническом производствах, для 240 Секция 5 которых характерна поставка в окружающую среду меди, цинка, свинца, молибдена, вольфрама, кобальта, никеля и ряда других химических элементов. В качестве объекта биоиндикации использовали тополь бальзамический Populusbalsamifera. Он широко распространен в Москве, неприхотлив, газоустойчив, хорошо переносит полутень, листья обладают четко выраженной билатеральной симметрией, что является важным условием осуществления предлагаемой методики. Также в качестве биоиндикатора исследовали травяную растительность, растущую непосредственно под наблюдаемым тополем. Методика биоиндикации урбанизированных территорий для целей мониторинга проводится в несколько этапов. На первом этапе определяется масштаб исследований, который может включать всю урбанизированную территорию в целом, отдельные административные или промышленные районы, наиболее проблемные городские участки. Выбираются биотопы с различной техногенной нагрузкой. Далее по выбранной территории создается информационная база, производится сбор и систематизация фондовой, опубликованной, административной и статистической информации. Параллельно выполняется сбор материалов по геологическим, гидрогеологическим, инженерно-геологическим, геохимическим, геофизическим, почвенным и другим природным условиям, формирующим экологические функции изучаемой геологической среды. Собранные материалы тщательно анализируют, выбирают наиболее информативный древесный биоиндикатор, обладающий билатеральной симметрией. На исследуемой территории было выделено 5 биотопов с различной техногенной нагрузкой: территории парков (Печатники, Кузьминки-Люблино), жилых микрорайонов, территории общего назначения (спортивный комплекс АЗЛК), автомобильные дороги (Волгоградский проспект, промышленные районы (завод Автофрамос, ЛЛМЗ). На втором этапе в установленных временных рамках (с мая по сентябрь) осуществляется сбор фактического материала (листовых пластин, почв, травяной растительности) с выбранных биотопов. Затем выполняется подготовка собранного материала для исследований. Листовые пластины высушиваются, обрабатываются для расчета коэффициента симметрии Kсим по формуле: Kсим = ∑mм/∑mб, где ∑mм – сумма масс меньших половинок листовых пластин; ∑mб – сумма масс больших половинок листовых пластин. По разработанной методике было обработано 210 листовых пластин для расчета коэффициентов симметрии Ксим листовых пластин. Наименьшие значения Kсим были зафиксированы в рекреационной зоне (парк Печатники), наименьшие – в промышленном районе завода Автофрамос (бывший АЗЛК). По значению Kсим все биотопы можно расположить в следующем порядке: парки > территории общего назначения > жилые микрорайоны > автомобильные дороги > промышленные районы. Все собранные образцы листовых пластин, почв, травяной растительности подвергались спектральному анализу для определения их элементного состава на приборе Спектроскан MAX GV.Для подтверждения существования причинно-следственной связи между Kсим и содержанием элементов в почвах были рассчитаны коэффициенты корреляции между этими величинами. Результаты корреляционного анализа между Kсим листовыми пластинами и концентрациями элементов в почвах были проанализированы, отсортированы по характеру взаимосвязи: весьма тесная, тесная и слабая. Элементы, обладающие тесной и весьма тесной обратной корреляцией с коэффициентом Kсим листовых пластин, использовали для построения оценочных диаграмм [7–10]. Была разработана методика построения оценочных диаграмм, которая заключается в следующем: для каждого биотопа рассчитывают суммарный показатель загрязнения Zc в каждом месяце; строят графики изменения Kсим и Zc для почв в вегетационном периоде; полученные зависимости аппроксимируют и строят график зависимости Kсим от Z c; на график наносят градационные уровни Zc = 8, Zc = 16, Zc = 32. Полученный график является оценочной диаграммой экологического состояния экосистем в определенном биотопе. В работе были получены 5 типов оценочных диаграмм: для парков (рекреации), для территорий жилых микрорайонов, для территорий общего назначения, для территории автомобильных автодорог, для промышленных районов. Наряду с разработанной методикой были построены и проанализированы для сравнения оценочные диаграммы с использованием методики геоэкологической биоиндикации георисков, предложенной И.И. Косиновой и др. (2012) [4]. 241 Роговские чтения С помощью данной методики можно проводить биоиндикационный мониторинг любых городских участков, районов или города в целом на основе предложенного метода, описанного далее. Полученные оценочные диаграммы затем используются для определения состояния экологогеологических условий изучаемой территории. Для этого с помощью полученных графиков по экспериментальному значению Kсим листовых пластин тополя (Populusbalsamifera) определяется значение Zc почв и делается вывод о состоянии ЭГУ на изучаемой территории: экологическая норма, экологический риск, экологический кризис, а также об опасности содержания токсичных элементов в эколого-геологических системах [5]. Аналогично используют оценочную диаграмму второго типа (по методике И.И. Косиновой и др., 2012), только в этом случае на оценочный график наносят экспериментальное значение Ксим в соответствующем месяце [4]. Согласно оценке с использованием полученных оценочных диаграмм эколого-геологическое состояние исследуемой территории в 2013 г. соответствовало экологической норме и экологическому риску с умеренно опасным и опасным содержанием токсичных элементов. Ни в одном пункте наблюдения состояния экологического кризиса зафиксировано не было. Оценочные диаграммы, составленные и обоснованные двумя методами, дают весьма схожую комплексную оценку экологогеологического состояния городской среды, позволяют наглядно оценивать его динамику, а также позволяют проводить экологический мониторинг городских экосистем. Для прогнозирования возможных изменений объекта наблюдений будем использовать модель временных рядов. Для прогнозирования значений Kсим в следующем вегетационном периоде предполагается использовать программу MicrosoftExcel: с помощью функции «предсказание» вычислять теоретическое значение зависимой переменной (в данном случае Kсим) в фиксированной точке аргумента; либо с помощью использования инструмента анализа «экспоненциальное сглаживание» при рекомендуемой константе сглаживания а = 0,3. Функциональная структура биоиндикационного мониторинга на основе вышеописанной методики в общем виде состоит из следующих этапов [1–3]: 1) определяются пункты наблюдения (СППИНФ): участок, район или территория городской агломерации, испытывающая различную степень техногенной нагрузки, включая полное ее отсутствие; 2) в каждом пункте проводится ежемесячный сбор с мая по сентябрь листовых пластин биоиндикатора; 3) по собранным листьям определяется Kсим; 4) по вышеописанной методике с использованием оценочных диаграмм и найденных значений Kсим ежемесячно проводится оценка состояния ЭГУ изучаемой территории: экологическая норма, экологический риск или экологический кризис; 5) на основе полученных данных и их динамики во времени, а также опираясь на прогнозную модель (например, модель временных рядов) прогнозируются возможные изменения ЭГУ объекта исследования; 6) принимаются рекомендации и управляющие решения по снижению техногенного воздействия на эколого-геологические системы; 7) затем позиции 2–6 циклически повторяются. Применение метода биоиндикации в экологическом мониторинге городских агломераций позволит получать постоянно обновляемую информацию об экологическом состоянии исследуемых территорий. Полученные результаты исследований, а именно разработанная методика биоиндиакционного мониторинга и полученная эколого-геологическая оценка ЮВАО г. Москвы, в дальнейшем могут быть использованы изыскательскими организациями города для принятия проектных решений; разработанная методика проведения биоиндикационного мониторинга и его результаты могут быть использованы экологическими организациями города при создании системы эколого-геологического мониторинга, а также служить его информационной базой. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ашихмина, Т.Я. Экологический мониторинг / Т.Я. Ашихмина ; под ред. Т.Я. Ашихминой. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М. : Академический Проект, 2006. – С. 48–52. 2. Королёв, В.А. Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем / В.А. Королёв ; под ред. В.Т. Трофимова. – М. : КДУ, 2007. 242 Секция 5 3. Королёв, В.А. Мониторинг геологической среды / В.А. Королёв ; под ред. В.Т. Трофимова. – М. : Изд-во МГУ, 1995; 4. Косинова, И.И. Методика геоэкологической биоиндикации георисков техногенно-трансформированных территорий / И.И. Косинова, О.В. Базарский, С.Н. Козинцев // Геориск. – 2012. – № 3. – С. 22–25. 5. Косинова, И.И. Методы эколого-геохимических, эколого-геофизических исследований и рациональное недропользование / И.И. Косинова, В.А. Богословский, В.А. Бударина. – Воронеж : ВГУ, 2004. 6. Опекунова, М.Г. Биоиндикация загрязнений / М.Г. Опекунова. – СПб. : Изд-во СПб. ун-та, 2004. – С. 8–40, 218–225. 7. Шумкина, Ю.А. К методике применение биоиндикации в системе экологического мониторинга городских агломераций / Ю.А. Шумкина // Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред : тезисы докладов Международной конференции, 2013. – С. 247. 8. Шумкина, Ю.А. Методика определения коэффициента симметрии для целей биоиндикации на городских территориях / Ю.А. Шумкина // Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы, (Молодые в науке) : материалы третьей научно-практической конференции. – Воронеж : Цифровая полиграфия, 2013. – С. 170. 9. Шумкина, Ю.А. Методика проведения экомониторинга городских территорий с помощью биоиндикации / Ю.А. Шумкина // Ломоносов 2013 : электронный сборник материалов ХХ Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М., 2013. 10. Шумкина, Ю.А. Применение методики биоиндикации в эколого-геологическом мониторинге городских агломераций / Ю.А. Шумкина // Ломоносов 2014 : электронный сборник материалов ХХI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М., 2014. 243 Секция 6. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ, БЕЗОТХОДНЫЕ И МАЛООТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 666.151.2 БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА С НАНОСОCТАВЛЯЮЩИМИ Л.М. Алтарева1, Б.С. Семухин1,2 1Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, 2Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск, Россия Рассмотрены вопросы безопасности технологии получения пеностеклокристаллических материалов с наносоставляющими на основе стеклогранулята. Рассчитано «дерево отказов» и потенциальные риски. Показана высокая технологичность и экологическая безопасность технологии производства пеностекла. Ключевые слова: пеностеклокристаллический материал, риски, экологическая безопасность. В Федеральном Законе РФ от 30.12.2009 № 384-фз «О безопасности зданий и сооружений» прописаны основные требования к производству и применению современных строительных материалов с точки зрения безопасности для жизни и здоровья граждан, их имущества, экологической безопасности и, что очень важно, с целью предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей [1]. Последний пункт чрезвычайно важен в условиях современного свободного рынка строительных и отделочных материалов в России. Разработка новых строительных материалов с улучшенными физико-химическими и механическими характеристиками является актуальной задачей современного материаловедения строительных материалов. Особенно интересны разработки материалов с наноструктурными составляющими, так как сами наночастицы или их комбинации обладают уникальными энергетическими возможностями модификации всей матрицы материала, а значит и их основных свойств. Использование наноструктурных и наноразмерных компонентов в строительных материалах возможно лишь при наличии высокотехнологичного современного производства, в котором исключены всяческие риски. Наличие таких рисков может привести к необратимым последствиям для проживания и работы людей в строениях, в которых использованы материалы с наноструктурурными компонентами. Поэтому разработка технологии производства строительных материалов с наноструктурой невозможна без анализа и расчета рисков, могущих возникнуть при производстве. Целью настоящей работы является анализ рисков при начальной стадии производства стеклогранулята, являющегося исходным сырьем для получения пеностеклокристаллического материала (ПСКМ) теплоизоляционного назначения. ПСКМ представляет собой объемный строительный материал, включающий наноразмерные структурные элементы, повышающие прочностные характеристики готового изделия (блоки, плиты, гранулы). Согласно ФЗ РФ № 384 при разработке, производстве и эксплуатации строительных материалов необходимо соблюдать требования безопасности механических, химических, радиационных, биологических, противопожарных характеристик, безопасности для здоровья человека. Важным преимуществом силикатных пеностеклокристаллических материалов в сравнении с некоторыми природными и полимерными изоляционными материалами является их минеральный неорганический химический состав. Благодаря этому ПСК материал устойчив против гнили, микроорганизмов, действия высоких температур, кислот, щелочей, не выделяет токсичных веществ. Это 244 Секция 6 ставит его в ряд экологически чистых устойчивых материалов. Применение ПСКМ в строительстве позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций, снизить расход основных строительных материалов, облегчить строительные и защитные конструкции индустриализировать строительные работы, удешевить строительство, снизить эксплуатационные работы и, в целом, уменьшить затраты на отопление зданий. Основные технологические принципы производства ПСКМ базируются не только на основе применения природных минеральных сырьевых ресурсов, но и на утилизации отходов стекла, техногенных (золы и шлаки ТЭЦ) отходов. Это позволяет уменьшить загрязнение воздуха, сократить общее количество твердых отходов, а значит, снизить площади, занятые отвалами и свалками, уменьшить на 6 % расход энергии, на 50 % чистой воды и 54 % на расходы естественных ресурсов. Утилизация промышленных отходов и уменьшение промышленных выбросов в атмосферу неразрывно связаны с технико-экономическими вопросами ресурсо- и энергосбережения, а также экологическими аспектами охраны окружающей среды. Производство пеностекла является одним из эффективных направлений утилизации промышленных и бытовых отходов стекла. В тоже время проблема переработки стеклобоя по-прежнему актуальна, так как стекло до сих пор остается одним из наиболее трудно утилизируемых составляющих твердых бытовых отходов. Процент его вторичного использования для развитых западноевропейских стран в 2001 г. составлял от 24 до 92 %. При этом эффективно используется сортовой стеклобой, в то время как смешанные отходы стекла складируются на полигонах бытовых отходов. Недостающее для изготовления пеностекла количество стеклобоя производится по традиционной стекольной технологии, включающей стекловарение в промышленных печах. Процесс варки стекла связан с образованием значительного количества газообразных пылевоздушных и дымовых выбросов, содержащих продукты сгорания топлива (CO2, NxOy и др.) и пыль в виде твердых частиц (B2O3, Fe2O3, As2O3). Поэтому с учетом ряда технологических и экономических особенностей стекловарения актуальной задачей является предварительный синтез стеклогранулята из природного или техногенного сырья по энергосберегающей технологии, минуя процесс варки стекла. Низкотемпературный синтез стеклогранулята является с одной стороны экономически целесообразным благодаря отсутствию таких энергоемких операций стекловарения, как осветление и гомогенизация стекломассы. С другой стороны это путь к снижению вредных выбросов, в виде отходящих дымовых газов стекловаренных печей. В Томском политехническом университете (Россия) разработан способ получения пеностекла через промежуточный продукт (стеклогранулят), который получают термообработкой шихты при температурах, не превышающих 950 оС. Стеклогранулят является исходным материалом для последующего вспенивания и получения пеностекла с заданными характеристиками [2]. Обеспечение экологической безопасности относится к приоритетным направлениям деятельности во всех развитых странах. В настоящее время сложился определенный подход к оценке опасностей направленных как на человека, так и исходящих от него. Этот подход основан на измерении риска. Суть которого заключается в оценке и измерении различных видов опасностей в рамках единой теории. Опасности могут быть обусловлены авариями на предприятиях, загрязнением окружающей среды при их эксплуатации, природными катастрофами или повседневной человеческой деятельностью [3, 4]. Исследованиям по риску различной природы посвящено большое количество публикаций [5–7]. В данном работе рассмотрена прогнозная составляющая экологического риска в технологии производства ПСКМ, получаемого на основе стеклогранулята. Процесс проведения анализа риска включает следующие основные этапы: планирование и организацию работ; идентификацию опасностей; оценку риска; разработку рекомендаций по уменьшению риска [8, 9]. Идентификация опасностей – выявление и описание всех источников опасностей и возможностей их реализации. При идентификации определяют, какие технические устройства, технологические процессы при производстве требуют глубокого анализа и являются наиболее опасными, а какие из них представляют меньшую опасность. Для идентификации экологических опасностей рекомендуется использовать один из нескольких методов анализа риска, приведенных ниже. Первый метод – качественная оценка, основанная на изучении соответствия условий эксплуатации объекта. Метод наиболее эффективен при исследовании безопасности объектов с известной 245 Роговские чтения технологией. Так как технология производства пеностеклокристаллического материала является новой [10] и еще не применяется в промышленности, то данный метод не используется. Второй метод – анализ видов и последствий отказов и работоспособности. Метод используется при отклонениях технологических параметров (температуры, давления и пр.) от уже разработанных регламентных режимов. На стадии разработки проектных решений изучаются условия, и разрабатывается комплекс вопросов высокой устойчивости деятельности предприятия в случае различных критических ситуаций, которые относятся к экологическим и производственно-экономическим рискам. К вопросам производственной и экологической безопасности относятся, в частности: – пожаро-, и взрывобезопасность технологических процессов; – процессы с использованием вредных и опасных сырьевых материалов; – использование газовых систем и оборудования, работающего под давлением; – энергосистемы и сложное теплотехническое оборудование – печи, котлы и т. п. Третий метод – оценка вероятности возникновения экологически опасных событий при производстве новых видов материалов. Как показывает практика для выявления причинно-следственных связей возможных аварийных ситуаций достаточно использовать логико-графические методы анализа типа «деревьев отказов» и «деревьев событий». При анализе «деревьев отказов» рассматриваются различные комбинации отказов оборудования, нерасчетные внешние (техногенные) воздействия, приводящие к аварийной ситуации. Поэтому анализ экологических рисков при получении стеклогранулята и пеностеклокристаллического материала проведен с использованием данного метода. Шихта для стеклогранулята обрабатывается в гранулированном виде на типовом стандартном оборудовании – во вращающихся печах, которое является более простым в обслуживании в сравнении с непрерывно работающими стекловаренными печами. Обработка шихты в гранулированном виде обеспечивает быстрый, равномерный прогрев гранул, рост химической активности и сохранение химической однородности шихты. При этом переход шихты в расплавленное состояние происходит постепенно, без полного разрушения гранул, т. к. быстрый рост количества жидкой фазы приводит к полному растеканию и слипанию. В качестве газообразователей можно использовать твердые углеродсодержащие материалы (кокс, сажа, антрацит, уголь) и жидкие (глицерин с жидким стеклом). В структуре «дерева отказа» выделено одно главное событие, которое связано с целой группой нижестоящих событий, образующих причинные цепи. Для связи между событиями в узлах «деревьев» используются знаки «И» и «ИЛИ». Для того, чтобы отыскать и наглядно представить причинную взаимосвязь с помощью дерева отказов, необходимы элементарные блоки, подразделяющие и связывающие события. Имеется два типа блоков: логические символы и символы событий. Логические символы связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями. Логический символ может иметь один или несколько входов, но только один выход, или выходное событие. Логический знак «ИЛИ» . Выходное событие логического знака ИЛИ наступает в том случае, если имеет место любое из входных событий. Параметрический отказ будет иметь место, если будет реализовано следующее событие: – ошибочный расчет условий оптимального режима термообработки шихт – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – отказ термопары – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – отказ датчика времени – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – ошибочно подобраны технические характеристики печи – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи. Функциональный отказ произойдет, если будут реализованы приводимые ниже прогнозируемые события: – попадание металлических предметов – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – увеличение просыпи подаваемого материала – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; 246 Секция 6 – неправильная установка ротора – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – износ приводного ремня – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – перегрев подшипников – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – поступление влажного материала – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи; – повреждение корпуса – нарушение технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи. На основе рассмотренных причинно-следственных связей составлено «дерево отказов» при нарушении технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи. Установлено, что возможны как параметрический, так и функциональный отказы. Параметрический отказ вероятен в случае нарушения оптимального режима термообработки шихты. Функциональный отказ может иметь место при поступлении материала в печь с повышенной влажностью. При нарушениях технологического процесса получения стеклогранулята в обоих случаях возникает угроза экологического риска, связанная с утилизацией некондиционного стеклогранулята. Из анализа «дерева отказов» при нарушении технологического процесса получения стеклогранулята во вращающейся печи следует, что наиболее вероятной причиной нарушения технологического процесса являются функциональные отказы. Таким образом, анализ технологии получения стеклогранулята показал высокую технологичность и безопасность производства пеностеклокристаллического материала. Эксплуатация любого производственного объекта, так или иначе, сопровождается рядом инцидентов, в отдельных случаях, приводящих к выходу из строя оборудования. По результатам анализа и выявленных причин нежелательных событий в целях снижения производственных и экологических рисков для предприятий по производству ПСКМ в обязательном порядке предусматривается ряд мероприятий, необходимых для их устранения, направленные на снижение и предупреждение ошибок ведущих к нарушению технологического процесса: – системы сигнализации и автоматического пожаротушения, устройство специальных пожарных водоемов на промплощадке предприятия; – дублирование систем электроснабжения, организация систем резервного топлива, а также организация независимых источников электроэнергии – дизель-генераторы для печей и т. п.; – подготовка и обучение квалифицированного обслуживающего персонала; – разработка техрегламента организации производства ПСКМ и обслуживания технологического оборудования; – разработка мероприятий по действиям персонала в условиях отклонения технологического режима производства и исключения экологического и производственного риска. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» //Российская газета. – 2009. – 31 декабря. – № 5079. 2. Пат. 2326841 РФ. Способ получения гранулята для производства пеностекла и пеностеклокристаллических материалов / Абияка, А.Н., Верещагин В.И., Казьмина О.В. ; опубл. 20.06.08. 3. Безопасность жизнедеятельности в машиностроении / В.Г. Еремин, В.В. Сафронов, А.Г. Схиртладзе [и др.]. М. : Академия, 2008. 382 с. 4. Трифонов, К.И. Физико-химические процессы в техносфере / К.И. Трифонов, В.А. Девисилов. – М. : Форум; ИНФРА-М, 2010. 239 c. 5. Осипова, Н.А. Техногенные системы и экологический риск / Н.А. Осипова. – 2-е изд. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – 111 с. 6. Швыряев, А.А. Оценка риска воздействия загрязнения атмосферы в исследуемом регионе / А.А. Швыряев, В.В. Меньшиков. – М. : Из-во МГУ, 2004. – 124 с. 7. Меньшиков, В.В. Опасные химические процессы и техногенный риск / В.В. Меньшиков, А.А. Швыряев. – М. : Из-во МГУ, 2003. – 86 с. 8. ГОСТ Р 22.1.12–2005. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами здания и сооружений. Общие требования. – М. : Изд-во стандартов, 2005. – 23 с. 9. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов РД 03-418-01. – 2002. 247 Роговские чтения УДК 502.174.1:691 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОТХОДОВ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАЗАХСТАНА Т.М. Байтасов, Е.Е. Сабитов, Ф.Б. Абдушкуров ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан Необходимость развития национально-инновационной системы модернизации производства строительных материалов, изделий и конструкций актуальна для обеспечения требуемых темпов строительства и развития этой отрасли в одном из ведущих направлений экономического развития. Для этого необходимо создать новые высокоэффективные ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов с заданными строительно-эксплуатационными свойствами. Повышенный спрос на строительные материалы многофункционального назначения ставит задачу по созданию материалов, свойства которых определяются не только исходным составом, но в значительной степени технологическими приемами. Также известно, что строительная промышленность относится к наиболее материалоемким отраслям народного хозяйства и способна перерабатывать попутные продукты и отходы различных производств в полезную продукцию. В связи с вышеизложенными, с целью получения строительного материала, нами были изучены и исследованы отходы бурения нефтяных месторождений Западного Казахстана. Как известно, нефтяные загрязнения наносят непоправимый вред окружающей среде. Наибольшую опасность для объектов природной среды представляют производственно-технологические отходы бурения, которые накапливаются и хранятся непосредственно на территории буровой. Их можно разделить на буровой шлам и нейтральный грунт. В начале лабораторным методом были определены радиоактивность данных материалов. Установлены классы отходов по удельной эффективности естественных радионуклидов [1]. Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Результаты радиоактивности бурового шлама Наименование показателей Единица измерений К 40 Th 262 Ra 226 Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг, до Наименование НД на методы испытаний Норма по НД Фактические значения 1422,0 211,0 56,52 13,23 75,73 20,72 ГОСТ 30108–94 До 370 = 303 Таблица 2 Результаты радиоактивности нейтрального грунта Наименование показателей Единица измерений К 40 Th 262 Ra 226 Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг, до Наименование НД на методы испытаний Норма по НД Фактические значения 1273,0 192,9 60,58 13,68 69,16 19,8 ГОСТ 30108–94 До 370 = 288 Результаты испытаний показывают, что образцы из доставленной пробы, по фактическим значениям удельной эффективной активности естественных радионуклидов относятся к 1 классу материалов. Отходы можно применить во всех видах строительства без ограничений. 248 Секция 6 Далее были определены химический состав отходов. Результаты приведены в табл. 3 и 4. Таблица 3 Химический состав бурового шлама № п/п Наименование показателей 1 Влажность, % Потери при прокаливании – (обжиг при 1000 °С), % Содержание оксида кремния – SiO2, % Содержание оксида железа – Fe2O3, % Содержание оксида кальция – CaO, % Содержание оксида магния – MgO, % Содержание общей серы, в пересчёте на SO3, % Содержание оксида алюминия – Al2O3, % 2 3 4 5 6 7 8 НД на методы испытаний ГОСТ 5382, п. 2 – Фактические результаты 0,87 ГОСТ 5382, п. 4 – 20,21 ГОСТ 5382, п. 5 ГОСТ 5382, п. 8 ГОСТ 5382, п. 7 ГОСТ 5382, п. 7 – – – – 38,40 3,19 19,63 2,41 ГОСТ 5382, п. 11 – 2,27 ГОСТ 5382, п. 9 – 10,2 Норма по НД Таблица 4 Химический состав нейтрального грунта № п/п Наименование показателей 1 Влажность, % Потери при прокаливании – (обжиг при 1000 °С), % Содержание оксида кремния – SiO2, % Содержание оксида железа – Fe2O3, % Содержание оксида кальция – CaO, % Содержание оксида магния – MgO, % Содержание общей серы, в пересчёте на SO3, % Содержание оксида алюминия – Al2O3, % 2 3 4 5 6 7 8 НД на методы испытаний ГОСТ 5382, п. 2 – Фактические результаты 0,77 ГОСТ 5382, п. 4 – 19,31 ГОСТ 5382, п. 5 ГОСТ 5382, п. 8 ГОСТ 5382, п. 7 ГОСТ 5382, п. 7 – – – – 38,4 2,83 19,86 2,25 ГОСТ 5382, п. 11 – 2,80 ГОСТ 5382, п. 9 – 8,16 Норма по НД Последующие наши исследования будут идти в направлении применимости отходов при производстве модифицированных вяжущих веществ и при производстве керамических изделий. Кроме того, важным является экспериментальные данные натурных испытаний, внедрение результатов исследований в производство, отработка способов подготовки исходных компонентов и их взаимного распределения, что должно быть основано на результатах объемных экспериментальных исследований. Исследования этих и других проблем позволяет решить актуальную задачу по дальнейшему исследованию свойств отходов нефтяных месторождений и разработке рекомендации по их применению в производстве строительных изделий и конструкций. 249 Роговские чтения УДК 699.86.001.63 ВЛИЯНИЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПЕНОСТЕКОЛЬНОГО МАТЕРИАЛА А.В. Вотинов1, Б.С. Семухин1,2 1 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, 2 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск, Россия E-mail: chillerus@gmail.com В настоящей статье рассмотрены экспериментальные результаты измерения коэффициента теплопроводности пеностекольного материала, с добавками наночастиц диоксида циркония, и связанные с ним характеристики самого материала. Количество диоксида циркония, введенное в пенообразующую смесь, составило от 0,3 до 1,1 мас. % (с шагом 0,2 %). По итогам исследования, образцы показали уменьшение теплопроводности вплоть до 20 %, что свидетельствует о существенном изменении структуры пеностекла, которая приводит к увеличению теплоизоляционных свойств. Данные свойства определяются в основном макроструктурой материала и его плотностью, наличием свободного пространства в виде пор. Ключевые слова: теплопроводность, наночастицы, диоксид циркония, пеностекло, макроструктура. Пеностекло представляет собой пористый материал, состоящий из воздушных ячеистых пор (80–95 %), замкнутых или сообщающихся между собой, разделенных перегородками из стекловидного вещества. Такая структура и неорганическая природа материала придают ему уникальные свойства: негорючесть, влагонепроницаемость, низкий коэффициент теплопроводности (0,04–1,0 Вт/мК), относительно высокую прочность на сжатие (0,5–1,5 МПа) [1, 2]. Пеностекло является эффективным строительным материалом, который конкурирует с классическими полимерными и волокнистыми теплоизоляционными материалами [3]. Термическая стабильность, пожаробезопасность, долговечность обеспечивают явные преимущества перед полимерными материалами. Технологическая гибкость процесса позволяет выпускать пеностекло в различном виде (щебень, гранулы, плиты, блоки). В настоящее время активно ведутся исследования в области пеностекла, как в Российскими учеными, так и зарубежными, так как его производство имеет большие экономические и экологические выгоды [4–8]. Интерес к данному материалу обусловлен с одной стороны возможностью вторично использовать различные виды отходов стекла, такие как оконное стекло, стеклянная тара, стекло электронно-лучевых трубок, отходы стекла, получаемые при демонтаже телевизоров и компьютеров, стекло люминесцентных ламп. С другой стороны, интерес объясняется универсальностью данного материала и сочетанием таких свойств как пожаробезопасность, долговечность и экологичность. Свойства пеностекла во многом зависят от его макро- и микроструктуры, изменять которую можно путем введения модифицирующих добавок. Физико-механические свойства пеностекла определяются размером, формой, однородностью распределения пор, толщиной межпоровой перегородки, а также составом и структурой межпоровой перегородки (далее аморфная матрица). Присутствие микро- и наноразмерных частиц кристаллической фазы без образования концентрации напряжений на границе раздела в аморфной матрице можно добиться путем кристаллизации. Однако данный подход является технически сложным и энергетически затратным, так как требует специальной термической обработки длительной продолжительности. В случае сильного развития кристаллизации можно добиться обратного эффекта и снизить прочность готового пеностекла. Поэтому представляет интерес введение в аморфную матрицу частиц кристаллической фазы заведомо находящихся в наноразмерном состоянии. Цель данной работы – установить влияние модифицирующей добавки в виде наноразмерного диоксида циркония на теплоизоляционные свойства пеностекла. Для исследований выбран циркониевый концентрат высокой чистоты с содержанием ZrO2 99,9 % и средним размером частиц 30 нм, полученный методом плазмохимического синтеза (таблица). Выбор диоксид циркония обусловлен его высокой устойчивостью и нерастворимостью в силикатном расплаве 250 Секция 6 при температурах вспенивания (в среднем 850 °С). Диоксид циркония известен как компонент, эффективно повышающий устойчивость стекловидной фазы практически ко всем реагентам. Химический состав стекла и наноразмерного диоксида циркония Материал Стекло Диоксид циркония Содержание оксидов и элементов, мас. % Fe2O3 CaO MgO Na2O SiO2 Al2O3 71,9 0,60 0,10 5,50 3,20 ZrO2 99,928 Fe 0,026 Si 0,015 Al 0,003 Cr 0,019 K2O BaO 16,10 0,80 1,80 Ni 0,006 Ti 0,003 Влага 0,34 Количество диоксида циркония, добавляемое в пенообразующую смесь, составило от 0,3 до 1,1 мас. % (с шагом 0,2). Пеностекло получали порошковым способом из стекла, химический состав которого приведен в таблице, с удельной поверхностью 6000 см2/г. В качестве газообразователя использована сажа в количестве 0,5 мас. %. Максимальная температура вспенивания смеси 850 °С, с выдержкой при данной температуре 20 мин. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента теплопроводности пеностекла от добавок наноразмерного диоксида циркония в массовых процентах. Зависимость линейная, с коэффициентом корреляции R = 0,89. Такая зависимость позволяет сделать вывод о значительном влиянии добавок наноразмерных частиц на процесс пенообразования и стеклования. Уменьшение коэффициента теплопроводности на 20 % свидетельствует о существенном изменении структуры пеностекла, которая приводит к увеличению теплоизоляционных свойств. Данные свойства определяются в основном макроструктурой материала и его плотностью, наличием свободного пространства в виде пор. Рассмотрим, как связана структура материала с изменением коэффициента теплопроводности. Коэффициент теплопроводности , Вт/м К 0.066 0.064 0.062 0.060 0.058 0.056 0.054 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ZrO2, мас.% Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности пеностекла от содержания наноразмерного диоксида циркония Из рис. 2, где представлены фотографии поровой структуры видно, что в случае добавки ZrO2 в количестве 1,1 % резко возрастает число пор с большими размерами. Увеличение свободного объема следует и из рис. 3, где показана линейная зависимость коэффициента теплопроводности пеностекла от его средней плотности. Зависимость существенно линейна с коэффициентом корреляции R = 0,98 и говорит о том, что при максимальной добавке наночастиц образуется макроструктура с большими свободными объемами. Таким образом, установлено, что увеличение количества добавки наноразмерного диоксида циркония с 0,3 до 1,1 мас. % приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности и плотности материала. При этом наблюдается увеличение среднего размера пор. 251 Роговские чтения а б Коэффициент теплопроводности,Вт/м К Рис. 2. Поровая структура пеностекла с добавкой ZrO2 в количестве: a – 0,3 %; б – 1,1 % 170 165 160 155 150 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Плотность пеностекла,кг/м 1.0 1.2 3 Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности пеностекла от его плотности Данные зависимости свидетельствуют о сложных процессах, происходящих при взаимодействии наночастиц с огромной поверхностной энергией с расплавом силикатного стекла и образованием замкнутого свободного объема в виде пор. Известно, что кристаллический диоксид циркония сильно повышает низкотемпературную вязкость стекла. Оксид циркония, доведенный до растворения в силикатных расплавах, при их охлаждении часто легко выделяется в виде различных кристаллических форм. В случае короткой выдержки частицы остаются взвешенными в расплаве в виде суспензии, придавая стеклу непрозрачность и белый цвет. На этих явлениях основано применение диоксида циркония в качестве глушителя в производстве белых эмалей. Он также действует эффективно и как стимулятор тонкой равномерной кристаллизации, что используется в производстве ситаллов. Это еще раз свидетельствует о сложных процессах, происходящих при взаимодействии наночастиц с огромной поверхностной энергией с расплавом кремниевого стекла и образованием замкнутых свободных пространств – пор. Таким образом, экспериментально зафиксировано резкое изменение тепловых свойств пеностекольного материала в следствии изменении его структуры, при введении незначительных добавок наночастиц диоксида циркония. Такой эффект может быть использован на практике производства строительных теплоизоляционных материалов. 252 Секция 6 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Демидович, Б.К. Пеностекло / Б.К. Демидович. – Минск : Наука и техника, 1975. – C. 248. 2. Шилл, Ф. Пеностекло. / Ф. Шилл. – М. : Изд-во литературы по строительству, 1965. – С. 307. 3. Овчаренко, Е.Г. Тенденции в развитии производства утеплителей в России / Е.Г. Овчаренко. – М. : ОАО «Инжиниринговая компания по теплотехническому строительству», 2002. 4. Влияние малых добавок диоксида титана на физико-механические свойства пеностекольных материалов / О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, А.В. Елистратов [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 2 (43). – С. 110–117. 5. О роли смачиваемости и распределения твердых частиц в стабилизации вспененных алюминиевых расплавов / А.В. Бякова, В.П. Красовский, А.О. Дудник [и др.] // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2209. – Вып. 42. – С. 5–22. 6. Liquid. – Metal foams – feasible in situ experiments under low gravity / N. Babcsan, F. Gatcia-Moreno, D. Leitmeier [etc.] // Mater. Science Forum. – 2006. – № 508. – P. 275–280. 7. Babcsan, N. Metal foams Metal foams – high temperature colloids: Part I. Ex situ analusis of metal foams / N. Babcsan, D. Leitmeier, J. Banhart // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2005. – V. 261. – №. 1–3. – P. 123–130. 8. Okubo, T. Surface tension of structured colloidal suspension of polystyrene and silica spheres at the air-water interface / T. Okubo // Colloid and Interface Science. – 1995. – №. 171. – P. 55–62. 253 Роговские чтения УДК 666.124.8 НОВЫЙ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ Ю.В. Опаренков1, Б.С. Семухин1,2 1 Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия, 2 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск, Россия Рассмотрены процессы деформации и разрушения пеностеклокристаллических материалов. Показано положительное влияние малых добавок титанового концентрата на механические свойства пеностекла. Ключевые слова: пеностекло, пеностеклокристаллический материал, прочность при сжатии, диоксид титана. Применение пеностекла в качестве эффективного строительного материала обусловлено его высокими значениями тепло- и звукоизоляционных характеристик. Технологическая гибкость процесса позволяет выпускать пеностекольные материалы в различном виде (щебень, гранулы, плиты, блоки). Пеностекло по многим критериям превосходят другие, популярные теплоизоляционные материалы. Сравнительная характеристика свойств различных теплоизоляционных материалов представлена в таблице [1]. Свойства различных утеплителей Характеристика Плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К Паропроницаемостъ, мг/(м·ч·Па) Пенополистирол Плиты из минваты Керамзит Газобетон Пеностекло 20–150 50–350 210–450 300–800 100–500 0,038–0,06 0,04–0,064 0,21–0,23 0,13–0,4 0,045–0,07 0,05 0,38–0,60 0,21 0,23 0,001–0,005 5–15 5–20 Не более 5 8–14 1–2 Водопоглощение, % 0,5–6 Влажность материала, % Необходимость в парогидроизоляции 1–10 Стабильность размеров Прочность на сжатие, МПа Максимальная температура кратковременного нагрева, °С Верхний температурный интервал эксплуатации, °С Поглощает воду 2–5 Не требует Обязательно Не требует 0,05–1,0 Удовлетворительная 0,04–0,15 0,4–5 Удовлетворительная 0,4–3 100 250 – 450 750 80 200 – 400 600 Дает усадку – Отличная 0,7–5 Как показано в ряде работ, исходным сырьем являются не только отходы вторичного стеклобоя, но и различные природные и техногенные сырьевые материалы, что позволяет варьировать свойства готового изделия [2–7]. Свойства пеностекла во многом зависят от его макро- и микроструктуры, изменять которую можно путем введения модифицирующих добавок в состав пенообразующей смеси. Актуальность исследования процессов формирования структуры материала с заданными свойствами обусловлена новыми возможностями получения полифункционального пеностекла, сочетающего, например, теп254 Секция 6 ло- и звукоизоляционные характеристики со способностью поглощать электромагнитное излучение [8]. Одним из важных эксплуатационных свойств пеностекла является повышенная механическая прочность при сохранении относительно низкой плотности, что позволяет применять материал как теплоизоляционно-конструкционный. Создание легких и прочных строительных материалов является постоянной и актуальной темой научных исследований. В работе рассматриваются вопросы влияния модифицирующей добавки в виде диоксида титана из ильменита (далее титановый концентрат, ТК) на физико-механические свойства и макроструктуру готового пеностекла. Выбор титанового концентрата обусловлен тем, что диоксид титана является универсальным катализатором кристаллизации силикатных стекол. Данный процесс, как известно, при получении мелкокристаллической структуры способствует значительному повышению прочности стекла. Оксид железа, входящий в состав титанового концентрата, также влияет на кристаллизацию, являясь относительно легкоплавким соединением. Кроме того, диоксид титана относится к тугоплавким компонентам, не растворяющимся при температурах вспенивания (в среднем 850 °С) в силикатном расплаве. Поэтому, вводя в пенообразующую смесь тонкодисперсный порошок титанового концентрата, можно ожидать получения эффекта упрочняющей добавки. Отметим, что при этом размер частиц кристаллической фазы должен находиться на микронном или наноразмерном уровне для того, чтобы не приводить к возрастанию макронапряжений в межпоровой перегородке. Экспериментально установлено, что значительное влияние на прочность готовых образцов оказывает количество добавляемого в пенообразующую смесь диоксида титана. Максимальный эффект упрочнения наблюдается на пеностекле с минимальным содержанием добавки. Наблюдаемые изменения в макроструктуре образцов подтверждаются не только процентным содержанием пор различных размеров, но и модальностью их распределения по размерам в объеме (рис. 1). 0,5 вес. % 1 вес. % 0,5 вес. % (образец-2) 1,5 вес. % Рис. 1. Образцы пеностекла с разной процентной долей титанового концентрата. Масштабная линейка соответствует 1000 мкм 255 Роговские чтения При введении концентрата в больших объемах происходит резкое изменение в структуре аморфной матрицы. Повышенные механические свойства пеностекла с малыми добавками TiO2 можно объяснить влиянием концентрата на размер пор и характер их распределения по объему, а также изменением химического состава и структуры аморфной матрицы межпоровой перегородки. Физико-механические свойства пеноматериалов находятся в тесной взаимосвязи со структурой и плотностью, которые закладываются уже на стадии подготовки пенообразующей смеси, в процессе вспенивания и отжига пеностекла. Сопротивление сжатию материала в основном зависит от его плотности и соответственно пористости, на значение которых также влияет формат от его плотности и соответственно пористости, на значение которых также влияет форма пор. Повышение ячеистой пористости системы и устойчивости массы, снижение поверхностного натяжения, быстрая фиксация структуры путем отверждения приводят к деформированию сферических пор в многогранники. О степени деформирования пор можно судить по объему ячеистой пористости: если ее значение превышает 75–80 %, это указывает на возможность перехода сферических пор в многогранники. Чем выше пористость, тем более правильной формы должны быть многогранники. Требования к изделиям из пеностекла, методы испытаний, а также требования к оценке соответствия установлены в европейском стандарте EN 13167:2001, разработанном техническим комитетом по стандартизации CEN/TC 88 «Материалы и изделия теплоизоляционные». Обычно разрушение рассматривается как результат потери устойчивости образцов или изделий, находящихся в поле внешних и внутренних напряжений. Считается, что для каждого материала имеется определенное предельное напряжение, при котором изделие теряет устойчивость и разрушается. Это напряжение принимается за критерий прочности материала или изделия. При этом обычно определяют следующие показатели: относительную деформацию, предел прочности при сжатии, прочность на сжатие при 10 % относительной деформации, модуль упругости при сжатии. Следует отметить, что при испытании пеностекла на сжатие почти никогда не наблюдается резкого разрушения образцов, характерного для хрупких материалов. С повышением нагрузки образец начинает деформироваться, при этом тонкие стенки ячеек последовательно разрушаются на обеих упорных поверхностях, образующийся порошок стекла вдавливается во вновь разрушаемые ячейки. ГОСТ Р ЕН 826-2008 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве» регламентирует для теплоизоляционных изделий, в том числе и пеностекла, определение прочности на сжатии при 10 % относительной деформации, если еще нет пластической деформации всего образца. Измерение прочности на сжатие в данной работе проводилось при скорости 5 мм/мин с использованием испытательной машины Instron № 3382. Установлено, что образцы ПСКМ имеют типичную для пористых материалов и минералов диаграмму деформации (рис. 2). 4 МПа 3 2 1 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Рис. 2. Диаграмма деформации на сжатие пеностеклокристаллического материала 256 Секция 6 Видно, что при определении прочности по методике, предлагаемой в ГОСТе Р ЕН 826–2008, может наблюдаться неоднозначность и большая ошибка в результатах измерения. Такое происходит по причине неоднородности структуры и ее специфической способности к локализации деформации с течением времени. [9] Наряду с механическими свойствами полученных образцов были определены также такие характеристики, как плотность, теплопроводность и водопоглощение. По экспериментально полученным данным установлено, что введение титанового концентрата оказывает большее влияние на макроструктуру материала и связанную с ней плотность и, соответственно, прочность, между которыми наблюдается линейная зависимость. Таким образом, установлено положительное влияние малых (до 1 мас. %) добавок титанового концентрата на механические свойства пеностекла, связанное с изменением его макроструктуры за счет полимодального распределения мелких пор, что в свою очередь обусловлено изменением состава аморфной матрицы межпоровой перегородки [10]. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Пеностекло. Научные основы и технология / Н.И. Минько, О.В. Пучка, В.С. Бессмертный [и др.]. – Воронеж : Научная книга, 2008. – С. 167. 2. Низкотемпературный синтез стеклогранулята из шихт на основе кремнеземсодержащих компонентов для получения пеноматериалов / О.В. Казьмина, В.И. Верещагин, Б.С. Семухин [и др.] // Стекло и керамика. – 2009. – № 10. – С. 5–8. 3. Казьмина, О.В. Расширение сырьевой базы для получения пеностеклокристаллических материалов / О.В. Казьмина, В.И. Верещагин, А.Н. Абияка // Строительные материалы. – 2009. – № 7. – С. 54–56. 4. Дамдинова, Д.Р. Влияние оксидного состава алюмосиликатного расплава на физико-механические свойства пеноситалла / Д.Р. Дамдинова, А.Д. Цыремпилов, М.М. Зонхиев // Строительные материалы. – 2004. – № 4. – С. 40–41. 5. Казьмина, О.В. Конструкционно-теплоизоляционный материал на основе золошлаковых отходов ТЭС / О.В. Казьмина, Н.А. Кузнецова // Новые огнеупоры. – 2011. – № 3. – С. 51–52. 6. Казанцева, Л.К. Вспененные стеклокристаллические теплоизоляционные материалы из природного сырья / Л.К. Казанцева, В.И. Верещагин, Г.И. Овчаренко // Строительные материалы. – 2001. – № 4. – С. 33–34. 7. Полифункциональный пеностеклокристаллический радиоматериал / О.В. Казьмина, В.И. Сусляев, Б.С. Семухин [и др.] // CВЧ-техника и телекоммукационные технологии : материалы Международной Крымской конференции: в 2 т. – Севастополь : Вебер, 2013. – С. 772–773. 8. Особенности деформации и разрушения пеностеклокристаллических материалов / О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Ю.В. Опаренков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика – 2012. – № 5-2. – С. 146–150. 9. Влияние малых добавок диоксида титана на физико-механические свойства пеностекольных материалов / О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, А.В. Елистратова [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 2. – С. 110–117. 257 Роговские чтения УДК 666.9.043.2 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОСТРЫ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА А.Н. Павлова, Л.А. Морозова, Т.Н. Немова, Л.В. Касимова, Т.В. Лапова, Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:ean73@rambler.ru В работе предложены составы и технология получения теплоизоляционных материалов на основе костры льна-долгунца. Определены теплофизические и эксплуатационные характеристики синтезируемых композитов. Приведены сравнительные данные исследуемых параметров относительно показателей традиционных материалов. Ключевые слова: вторичные ресурсы, геоэкология, отходы, прочность, теплопроводность, капиллярнопористые тела. Использование вторичных ресурсов природного и техногенного происхождения в производстве строительных материалов различного технического назначения – одно из важнейших направлений развития строительного материаловедения, тесно граничащего с проблемами геоэкологии. Запасы качественного минерального сырья заметно истощаются, количество сырья техногенного происхождения постоянно возрастает. Создание технологий использования некондиционного сырья – актуальная задача, но требует для своего решения значительных интеллектуальных и энергетических затрат и более гармоничного взаимодействия представителей образования, науки и производства. В это же время для успешного функционирования многотоннажного производства прежде всего, необходимо наличие стабильного многотоннажного источника сырья. С геоэкологических позиций альтернативы возобновляемым, особенно многотоннажным, источникам сырья нет. Это касается не только промышленности строительных материалов и других сфер стройиндустрии, но и, пожалуй, всех других областей экономической деятельности. В полной мере к таким видам сырья относятся продукты растениеводства, являющиеся отходами сельскохозяйственного производства. Это – костры льна, конопли, джута, стебли хлопчатника, рисовой соломы, кукурузы, подсолнечника и др. Костра льна является многотоннажным отходом предприятий льнопереработки. По статистическим данным ежегодно на таких предприятиях в РФ образуется до 500 тыс. т отходов в виде костры, которые в настоящее время целенаправленно практически не используются и вывозятся в отвал [1]. Очевидно, что предприятия по производству строительных материалов и изделий могут быть потенциальными потребителями этого вида органического сырья. В табл. 1 представлены данные по производству льна-долгунца в различных регионах России в 2013 г. [2]. Таблица 1 Производство льна-долгунца в 2013 г. Регионы Валовой сбор Урожайность Валовой сбор Урожайность Площадь польноволокна льноволокна, льносемян, льносемян, сева, тыс. га тыс. тонн ц/га тыс. т ц/га Российская Федерация 55,3 38,1 8,3 Брянская область 1,9 1,0 Ивановская область 0,6 0,2 Костромская область 1,5 Смоленская область 4,1 Тверская область Площадь посева в 2013 г. (прогноз) тыс. га в % 2013 к 2012 5,9 2,1 59,8 108 10,2 0,1 3,0 1,9 100 5,6 0,01 1,6 0,6 100 0,8 5,1 0,2 1,1 1,5 100 2,7 6,9 0,5 1,2 4,8 117 6,1 5,4 9,2 0,5 2,8 6,1 100 Ярославская область 3,4 1,6 5,8 0,4 1,7 4,2 123 Вологодская область 4,9 2,2 5,3 0,3 3,5 6,5 133 Новгородская область 1,2 0,9 7,7 0,1 0,9 1,2 100 Псковская область 0,02 0,01 4,7 – 1,4 0,02 100 258 Секция 6 Окончание табл. 1 Регионы Республика Марий Эл Республика Татарстан Удмуртская Республика Кировская область Нижегородская область Курганская область Алтайский край Новосибирская область Омская область Томская область Валовой сбор Урожайность Валовой сбор Урожайность Площадь польноволокна льноволокна, льносемян, льносемян, сева, тыс. га тыс. тонн ц/га тыс. т ц/га 0,5 0,5 6,0 0,4 4,2 0,6 0,6 3,5 8,0 4,9 0,03 0,7 0,7 0,1 3,8 0,2 4,6 6,5 4,6 0,5 13,2 3,3 3,9 10,4 3,7 14,2 9,3 9,6 0,2 0,02 0,2 – 0,3 – 0,2 0,2 1,2 0,8 4,0 0,4 1,7 2,1 1,9 2,8 2,5 2,0 2,5 Площадь посева в 2013 г. (прогноз) в % 2013 тыс. га к 2012 0,6 120 0,5 100 6,0 100 0,4 100 4,2 100 0,9 150 0,6 100 4,1 117 8,0 100 6,0 122 На территории Томской области выращиванием льна-долгунца занимаются восемь хозяйств. Наибольшая эффективность производства льна в 2005 г., отмечена в хозяйствах Асиновского района – ООО «Рассвет», СПК «Успех» и Томского района – ООО «Петровский лен», ООО «Сибирское зерно». В целом по области работа предприятий льняной отрасли оказалась убыточной (–11,8 %). Семь хозяйств специализируются на выращивании зерновых и зернобобовых культур, однако сравнение эффективности их производства со льном-долгунцом показало превосходство последнего в 3,4 раза по размеру прибыли на 1 га, и в 4 раза по уровню рентабельности, что позволяет сделать вывод о необходимости увеличения производства данной культуры. Льняная костра – это древесная часть стеблей (тресты) льна, образующаяся, как отходы производства при механической обработке сырья на машинах. Костра состоит из целлюлозы (48–64 %), лигнина (21–29 %) и высокополимерных пентозанов (23–26 %) [3, 4]. Эффективное использование льняной костры возможно в различных направлениях. Костру льна применяют при изготовлении конструкционных строительных и мебельных плит плотностью от 600 кг/м3 и теплоизоляционных плит плотностью порядка 300 кг/м3 [5, 6].На основе костры льна производятся тепло-звукоизоляционные плиты малой плотности и с малым содержанием связующего – плиты сухого формования (МDF). Они состоят из разволокненных частиц костры с добавлением до 8 % смолы и 1 % парафина. Льняную костру можно использовать для изготовления плит без вяжущего. При этом костру замачивают для разволокнения и формования, затем ведется обезвоживание плит пневмоотсосами или валковыми прессами. Завершает процесс сушка плит. Полученные данным методом плиты имеют малую плотность (250–420 кг/м3), обладают высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, могут быть использованы в строительстве. Очень эффективным направлением использования костры является производство композиционной фанеры, наружные слои которой состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе костры льна. Основу прочности данному материалу придают слои шпона, при этом их расход на единицу продукции существенно снижается. Костра может быть использована в качестве топлива путем сжигания в специальных топках котельных с полным сгоранием, исключающим оседание зол и, наоборот, с образованием золы и ее использованием в качестве удобрений. Кроме этого на основе костры можно формовать топливные брикеты для использования населением или котельными предприятий. В настоящей работе, в развитие идей, изложенных выше, представлены результаты исследований по созданию теплоизоляционных материалов на основе льна-долгунца с использованием в качестве связующих полимерного клея «Титан» и строительного клея «Крепс». В качестве наполнителя использовалась как пыль, так и костра льна. После получения однородной массы, смесь укладывалась в формы размером 4040 мм путем виброуплотнения и после отвердевания образцы-кубики, изготовленные из такой смеси, в установленные сроки испытывались на прочность при сжатии. Результаты этих испытаний, представлены в табл. 2. 259 Роговские чтения Таблица 2 Прочность образцов на сжатие, МПа № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Плотность , г/см3 Состав Глина – вода Глина – вода – пыль костры (10 %) Глина – вода – костра (5 %) Глина – клей «Титан» Глина – клей «Титан» – пыль костры (10 %) Глина – Клей «Крепс» (10 %) – вода Глина – Клей «Крепс» (20 %) – вода Глина – Клей «Крепс» (20%) – вода – пыль костры (10 %) Глина – Клей «Крепс» (20 %) – вода – костра (10 %) Глина – Клей «Крепс» (20 %) – вода – пыль костры (5 %) – костра (5 %) Прочность на сжатие Rсж, МПа Набор прочности, % 7 сут 28 сут 1,9 1,5 1,4 1,6 1,5 1,4 1,5 8,0 6,9 1,7 11,3 17,7 1,1 1,0 9,8 7,4 1,8 13,1 20,4 1,2 1,4 20,9 6,8 5,0 13,7 13,2 7,5 28,6 1,3 1,5 1,8 17,0 1,2 1,0 1,1 9,0 1,2 0,9 1,1 18,0 Как видно из табл. 2, наиболее высокими прочностными показателями обладают контрольные образцы и образцы, отвечающие составам № 7, 8, 10. Однако, кроме прочностных показателей наиболее существенными являются теплофизические показатели [7].Существует большое количество литературы по способам определения теплофизических характеристик строительных материалов и практическим методикам их осуществления [8–12]. Оценкой тепловых свойств материалов служат коэффициент теплопроводности λ, теплоемкость с, а в нестационарных процессах – температуропроводность ɑ и тепловая активность b, находящиеся во взаимосвязи между собой: a c и b , где ρ – плотность материала [12]. a Известно, что строительные материалы являются, в своем большинстве, сложными капиллярно-пористыми телами, поры которых могут быть заполнены влажным воздухом, жидкой влагой, а в некоторых случаях, и льдом. В это связи, для определения теплофизических параметров в настоящей работе готовились образцы заданной формы и размеров. Для испытаний использовалась методика, описанная в работе [13], суть которой состоит в следующем: для исследования были разработаны две экспериментальные установки, блок-схема которых представлена на рис. 1. Рис. 1. Блок-схема экспериментальных установок Экспериментальная установка для проведения исследований плоских образцов теплоизоляционных материалов представлена на рис. 2. Эксперименты проводились с образцами из стеклянного штапельного волокна и базальтовой ваты, находящимися в сухом и влажном состоянии, которые принимались за образцы сравнения, а также с исследуемыми образцами. 260 Секция 6 Рис. 2. Измерительная ячейка для плоских образцов: 1 – термопара; 2 – теплоизоляционный материал; 3 – электронагреватель; 4 – изолятор; 5 – изоляция Влажность теплоизоляционного материала обеспечивалась введением в материал определенного количества воды. Результаты исследований показали, что коэффициенты теплопроводности композиций составов: костра – клей «Титан», костра – клей «Крепс», пыль костры – клей «Титан», равны соответственно: 0,028 ± 0,001 Вт/м·К, 0,032 ± 0,001 Вт/м·К, 0,037 ± 0,001 Вт/м·К. Отсюда следует, что синтезируемые материалы превосходят по своим теплофизическим свойствам традиционный глиняный кирпич, коэффициент теплопроводности которого равен 0,56 Вт/м·К, что позволяет отнести исследуемые композиции к высокоэффективным теплоизоляционным материалам. Однако уровень качества по критерию: прочность/плотность не достигает оптимальных значений и исследования в этой области будут продолжены. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Наназашвили, И.Н. Строительные материалы из древесноцементной композиции / И.Н. Наназашвили. – Л. : Стройиздат, 1990. – 415 с. 2. Федеральное государственное бюджетное учреждение «Агентство по производству и первичной обработке льна и конопли «Лен». –2013. – Условия доступа : http://agentstvo-len.ru 3. Марков, В.В. Первичная обработкам льна и других лубяных культур / В.В. Марков. – М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 375 с. 4. Суслов, Н.Н. Проектирование предприятий первичной обработки лубяных волокон / Н.Н. Суслов. – М. : Легкая индустрия, 1973. – 375 с. 5. Чижек, Я. Свойства и обработка древесностружечных и древесноволокнистых плит : [пер. с чешск.] / Я. Чижек ; отв. ред. В.Д. Бекетов. – М. : Лесная промышленность, 1989. – 392 с. 6. Живетин, В.В. Лен и его комплексное использование / В.В. Живетин, Л.Н. Гинзбург, О.М. Ольшанская. – М. : Информ-Знание, 2002. –400 с. 7. Чудновский, А.Ф. Теплофизические характеристики изоляционных материалов / А.Ф. Чудновский. – М. : Физматгиз, 1962. 8. Дмитрович, А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов / А.Д. Дмитрович. – Госэнергоиздат, 1963. 9. Карлслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карлслоу, Д. Егер. – М. : Наука, 1964. 10. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / А.Г. Шашков, Г.М. Волохов, Т.Н. Абраменко [и др.] ; под ред. А.В. Лыкова. – М. : Энергия, 1973. 11. ГОСТ 7076. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности. 12. Жабелов, А.А. Метод измерения теплофизических характеристик строительных материалов / А.А. Жабелов. // Вестник МГСУ. – 2011. – № 3. – С. 299–303. 13. Влияние увлажнения теплоизоляции на тепловые потери в системах теплоснабжения / Ю.А. Воронина., Т.Н. Немова, К.Д. Трофимов [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2010.– № 12. – С. 63–68. 261 Роговские чтения 691.3.32 РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ И.А. Рахманова, Ю.С. Саркисов, А.П. Ашихмин Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: ir9039508837@yandex.ru Проведено исследование влияния модифицированного микрокремнезема на прочность керамзитобетонных композитов. Представлена динамика изменения прочности композиций при модифицирование их модифицированным микрокремнеземом. Ключевые слова: техногенные отходы, керамзитобетон, модифицированный микрокремнезем. В реализации концепции устойчивого развития становятся актуальными проблемы комплексного использования природных ресурсов и вовлечения промышленных отходов в экологически чистые инновационные технологии. Геоэкологические проблемы утилизации и переработки техногенных отходов связаны не только с охраной окружающей среды, но и непосредственно с экономическим развитием регионов. Образование отходов служит также показателем нерационального использования природных ресурсов, когда запасы многих из них находятся на грани истощения. Поэтому использование в качестве сырья промышленные отходы представляется актуальной природно-ресурсной, природоохранительной, геоэкологической и экономической задачей. Утилизация отходов является не только средством повышения эффективности производства и сбережения ресурсов, но и естественным, обязательным условием восстановления равновесия в биосфере, поскольку позволяет снижать нагрузку на экосистемы и повышать их устойчивость [1]. В России функционировала Федеральная целевая программа «Отходы» (первый этап с 1994 по 2000 гг. и второй с 2001 по 2010 гг.). Ее основная цель состоит в обеспечении одного из основных условий экологически безопасного развития страны. Для ее внедрения необходимо: 1) создание нормативной, естетвеннонаучной и технологической базы при реализации единой государственной политики в сфере обращения с отходами на всех уровнях управления, 2) обеспечение стабилизации, а в дальнейшем сокращении и ликвидации загрязнения окружающей среды отходами, 3) выход на экономию природных ресурсов за счет максимального вторичного вовлечения отходов в хозяйственный оборот [2]. Одним из перспективных направлений является полная переработка промышленных отходов, включающая извлечение из них цветных, редких и других металлов, и создание строительных и конструкционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами взамен природных, традиционных материалов и металлов. Реализация этой стратегии позволит существенно уменьшить потребление первичных природных ресурсов [3]. Металлургическая промышленность в РФ занимает одно из центральных мест по количеству и видам выпускаемой продукции: черных и цветных металлов, стали, чугуна и др. Однако при их производстве образуются многочисленные вторичные материалы, которые не получили дальнейшего применения на предприятии накапливаются в отвалах, занимают огромные площади и препятствуют рациональному использованию этих территорий. На Новокузнецком комбинате к таким материалам относится кремнеземная пыль, представляющая собой мелкие частицы аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 м2/г. Гранулометрический состав и удельная поверхность зерен аморфного кремнезема обуславливают высокие пуццолановские свойства и благотворное влияние на бетон. Микрокремнезем используется в бетонах, подвергающихся эрозийному истиранию, коррозионностойких, обладающих высокой прочностью в раннем возрасте, высокопрочных, с реакционно-способными заполнителями, стойких к истиранию. Рациональное использование вторичного сырья природного и техногенного происхождения в промышленности, в том числе и в строительстве, одна из актуальных междисциплинарных проблем 262 Секция 6 геоэкологии и строительного материаловедения. Создание материалов и технологий их получения, отвечающих критериям энерго-, ресурсосбережения, технологической доступности и эффективности, экономической целесообразности и экологической безопасности, тесно связана с решением геоэкологических проблем по сохранению и повышению качества среды обитания. Это возможно лишь на пути формирования природносбалансированных, биосовместимых материалов нового поколения. Цель исследований – исключить любые технологии, приводящие к образованию отходов, путем их использования в других альтернативных технологиях. Это означает, что отходы данной технологии являются ценным сырьем для альтернативной технологии. В технологии строительных материалов широко известны исследования по модифицированию цементных систем, в том числе тяжелых и легких бетонов. По результатам анализа зарубежных и отечественных исследований свойства МК зависят от условий и методов его получения.[4–7] Способ получения определяет состояние аморфных и кристаллических фаз МК, их количественное соотношение, определяет реакционную способность МК и модифицированных им материалов. Поэтому представляется интересным модифицировать структуру цементного камня предварительно модифицированным МК. Такие исследования были проведены и их результаты отражены в табл. 1 [8]. Таблица 1 Прочность системы «цемент-вода», модифицированной модифицированным микрокремнеземом Система Прочность при сжатии. МПа в возрасте 3 сут 14 сут 28 сут 1.ПЦ – Н2О 43,55 46,9 52,93 2.ПН – МК – Н2О 42,88 47,57 57,62 3.ПЦ – [МК – FeCl3] – Н2О 48,24 52,26 62,98 4.ПЦ – [МК – NaOH] – Н2О 44,22 48,91 60,3 Как видно из табл. 1 максимальная прочность достигалась в системе «цемент – микрокремнезем – вода», в которой МК предварительно обрабатывался электролитом хлорида железа, и составляет 62,98 МПа. В ней же отмечено изменение аморфных и кристаллических фаз МК. Модифицирование цементных систем модифицированным МК – новый технологический прием повышения эксплуатационных свойств материалов на их основе. В полной мере это затрагивает и производства различных видов керамзитобетонов и изделий на их основе. Поиск оптимальных составов и способов получения керамзитобетонов различных марок и областей их применения основан на учете физико-химических закономерностей взаимодействия компонентов друг с другом, обеспечивающих должное протекание не только химических, но и физико-механических процессов в твердеющей системе. Так на Пермском заводе крупнопанельного домостроения выпускается керамзитобетон с добавкой битумной эмульсии (не более 10 масс % от веса цемента) для повышения стойкости керамзитобетона к действию воды, агрессивных сред и попеременных актов замораживания и оттаивания. Состав смеси отвечал следующему соотношению ингредиентов (в расчете на 1 м3 бетонной смеси): портландцемент марки 400 – 250 кг, керамзитовая смесь – 460 кг, керамзитовый песок – 277 кг, В/Ц – 0,8–0,9 [2]. Введение битумной эмульсии обеспечивало не только достижение необходимого гидрофобизирующего эффекта, но и способствовало резкому уменьшению количества открытых пор за счет взаимодействия частиц цемента и других полярных по природе сорбентов с неполярной частью битумно-водной эмульсии по правилу выравнивания полярности фаз П.А. Ребиндер. [9]. В настоящей работе в развитие этих идей были апробированы следующие составы керамзитобетонных смесей, твердеющих при естественных условиях в течение до 28 сут включительно с момента изготовления образцов (табл. 2) [10]. И все же, необходимо, констатировать, что синтезируемые материалы пока не отвечают полностью критерию качества «прочность/плотность» и поиск оптимальных составов и способов получения керамзитобетонов должен продолжаться. 263 Роговские чтения Таблица 2 Прочность составов керамзитобетонных смесей, твердеющих при естественных условиях Типы систем композиционных смесей Плотность, г/см2 Прочность на сжатие 28 сут, МПа 1,6 21,8 1,58 20,3 1,54 23,0 1,72 21,8 С.1. – Керамзит, песок, ПЦ, керамзитовый песок, полимер, базальт, нефть. Н2О С.2. – Керамзит, песок, ПЦ, керамзитовый песок, полимер, базальт, масло, Н2О, пластификатор С.3. – Керамзит, песок, ПЦ, полимер, базальт, пластификатор, Н2О, Ж/С, уголь С.4. – Керамзит, песок, ПЦ, полимер, базальт, пластификатор, Н2О, Ж/С, графит Следуя логике работы для усиления эффекта сопротивления деформациям сжатие-растяжения, авторами было предложено и реализовано введением в смесь оптимального сочетания модефицированного МК (табл. 3). Таблица 3 Прочность керамзитобетонных смесей, модифицированных модифицированным микрокремнеземом Система С.1 + [МК – FeCl3] С.2 + [МК – FeCl3] С.3. + [МК – FeCl3] С.4. + [МК – FeCl3] Плотность, г/см2 1,6 1,58 1,54 1,72 Прочность на сжатие 28 сут, МПа 29,9 24,5 30,0 32,5 Прирост прочности, % 37 20 30 49 Таким образом предложено направление для решения проблемы утилизации многотонных отходов металлургической промышленности сибирского региона, модифицированием цементных систем с целью повышения эксплуатационных свойств изделий на их основе. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Мананков, А.В. Волластонитовые, пироксеновые и другие материалы из промышленных отходов и недефецитного природного сырья / А.В. Мананков, Е.Я. Горюхин, А.А. Локтюшин. – Томск : Изд-во ТГУ, 2002. – 166 с. 2. Мананков, А.В. Концептуальная фаза жизненного цикла инновационного материала – синтетического волластонита / А.В. Мананков, И.А. Рахманова // Вестник Том. гос. ун-та. – 2013. – № 368. – С. 104–107. 3. Минеральное сырье техногенных и природных месторождений для получения стеклокристаллических материалов / А.В. Мананков, В.М. Яковлев, В.С. Гудошникова [и др.]. – М., 1994. – 183 с. (Деп. ВИНИТИ № 1514-В-94 от 17.06.94). 4. Ушеров-Маршак, А.В. Добавки нового поколения / А.В. Ушеров-Маршак // Химические и минеральные добавки в бетон. – Харьков : Коллорит, 2005. – С. 45–50. 5. Lothenbach, B. The influence of superplasticizers on the hydratation of Portland cement / B. Lothenbach, F. Winnefeld, R. Figi // Proceedings of the 12 International Congress on the Chemisry of Cement. – Montreal, 2007. – P. 211–233. 6. Koizumi, K. Effects of Chemical Fdmixtures on the Silicate Structure of Hydrated of Portland cement / K. Koizumi, Y. Umenura, N. Tsuyki // Proceedings of the 12 International Congress on the Chemisry of Cement. – Montreal, 2007. – P. 64–71. 7. Вилкова, Н.Г. Влияние электролита на агрегацию гидрофобизированных частиц кремнезема и изменение краевого угла / Н.Г. Вилкова, А.В. Нуштаева, Л.С. Горбунова // Известия вузов. Поволжский регион. Естественные науки. – 2014. – № 1 (5). – С. 52–59. 8. Саркисов, Ю.С. Регулирование свойств и структуры цементного камня модифицированным микрокремнеземом / Ю.С. Саркисов, Е.В. Давыдов. – Томск :САН ВШ; В-Спектр, 2014. – С. 54–56. 9. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика: избр. тр. / П.А. Ребиндер. – М. : Наука, 1970. – 384 с. 10. Саркисов, Ю.С. Конструктивный керамзитобетон / Ю.С. Саркисов, И.А. Рахманова. – Томск :САН ВШ; В-Спектр, 2014. – С. 67–69. 11. Рахманова, И.А. Теплоизоляционные материалы на основе перлита и вермикулита / И.А. Рахманова, Ю.С. Саркисов, В.И. Верещагин // Вестник ТГАСУ. – 2013. – № 2. – С. 257–262. 264 Секция 6 УДК 678.5.046:691 БЕСЦЕМЕНТНЫЕ, БЕЗОБЖИГОВЫЕ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ВОДЫ ДЛЯ ЗАТВОРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ, ОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И ОРГАНИЧЕСКИХ СВЯЗУЮЩИХ Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко, О.А. Зубкова, Н.С. Елугачёва, Н.В. Субботина Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: sarkisov@tsuab.ru Энерго-, ресурсосбережение, экономическая целесообразность, экологическая безопасность и технологическая эффективность – основные признаки рационального использования природных ресурсов и сырья техногенного происхождения при получении на их основе материалов и продуктов потребления повышенного качества. В работе рассматриваются наиболее общие технологические принципы создания новых композиционных материалов на основе минеральных, органических и органоминеральных заполнителей и органических связующих, удовлетворяющих перечисленным требованиям. Показано, что в системе «щебень-эпоксидная смола», «щебень-сополимер винилацетат» формируются структуры твердения, характеризующиеся высокими эксплуатационными показателями: водопоглощение за 24 ч составляет 0,08 %; прочность Мн/м2 (кг/см2), при растяжении 90, при сжатии 160, при изгибе 35 МПа. Экспериментально установлена перспективность применения глиоксаля в растворенном состоянии в качестве модифицирующего агента органического связующего. Ключевые слова: геоэкология, природные ресурсы, техногенное сырье, энерго,- ресурсосбережение, эпоксидная смола; глиоксаль; щебень; песок; сополимер винилацетат; прочность, эксплуатационные характеристики. Рациональное использование природных ресурсов – одна из актуальных проблем современной геоэкологии. Особенно это касается водных ресурсов, т. к. большинство видов технологий связаны с использованием воды и водных растворов. Запасы качественного сырья, пригодного для использования в промышленных технологиях, также непрерывно снижаются, что заставляет все шире использовать некондиционное сырье природного происхождения (пески, щебень, глина и т. д.), а также создавать технологии по освоению и внедрению в производство огромных запасов техногенного сырья, отвалы которых занимают огромные площади, в т. ч. пригодные для промышленного и сельскохозяйственного использования. Проблемам использования природных вод бассейна реки Томи, минеральных новообразований на водосборах Томской области, исследования влияния условий и механизма формирования подземных вод, вопросам водоподготовки, очистки и регенерации сточных вод, качеству питьевой воды и другим аспектам рационального использования водных ресурсов огромное внимание уделял заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, академик РАЕН и МАН ВШ, профессор, д.г-м.н. Геннадий Маркелович Рогов и его школа [1–7]. Рациональное использование природных ресурсов и сырья техногенного происхождения в строительстве и в промышленности строительных материалов – одно из перспективных междисциплинарных направлений развития геоэкологии, тесно связанного с повышением качества среды обитания [8]. Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с переходом к созданию многокомпонентных, многослойных, многоуровневых композиционных материалов с заданным набором свойств, их структурной и функциональной организацией, обеспечивающих их поведение, адаптированное к переменным факторам окружающей среды на протяжении всего срока эксплуатации [9]. Одной из актуальных задач строительного материаловедения является создание природносбалансированных, биосферно-совместимых материалов полифункционального назначения. Такие материалы должны удовлетворять следующим критериям: технологической доступности и эффективности; энерго-, ресурсосбережения; экономической целесообразности и экологической безопасности. Достижение этих целей, на наш взгляд, возможно на пути следования принципам бионики [10] и геоники [11, 12]. В полной мере к таким материалам можно отнести композиции нового поколения, отличительной особенностью производства которых является учет физико-химических возможностей каждого компонента строительной смеси, предыстория подготовки их взаимодействия друг с другом, 265 Роговские чтения осознанный выбор методов их активации и модифицирования механическими, физическими, химическими, биологическими и комбинированными внешними воздействиями [13]. Известно, что наиболее затратными переделами в технологической схеме получения строительных материалов является обжиг сырьевых компонентов; использование в качестве вяжущего различных видов цементов, производство которых является одним из наиболее энергоемких, а также использование в довольно больших количествах воды в качестве жидкости затворения. Идея рационального использования воды в строительных технологиях исходит из древности к технологиям каменного литья [14]. Горную породу неправильной формы переводят в расплав и получают материалы с заданными свойствами, формой и размерами. Однако перевод тел в расплавленное состояние требует больших затрат энергии. Несмотря на то, что в настоящее время существуют довольно эффективные плазмохимические методы получения расплавов и сравнительные затраты на единицу продукции являются небольшими, большого распространения эти методы каменного литья пока не получили [15]. По этой же причине во всем мире не прекращаются попытки создания бесцементных композиций, в том числе безклинкерных вяжущих веществ. В тоже время известны многочисленные работы как в нашей стране, так и зарубежом, касающиеся различных способов получения строительных и композиционных материалов на полимерной основе. Так широкое распространение получили различные смолы и клеи на основе эпоксидных, полиэфирных, карбамидных, меламиновых, и других органических вяжущих и их производных. Создание материалов на их основе не требует использование воды, цемента и дополнительного подвода энергии. При этом они полностью по своим свойствам отвечают требованиям действующих ГОСТов и СНИПов. В настоящей работе в качестве органических связующих применялись эпоксидная смола, сополимеры винилацетата и их производные. Выбор этих связующих основывался на их высокой адгезии к минеральным наполнителям. Выбор природы наполнителей основывался на возможности придания повышенных прочностных и других эксплуатационных характеристик композиционным материалам. Известно, [16] что эпоксидными называются соединения, содержащие в своей структуре оксирановую группу: 0,15 нм C H H 0 ,1 45 H C нм H H2C CH2 O O Эпоксидная группировка полярна и имеет дипольный момент 1,88 D. Причинами этого являются полярность связей С-О и небольшой угол С-О-С, тогда как в обычных простых эфирах угол С-О-С равен 109–112°, а дипольный момент 1,2–1,3 D. Химическое превращение эпоксидов определяются тем, что в молекуле имеются полярные связи С-О и атом кислорода с неподеленными парами электронов. Связь С-О в эпоксидах разрывается легко, особенно в условиях кислотного катализа. Применение эпоксидных соединений в различных отраслях производства предъявляет повышенные требования к их эксплуатационным характеристикам, таким как: устойчивость к воздействиям высоких температур, искры, пламени, высоких концентраций кислорода, агрессивных сред и других экстремальных факторов. В связи с этим, в настоящий момент разработаны перспективные эпоксидные соединения, дающие при отверждении материалы с высокими термо-, теплостойкостью, механическими, диэлектрическими свойствами. Эпоксидная смола приобретает ценные свойства только после смешивания с отвердителем, в результате происходит реакция полимеризации и образуется эпоксидный полимер [17]. В настоящее время значительный практический интерес представляют продукты конденсации фенола с глиоксалем – одной из разновидностей эпоксидных смол: H2C CH CH2 O O O CH2 CH CH2 O HC CH H2C CH CH2 O 266 O O CH2 CH CH2 O Секция 6 Введение в состав полимерных материалов глиоксаля (простейшего диальдегида) позволяет придать материалам влагостойкость, повысить адгезию за счёт образования защитных плёнок на поверхности модифицируемых им твёрдых фаз. Предварительные эксперименты показали, что наиболее высокие прочностные показатели, зафиксированны у образцов, содержащих 60–80 мас. % наполнителя и 20–40 % связующего. При этом прочность системы «щебень-эпоксидная смола» (45–65 МПа) оказалась значительно выше системы «щебень-сополимер винилацетата» (15–30 МПа). Соответственно морозо- и водостойкость, коррозионная стойкость и атмосферная устойчивость образцов отвечали требованиям стандартов. В ходе этих экспериментов было обнаружено, что при воздействии избыточного кислорода наблюдается значительное упрочнение структуры материала. С этой целью были поставлены специальные эксперименты по влиянию окислительной среды на свойства синтезируемых композиций [18]. Исходя из идеи о минимальной межзерновой пустотности [19] строительной смеси и заполнителей, фрактальной размерности частиц твердых компонентов и формирования так называемых структур вложения [20], синергетических принципов активации воды и других компонентов, формирующих будущую структуру твердения, по раздельной, либо по традиционной технологиям [21], включая гомогенизацию всей смеси, либо различных сочетаний ее отдельных компонентов, в работе предложена следующая технология строительных композиций на основе исследуемых систем (рисунок). Сырьевой склад мелкого наполнителя Сырьевой склад крупного наполнителя Сырьевой склад связующего Подготовительное отделение крупного и мелкого наполнителя Сырьевой склад химических добавок Подготовительное отделение связующего и химических добавок Суточный Суточный Суточный Суточный склад мел- склад мел- склад круп- склад крупкого напол- кого напол- ного наного наполнителя полнителя нителя нителя 0–0,5 0,5–2,5 0–5 5–10 Дозатор связующего Дозатор химических добавок Физический активатор Химический активатор Дозатор Дозатор Дозатор Дозатор мелкого мелкого крупного крупного наполнителя наполнителя наполнителя наполнителя 0–0,5 0,5–2,5 0–5 5–10 Гомогенизатор Общий смеситель Готовая строительная смесь Технологическая схема приготовления строительной смеси Особенностью предложенной технологической схемы, является обязательное наличие подготовительного отделения крупного и мелкого заполнителя, где осуществляется разделение материалов по фракционному составу как минимум по двум диапазонам размеров частиц (0–5) и (5–10) мм. При этом фракция 0,5 содержит в своем составе до 10 % частиц нано-, мезо-, и макродисперсности. Концентрация (в долях) указанных фракций в строительной смеси, как показано в работе [22], соответствует соотношению их дисперсностей (D) или величин удельных поверхностей (Sуд.): n Dмф Dкф S уд.мф S уд.кф , где n – концентрация; мф – мелкая фракция; кф – крупная фракция. 267 Роговские чтения Каждая фракция раздельно перемешивалась с органическим связующим, а затем обе смеси поступали в гомогенизатор, откуда после достижения однородной массы подавались в смеситель принудительного действия для подготовки смеси к формованию из нее изделий. При необходимости в технологической схеме предусмотрены физические и химические активаторы, в которых происходит модифицирование рассмотренных систем химическими добавками или физическим воздействием различной природы, либо комбинированными способами. После обработки смеси в активаторах последняя поступала в гомогенизатор согласно приведенной схеме. Например, в ряде случаев исследуемые материалы модифицировали жидким глиоксалем, разбавленным в изопропиловом спирте, с добавкой микрокремнезема. Ниже приведены некоторые свойства модифицированных глиоксалем и наполненных микрокремнезёмом образцов: плотность при 20 °С – 1,2 г/см3; температурный коэффициент линейного расширения – 52 °С–110–6, водопоглощение за 24 ч составляет 0,08 %; прочность Мн/м2 (кг/см2), при растяжении 90, при сжатии 160, при изгибе 35 МПа, ударная вязкость модифицированных композиций – 14,2 кДж/м2; диэлектрическая проницаемость при 20 °С и 1 МГц – 3,8; содержание модификатора не более 5 %, значение трещиностойкости – 1,29 кДж/м2 [17]. В последние годы резко возрос спрос на резиновую крошку, так как она имеет многочисленные перспективные области практического применения. Комбинированные методы использования резиновой крошки, эпоксидной смолы и глиоксаля в качестве модификаторов изучены недостаточно. Авторам настоящей работы представлялось, что комбинированные методы позволят получить перспективные материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками. В настоящей работе проведены поисковые эксперименты с использованием эпоксидной смолы, отвердителя, резиновой крошки с размером частиц 0,25 мм, глиоксаля и кремнезёма, в различных соотношениях 1:1. Для усиления когезионных связей в полимерных композитах проведены эксперименты по модифицированию эпоксидной смолы глиоксалем. Для усиления жёсткости и повышения прочности создаваемых композиционных материалов было предложено использовать кремнезём и другие силикатные материалы. В результате эксперимента были получены образцы, следующего состава: 1. Эпоксидная смола + отвердитель + резиновая крошка (образец – контроль); 2. Эпоксидная смола + отвердитель + глиоксаль (жидкий); 3. Эпоксидная смола + отвердитель + резиновая крошка + + глиоксаль (жидкий); 4. Эпоксидная смола + отвердитель + резиновая крошка + кремнезем; 5. Эпоксидная смола + отвердитель + резиновая крошка + кремнезем + глиоксаль (белый крист.). Данные образцы испытывались на морозостойкость, водостойкость, прочность на сжатие. Результаты испытаний указанных образцов, приведены в таблице. Результаты испытания образцов на прочность, морозостойкость и водостойкость № 1 2 3 4 5 Исследуемые системы Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5 Плотность ρ, г/см3 0,9 0,92 0,95 0,98 1,3 Отношение МорозостойПрочность на прочности кость в цик- Водостойкость k сжатие σ, МПа к плотности σ/ρ лах F 0,45 13,5 52,5 0,65 0,52 16,0 65 0,72 0,63 20,0 75 0,80 0,68 22,5 85 0,85 0,7 30,0 100 0,95 Как видно из таблицы образец № 5, соответствующий модифицированной кристаллическим глиоксалем исследуемой системы, проявляет наилучшие эксплуатационные характеристики. По показателям прочности, водостойкости результаты данных экспериментов показали и повышенную адгезию модифицируемых образцов к подложке различных материалов по сравнению с контрольным образцом. Предлагаемые разветвленные технологии рассматриваются нами как фундамент для создания перспективных материалов различного технического назначения, включая строительные материалы и изделия повышенного уровня качества. 268 Секция 6 Неизбежность технического перевооружения, более осмысленное отношение к каждому компоненту строительной смеси, к каждому технологическому переделу производства строительных материалов нового поколения несомненно потребует и подготовки инженерных кадров нового поколения, способных разумно применять технологические приемы на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Труды Томских ученых по системам водоснабжения / Г.М. Рогов, А.Ф. Порядин, С.Л. Шварцев [и др.]. – Томск : Издательский дом «Цхай и К», 2005. – 648 с. 2. Рогов, Г.М. Проблемы использования природных вод бассейна реки Томи для хозяйственно-питьевого водоснабжения / Г.М. Рогов, В.К. Попов, Е.Ю. Осипова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2003. – 218 с. 3. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов, В.А. Коробкин, О.Д. Лукашевич [и др.]. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2002. – 143 с. 4. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов [и др.]. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 176 с. 5. Ольховатенко, В.Е. Геоэкологические проблемы Кузнецкого угольного бассейна / В.Е. Ольховатенко, Г.М. Рогов // Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий : труды Международной научной конференции, 22–24 сентября 1999 г. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 1999. – С. 35–38. 6. Olkhovatenko, V.E. Slope stability and landslide hazard on Tomsk territory / V.E. Olkhovatenko, G.M. Rogov // Proceedings Eighth International Congress Geology Association for Engineering Geology and the Environment, 21–25 september, 1998. – Vancouver. Canada. – С. 1029–1031. 7. Саркисов, Ю.С. Синергетика и принципы неравновесного строительного материаловедения / Ю.С. Саркисов, Т.В. Кузнецова // Техника и технология силикатов. – 2009. – № 4. – С. 2–6. 8. Экологическая доктрина Российской Федерации. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 31.08.2002 – № 125. 9. Захаров, В.Б. Биология: общие закономерности / В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. – М. : Школа-Пресс, 1996. – 614 с. 10. Использование закономерностей геохимических процессов в технологиях искусственных материалов / Ю.С. Саркисов, В.И. Верещагин, А.П. Смирнов [и др.] // Техника и технология силикатов. – 2009. – № 2. – С. 28–31. 11. Синергетические принципы создания строительных и композиционных материалов полифункционального назначения / В.И. Верещагин, Л.П. Рихванов, Ю.С. Саркисов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 315. – № 3. – С. 12–15. 12. Саркисов, Ю.С. Управление процессами структурообразования дисперсных систем / Ю.С. Саркисов // Известия вузов. Строительство. – 1993. – № 2. – С. 106–109. 13. Саркисов, Ю.С. Рациональное использование воды в строительных технологиях / Ю.С. Саркисов. // Техника и технология силикатов. – 2008. – № 2. – С. 27–29. 14. Крапивина, С.А. Плазмохимические технологические процессы / С.А. Крапивина. – Л. : Химия, 1981. – 268 с. 15. Беев, А.А. Модифицированные эпоксидные полимеры, композиционные материалы на их основе. / А.А. Беев, А.К. Микитаев, Д.А. Беева // Поликонденсационные реакции и полимеры. Избранные труды. – Нальчик, КБГУ, 2008. – С. 21–45. 16. www.nocpic.ru 17. О некоторых путях утилизации отработанных резинотехнических изделий / Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко, О.А. Зубкова [и др.] // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-19-2013) : доклады (материалы) 19-й Международной научно-практической конференции, г. Новокузнецк, 6–8 ноября 2013 г. – Томск : САН ВШ; В-Спектр, 2013. – 202 с. 18. Кудяков, А.И. Проектирование и использование заполнителей с оптимальной межзерновой пустотностью в бетоне / А.И. Кудяков, А.Г. Смирнов, Г.Г. Петров // Известия вузов. – 1987. – № 7. – С. 135–138. 19. Хархрдин, А.Н. Фрактальная размерность дисперсных систем / А.Н. Хархрдин // Известия вузов. Строительство. – 2008. – № 8. – С. 102–107. 20. Горленко, Н.П. Низкоэнергетическая активация дисперсных систем / Н.П. Горленко, Ю.С. Саркисов. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2011. – 264 с. 21. Бердов, Г.И. Влияние высокодисперсных минеральных добавок на механическую прочность цементного камня / Г.И. Бердов, Н.И. Неконенко, Л.В. Ильина // Известия вузов. Строительство. – 2011. – № 12. – С. 25–30. 22. Перспективные композиционные материалы на основе модифицированных эпоксидной смолы, резиновой крошки и наполнителей. / Ю.С. Саркисов, О.А. Зубкова, Н.С. Елугачёва [и др.] // Материалы 1 Всероссийской научной конференции молодых учёных с международным участием. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2013. – 432 с. 269 Роговские чтения УДК 666.1.022.8 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Н.К. Скрипникова, И.Ю. Юрьев, В.А Литвинова, П.В. Космачев, М.А. Семеновых Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия Проведены исследования по использованию золошлаковых отходов в производстве строительных керамических изделий, мелкозернистого и тяжелого бетонов. Определены физико-механические свойства лабораторных образцов керамического кирпича и различных видов бетонов в зависимости от компонентного состава. Установлено, что использование зольных отходов ГРЭС-2 Томской области позволяет получать керамический кирпич с марочной прочностью до М250, мелкозернистые бетоны с классом до В25 и тяжелые бетоны – до В30. Ключевые слова: керамический кирпич, бетон, раствор, зола, золошлаковые отходы, ЗШО, прочность. Промышленное производство стеновых материалов – керамического кирпича и различных видов бетона – все больше сталкивается с нехваткой доброкачественных сырьевых материалов, обеспечивающих выпуск продукции, отвечающей требованием рынка. Уровень утилизации золошлаковых отходов (ЗШО) в России составляет около 4–5 %; в ряде развитых стран – около 50, во Франции и Германии – 70, а в Финляндии – около 90 их текущего выхода. В этих странах применяются в основном сухие золы, и проводится государственная политика, стимулирующая их использование. Так, в Польше резко повышена цена на землю под золоотвалы, поэтому ТЭЦ доплачивают потребителям с целью снизить собственные затраты на их складирование. В Китае золы доставляются потребителям бесплатно, а в Болгарии сама зола бесплатна. В Великобритании действуют пять региональных центров по сбыту зол [1]. На территории г. Томска на двух крупных золоотвалах тепловой электростанции ГРЭС-2 (ОАО ТГК-11), находящихся в долинах рек Ушайки и Малой Киргизки, на площади 77,5 га накоплено 3863,8 тыс. т ЗШО, по состоянию на 01.01.2010 [2]. Известно большое количество исследований по использованию зол в строительстве [3, 4], но практическое применение носит лишь эпизодический характер. В связи с этим, не теряет актуальность обоснование использования ЗШО в производстве строительных материалов, особенно на региональном уровне. Целью работы была оценка возможности применения ЗШО г. Томска, при получении таких строительных материалов, как керамический кирпич и различные виды бетона. Для этого в лабораторных условиях были проведены эксперименты по подбору рационального состава смеси сырьевых материалов. Подготовка золы к использованию проходила в два этапа: подсушивание до воздушно-сухого состояния при температуре 50 °С и помол в шаровых мельницах. Приготовление образцов керамического кирпича производили методом полусухого прессования с использованием глины Верхового месторождения Томской области со следующими технологическими характеристиками: формовочная влажность 10–12 %, давление прессования 25 МПа, сушка 24 ч, температура обжига 950 °С [5]. Содержание золы в шихте изменялось от 10 до 100 % по массе. Готовые образцы были подвергнуты физико-механическим испытаниям в соответствии с ГОСТ 530–2007 и ГОСТ 8462–85 с учетом масштабного фактора для одинарного полнотелого кирпича. Установлено, что добавление ЗШО до 70 % позволяет получать керамический кирпич с прогнозируемой марочной прочностью М150, что позволяет его использовать при возведении перегородок в различных типах зданий и сооружений. Составы с золой до 50 % позволяет производить кирпич с прочностью М200, который можно использовать в качестве рядового при возведении несущих стен. Для использования ЗШО в производстве керамического кирпича необходимо в технологической цепочке установить дополнительное оборудование в виде дозатора. Данная технология успешно внедряется на предприятии ООО СК «Сибдом», согласно договору о совместной деятельности с ТГАСУ. Ещё одним перспективным направлением является использование зольных отходов, при получении тяжелых и мелкозернистых бетонов. 270 Секция 6 Введение оптимального количества золы в состав бетонной смеси улучшает удобоукладываемость бетонной смеси, снижает водопроницаемость и усадку, обеспечивает высокую морозостойкость. Применение золы не оказывает отрицательного действия на модуль упругости бетона, повышая при этом его сульфатостойкость [4]. Действующие в нашей стране нормативные документы разрешают применять золы в качестве добавки для приготовления бетонов. Подбор составов бетона с добавкой ЗШО заключается в определении такого соотношения компонентов, включая золу, при котором требуемые свойства бетонной смеси и бетона достигаются при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси зола выполняет роль не только активной минеральной добавки, увеличивающей количество вяжущего, но и микронаполнителя, улучшающего гранулометрию песка и активно влияющего на процессы структурообразования бетона. Тончайшие фракции золы могут действовать как пуццоланы. Учитывая полифункциональный характер зольной добавки, введение ее взамен части песка позволяет решить задачу оптимизации составов. Введение ЗШО осуществлялось с различной гранулометрией в зависимости от вида бетона. Подготовленная бетонная смесь укладывалась в опалубку и выдерживалась в течение суток до схватывания. Затем полученные образцы подвергались пропариванию. Определение физико-механических свойств готовых бетонных образцов проводили в соответствии с ГОСТ 10180–90 и ГОСТ 12730.3–78. По результатам испытаний установлено, что максимальные прочностные характеристики, соответствующие классу В30 имеют образцы тяжелого бетона, при этом водопоглощение по массе и по объему у данных образцов минимально и составляет 1 и 2,7 % соответственно. Максимальные прочностные характеристики, соответствующие классу В25 имеют образцы мелкозернистого бетона с добавкой молотых золошлаковых отходов. Таким образом, получены составы тяжелого бетона класса В30 с использованием золошлаковых отходов с естественной гранулометрией и составы мелкозернистого бетона В25 с использованием молотых золошлаковых отходов. Определены оптимальные составы керамического кирпича и бетонов с применением золы, которые позволяют получать изделия с высокими физико-механическими характеристиками. На основе проведенных исследований установлено, что золошлаковые отходы можно считать перспективным техногенным сырьем для использования при производстве строительных материалов и изделий. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Путилин, Е.И. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС / Е.И. Путилин, В.С. Цветков. – М. : Союздорнии, 2003. – 60 с. 2. Состояние окружающей среды в Томской области в 2010 году / A.M. Адам, В.А. Коняшкин, С.Н. Воробьев [и др.] // Экологический мониторинг. – Томск : Графика DTP, 2011. – 144 с. – Условия доступа : http://www.green.tsu.ru/ upload/File/doc/ecoobzor/monitoring_2010_innet.pdf 3. Технология получения минеральных волокон путем утилизации золошлаковых отходов и отходов горючих сланцев / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин [и др.] // Стекло и керамика. – 2011. – № 8. – С. 3–5. 4. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве / Н.И. Ватин, Д.В. Петросов, А.И. Калачев [и др.] // Инженерно-строительный журнал. – 2011. – № 4 (22). – С. 16–21. 5. Юрьев, И.Ю. Комплексное использование золошлаковых отходов Томской области для получения различных видов строительных материалов / И.Ю. Юрьев, Н.К. Скрипникова // Вестник ТГАСУ. – 2013. – № 2. – С. 245–249. 271 Роговские чтения УДК 666.952.2:625.7 ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ СВОЙСТВ ЗОЛ УНОСА ПРИ ДИСПЕРСНОМ АРМИРОВАНИИ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ОТРЕЗКАМИ ВОЛОКОН ИЗ ОТРАБОТАННЫХ СОРБЕНТОВ В.Н. Лукашевич, И.В. Вакс Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:lukvin@tsuab.ru В результате проведенных экспериментов установлено, что при дисперсном армировании оснований дорожных одежд отрезками волокон из отработанных сорбентов, содержащих регулируемое количество собранных нефтепродуктов, происходит кольматация пор и капилляров зол уноса. Снижается пористость зол уноса, что приводит к снижению их битумоемкости. Это позволяет исключить повышенный расход нефтяного битума при сооружении оснований дорожных одежд, дисперсно армированных отрезками волокон из отработанных сорбентов. Ключевые слова: основание дорожной одежды,зола уноса, истинная плотность, волокнистые сорбенты, органоминеральная смесь, дисперсная арматура, адсорбционный слой битума, кольматация пор и капилляров. В соответствии с представлениями о пространственных структурах, развитых П.А. Ребиндером [1], асфальтобетон следует отнести к системам с коагуляционной структурой, вязко-пластические свойства которой определяются преимущественно особенностями асфальтового вяжущего, в роли которого выступает дисперсная система битум-минеральный порошок. Коагуляционные структуры характерны тем, что сцепление структурных элементов обеспечивается тонкими прослойками жидкой среды (битума). Сравнительно слабые молекулярные силы сцепления определяют прочность коагуляционных структур. В этой связи академик Л.Б. Гезенцвей отмечал [2], что проблема дальнейшего улучшения свойств асфальтобетона связана с существенным изменением его структуры. Эти положения в полной мере можно отнести и к органоминеральным смесям, особенно, если в их составе используются золы уноса, которые в большинстве своем по зерновому составу отвечают требованиям, предъявляемым нормативными документами к порошкообразным отходам используемым в качестве минерального порошка. Поэтому в настоящей работе решался вопрос улучшение структуры органоминеральных смесей путем их дисперсного армирования, в том числе с использованием новых методов, позволяющих применить для этих целей большую часть номенклатуры существующих полимерных волокнистых материалов, отходов и побочных продуктов промышленности. Дисперсное армирование органоминеральных смесей приводит к тому, что они становятся более сложной системой, включающей в свой состав, кроме вышеперечисленных структур, еще и армирующие структуры [3–5].Использование в качестве дисперсной арматуры отрезков волокон, полученных путем разволокнения и резки отработанных волокнистых сорбентов, не только снижает стоимость технологии дисперсного армирован6ия, но и позволяет улучшить свойства порошкообразных отходов промышленности, предоставляя возможность их использования в составе органоминеральных смесей без увеличения расхода нефтяного битума. В настоящее время, в условиях сложной экономической обстановки, особо актуальными становятся поиски новых технологий, нетрадиционных материалов, побочных продуктов и отходов местной промышленности, которые позволили бы заменить кондиционные материалы без ухудшения свойств конструктивных слое дорожных одежд. В этом отношении большой интерес представляют золы уноса гидроудаления ТЭС – высокотоннажный отход, образующийся при сжигании твердого топлива на тепловых электростанциях. Однако такие золы уноса, как показали исследования [6–8], требуют повышенного расхода нефтяного битума при приготовлении органоминеральных смесей, а сами смеси обладают пониженной водостойкостью и повышенной склонностью к старению, что является следствием наличия в составе зол уноса большого количества полуторных оксидов AL2O3 + Fe2O3 [9]. Для полного или частичного устранения неблагоприятных свойств золы уноса гидроудаления применяют различные способы. К их числу относятся: помол золы [10], ее предварительная гидрофобизация, замена вязких битумов жидкими, а также кольматация пор специальными добавками. 272 Секция 6 Для кольматации пор в золы уноса вводят небольшие количества химически активных реагентов, вступающих во взаимодействие с минералами золы, в результате которого образуются водонерастворимые соединения, отлагающиеся в ее микропорах. Некоторые из таких реагентов выполняют одновременно и функции модификатора поверхности частиц золы, улучшая сцепление с пленкой нефтяного битума. Применение для армирования оснований дорожных одежд, выполненных из органоминеральных смесей, дисперсной арматуры из отработанных волокнистых сорбентов, содержащих регулируемое количество поглощенного жидкого углеводородного материала, позволяет снизить пористость зол уноса, уменьшить влияние на смесь отрицательных свойств полуторных окислов и высокой пористости. При этом параллельно решается довольно остро стоящая проблема утилизации волокнистых сорбентов, отработавших свой ресурс при локализации и сборе разлитых нефти и нефтепродуктов. Волокнистые сорбенты используют для удаления с водной поверхности и с суши разлитых углеводородных материалов. Это осуществляется путем укладки волокнистых сорбентов на поверхность, подвергшуюся загрязнению. Сорбенты поглощают разлитое углеводородное сырье. Насыщенные нефтью, нефтепродуктами, нефтяными, каменноугольными, сланцевыми фусами и прочими жидкими углеводородными веществами, волокнистые сорбенты подвергают центрифугированию и используют вновь для локализации и сбора жидкого углеводородного сырья. После пятидесяти циклов поглощения-центрифугирования сорбенты считаются отработавшими свой ресурс и должны быть подвергнуты утилизации. Основные способы утилизации, существующие в настоящее время, предусматривают сжигание или захоронение отработанных волокнистых сорбентов. Эти методы нельзя назвать эффективными, поскольку они наносят вред окружающей среде. Более эффективным методом утилизации отработанных волокнистых сорбентов, предназначенных для локализации и сбора пролившихся нефти и нефтепродуктов, является их использование в составе органоминеральных смесей в качестве дисперсной арматуры. При этом достигается двойной эффект. Регулируемое количество углеводородного сырья содержащегося в сорбентах позволяет модифицировать золы уноса с улучшением их свойств, а отрезки дисперсной арматуры (полученные из сорбентов) создают в материале пространственную армирующую решетку, воспринимающую нагрузки и улучшающую показатели физико-механических свойств основания дорожной одежды. Данное решение не приводит к значительному увеличению стоимости покрытия, поскольку затраты ограничатся только процедурой переработки волокнистых сорбентов в дисперсную арматуру, которая предусматривает лишь их разволокнение и резку. Далее отдозированная дисперсная арматура вводится в смесительный агрегат и перемешивается с введенными ранее минеральными материалами. Затем вводится органическое вяжущее (нефтяной битум), осуществляется окончательное перемешивание, выгрузка смеси и ее доставка к месту укладки. Рассмотрим процессы структурообразования органоминеральных смесей, происходящие при перемешивании минеральных материалов (в том числе и зол уноса) с дисперсной арматурой, содержащей регулируемое количество поглощенного при ликвидации разливов углеводородного сырья, например, сланцевых фусов. Контактируя с поверхностью зол уноса, содержащаяся в фусах сланцевая смола будет проникать в поры и капилляры зол уноса. В состав сланцевой смолы входят фенолы, кетоны, карбоновые кислоты. В процессе избирательной фильтрации в поры и капилляры частиц золы уноса вместе со сланцевыми смолами будут проникать фенолы, карбоновые кислоты. Обладая высокой реакционной способностью, они могут вступать во взаимодействие с полуторными окислами с образованием водонерастворимых соединений типа фенолятов алюминия, железа и солей карбоновых кислот. Следовательно, можно предположить, что в результате взаимодействия компонентов сланцевой смолы и золы уноса, повышенная способность полуторных оксидов к интенсивному окислению нефтяных битумов будет в значительной степени нейтрализована. Это должно положительным образом отразиться на продолжительности службы оснований дорожных одежд из органоминеральных смесей, содержащих золы уноса. В результате кольматации пор и капилляров золы уноса смолой, содержащейся в фусах, увеличится плотность зол уноса, снизятся пористость и битумоемкость. Для проверки выдвинутых предположений об улучшении свойств зол уноса при их использовании в составе органоминеральных смесей, дисперсно армированных химическими волокнами, полученными путем резки отработанных волокнистых сорбентов, были проведены экспериментальные исследования. В исследованиях использовалась зола уноса гидроудаленияГРЭС-2 г. Томска. Перед испытанием зола просушивалась в сушильном шкафу до постоянного веса. Затем нагревалась до 273 Роговские чтения температуры 130 °С и обрабатывалась сланцевыми фусами. В связи с тем, что в исследовании использовались фусы средней зольности (33 % по массе), содержащие незначительное количество минеральных частиц, расход фусов учитывался по сланцевой смоле. Каждая точка исследуемого параметра определялась как средне-арифметическое значение его четырех измерений. Результаты исследований представлены на рис. 1–4. Рис. 1. Изменение истинной плотности золы уноса гидроудаления ТЭС в зависимости от содержания сланцевых фусов Рис. 2. Изменение пористости золы уноса гидроудаления ТЭС в зависимости от содержания сланцевых фусов Рис. 3. Изменение средней плотности золы уноса гидроудаления ТЭС в зависимости от содержания сланцевых фусов Рис. 4. Изменение битумоемкости золы уноса гидроудаления ТЭС в зависимости от содержания сланцевых фусов Из рис. 1 видно, что с увеличением содержания фусов уменьшается истинная плотность золы уноса. Это приводит к уменьшению истинной плотности основания изорганоминеральной смеси. Данное обстоятельство позволяет при одинаковой массе органоминеральной смеси устраивать основание на большей площади, что предопределяет возможность экономить органоминеральные смеси. Рис. 2 свидетельствует о том, что с увеличением содержания сланцевых фусов происходит уменьшение пористости золы уноса гидроудаления. Зола уноса, не содержащая фусов имеет пористостьпревышающую 46 %. При введении фусов порядка 15 % по смоле, пористость падает ниже двадцати процентов. Причиной уменьшения пористости золы уноса является кольматация пор ее частиц сланцевой смолой, имеющейся в составе фусов. 274 Секция 6 В результате кольматации пор частиц золы уноса сланцевой смолой, уменьшается пористость золы (рис. 3). Вследствие этого растет ее плотность и уменьшается битумоемкость (рис. 4). Зола уноса, не содержащая сланцевых фусов, характеризуется битумоемкостью, превышающей 75 г/100 см3. Введение в золу уноса пятнадцати процентов сланцевых фусов по смоле приводит к снижению битумоемкости до 35 г/100 см3. Уменьшение битумоемкости золы уноса исключает возможность перерасхода нефтяного битума при ее использовании в составе органоминеральных смесей. Таким образом, результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили, что совместное использование зол уноса гидроудаления и дисперсной арматуры из отработанных волокнистых сорбентов, содержащих регулируемое количество поглощенного углеводородного сырья, позволяет снизить пористость золы уноса. Снижается истинная плотность золы уноса и повышается ее средняя плотность. Важным моментом является то, что в результате кольматации пор и капилляров золы происходит снижение битумоемкости, что исключает перерасход нефтяного битума при сооружении дисперсно армированных оснований дорожных одежд из органоминеральных смесей. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика / П.А. Ребиндер. – М. : Наука, 1979. – 384 с. 2. Дорожный асфальтобетон /Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский [и др.] ; под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1985. – 350 с. 3. Гамеляк, И.П. Разработка методики конструирования дорожных одежд со слоями из дисперсно армированных асфальтобетонов : автореф. дис. … канд. техн. наук. – М. : Госдорнии, 1992. – 23 с. 4. Акулич, А.В. Структура и свойства дисперсно армированного асфальтобетона / А.В. Акулич // Повышение качества стр-ва автомоб. дорог в Нечерноземной зоне РСФСР : тез.докл. НТК. – Владимир, 1987. – С. 152. 5. Мерзликин, А.Е. Испытания конструкций дорожных одежд для оценки эффективности применения дисперсно армированного асфальтобетона / А.Е. Мерзликин, И.П. Гамеляк // Конструирование, расчет и испытание дорожных одежд / Союздорнии, 1990. – С. 17–25. 6. Барац, Н.И. Исследование инженерно-геологических свойств золоотвалов ТЭС / Н.И. Барац, В.П. Никитин // Автомобильные дороги: (Строительство и эксплуатация автомобильных дорог). – 1971. – № 1. – C. 15–18. 7. Взаимодействие шлаковых материалов с битумом / С.И. Самодуров, И.Ф. Гайнулин, Г.А. Расстегаева [и др.] // Известия вузов. Строительство и архитектура. –1975. – № 3. – С. 128–131. 8. Лучкин, А.И. Исследование минеральных порошков из зол уноса ТЭЦ и асбоцементных отходов для дорожного асфальтобетона : автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М. –23 с. 9. Мелентьев, В.А. Состав и свойства золы и шлака ТЭЦ : справочное пособие / В.А. Мелентьев. – М. : Энергоиздат, 1985. – 285 с. 10. Ходаков, Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов / Г.С. Ходаков. – М. :Стройиздат, 1972. – 185 с. 275 Роговские чтения УДК 628.19:691 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД НА ОТХОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ: УТИЛИЗАЦИЯ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ О.Д. Лукашевич Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: odluk@yandex.ru Рассмотрены возможные пути переработки железосодержащих отходов водоподготовки с целью их применения в производстве пигментов, добавок к сырью при получении керамзита, керамики, жидкостекольных композиционных материалов, адсорбентов, и одновременно – для снижения загрязнения окружающей среды на территории иловых площадок и природных водных объектов. Установленные лабораторными испытаниями морозо- и водостойкость, коррозионная стойкость, атмосферная устойчивость образцов композиционных материалов, окрашивающая способность пигментов отвечали требованиям стандартов. Приведены данные по экономически выгодному и экологически целесообразному использованию отходов Томского водозабора из подземных источников, рассмотрена перспектива дальнейшего развития предложенных природосообразных, ресурсосберегающих технологий. Ключевые слова: водоподготовка, осадки сточных вод, техногенное сырье, железооксидные пигменты, композиционные силикатные материалы. В Западной и Восточной Сибири в качестве источников для получения питьевой воды зачастую используются подземные воды с высоким содержанием природного загрязнителя – железа [1–4]. При подготовке такой воды с целью доведения ее качества до нормативных требований [5] перед подачей населению на водозаборных сооружениях образуется большое количество железосодержащих отходов (ЖСО) в виде шламов промывных вод фильтров. Эти отходы – суспензия шлама (в основном, оксигидроксида железа – гетита (α-FeOOH), трудно поддающаяся обезвоживанию, что обусловливает затруднения в ее дальнейшей утилизации в качестве техногенного сырья. Обычно ЖСО либо складируются на иловых площадках, занимая большие площади земель, изъятых из природных экосистем, либо подлежат захоронению. Отметим, что сам термин «иловые площадки», изначально предназначенный для обозначения природно-технических систем, служащих для обезвоживания и обезвреживания в естественных условиях сброженного в метантенках осадка, не вполне соответствует такому отходу промывных сточных вод, как ЖСО. Фиксируются случаи, когда, в нарушение природоохранного законодательства и технических регламентов, сброс неочищенных промывных вод осуществляется прямо на рельеф или в водные объекты. Это объясняется тем, что сумма штрафов на нарушение природоохранного законодательства значительно меньше затрат, требуемых для экологизации производственной схемы. Природосообразные, ресурсосберегающие инновационные технологии открывают перспективу для использования железосодержащих отходов водоподготовки в качестве сырья в черной металлургии, для получения жаростойких композиций, химических реагентов [3, 6–11]. Рассмотрим эколого-инженерные подходы к обработке и утилизации ЖСО водоподготовки с общетеоретических позиций, принятых в практике водопроводно-канализационного хозяйственного комплекса. Принято, в зависимости от условий формирования и особенностей выделения из жидкости, подразделять осадки сточных вод на первичные и вторичные. К первичным относят грубодисперсные примеси, выделенные при механической очистке (процеживании, седиментации, фильтровании, флотации, осаждении под действием центробежных сил). Вторичные осадки – это частицы, ранее входившие в состав сложных комплексных и коллоидных соединений, молекул органических и минеральных веществ, которые в процессе физико-химической или биохимической очистки оказались в составе твердой фазы [7]. Первые отличаются от вторых, как правило, большим размером частиц. ЖСО представляют собой смесь, в которой присутствуют частицы как первичных, так и вторичных осадков. В зависимости от исходного состава природной железистой воды, условий ее обработки ультрадисперсные или более крупные частицы ЖСО могут выделяться на разных участках техноло276 Секция 6 гической цепочки. Вместе с тем, определяя α-FeOOH и другие минералы, входящие в состав ЖСО, как гидрогенные [12], следует отдать предпочтение отнесению ЖСО, выделенных из природных вод, к категории вторичных осадков. Сырые осадки (IV группа первичных осадков), выделенные из промывной воды отстаиванием, не могут найти экономически целесообразного применения без предварительного обезвоживания. Их необходимо превратить в осадки, относящиеся к VII, VIII, IX группам вторичных осадков [7]: осадки уплотненные, подвергнутые сгущению до предела текучести (с влажностью 85–90 %); осадки обезвоженные, подвергнутые сгущению (с влажностью 40–80 %); осадки сухие, подвергнутые термической сушке (с влажностью 5–40 %). Анализ статей и монографий, патентно-информационной литературы, посвященных проблеме использования твердой фракции примесей, выделенных из сточных вод, показывает, что основное внимание авторами уделяется совершенствованию способов снижения влажности (минимизации объемов), обеззараживанию, стабилизации (приданию способности не выделять вредные компоненты при длительном хранении) осадков городских сточных вод [8, 9, 13–16]. Как правило, механически обезвоженные осадки подвергаются термической сушке, что позволяет сократить транспортные расходы и получить из них сыпучие материалы. Если осадок не токсичен, то в дальнейшем он, как правило, применяется как удобрение или сжигается с использованием выделяющегося тепла. Основные факторы, влияющие на выбор методов, способов, технологий, оборудования для переработки осадков следующие: объемы, химический и минералогический состав, соотношение фаз в системе «жидкость – твердая фаза», степень дисперсности частиц осадка, условия работы (температура, оборудование, аппаратура, реагенты), наличие бактериального заражения. Первые два фактора – определяющие. Вместе с тем, недооценка остальных может сыграть негативную роль и не позволить проявиться целевым физико-химическим эффектам при обработках. Задача выделения осадков сточных вод состоит не только в извлечении твердых частиц, но и в обеспечении возможности повторного использования полученной очищенной (технической) воды в замкнутых производственных циклах, а также выборе лучшего пути (экономически обоснованного и экологически целесообразного использования) выделенного твердого осадка. Данные о химическом составе ЖСО, образующихся на большинстве сооружений водоподготовки Томской и Кемеровской областей [6, 12] и проведенные дополнительные исследования позволяют утверждать, что осадки могут быть переработаны с получением пигментов, наполнителей или других материалов, пригодных для получения широкого спектра строительных материалов и изделий [17]. Одна из причин отсутствия интереса бизнес-структур к реализации этого направления – загрязнение ЖСО при поступлении в общие канализационные сети. Важно не допустить смешивания промывных сточных вод с фильтров, содержащих ЖСО, с другими, загрязненными органическими веществами и имеющими бактериальное заражение сточными водами предприятия. Канализационные осадки представляют повышенную бактериологическую и эпидемиологическую опасность, поэтому их автономная очистка с использованием современных биотехнологий и обеззараживания в отдельных сооружениях позволяет сохранить высокую чистоту ЖСО. Наиболее детально изучены свойства ЖСО, образующихся на станции обезжелезивания ООО «Томскводоканал». Это полиминеральная смесь с участием оксидно-гидроксидной железистой и марганцевой, кальциевой, фосфатной, карбонатной и алюмосиликатной минеральных фаз [3, 17], что показывает его безвредность и пригодность для использования как техногенного сырья. Первым этапом разработки способов полной утилизации ЖСО стал поиск путей интенсификации выделения шлама из устойчивых суспензий [18, 19]. Установлено, что, управляя режимами электрохимической обработки воды, можно обеспечить высокую скорость осаждения ЖСО из промывной воды. Достаточно четырехминутного времени воздействия, чтобы инициировать процесс электрокоагуляции, и многократно сократить время, требуемое для выделения осадка. Для высушенного осадка разработана технологическая схема получения из него желтого, красного, коричневого, черного железооксидных пигментов (рис.1) путем термообработки и определены их физико-механические и химические свойства [20, 21]. Полученные по предлагаемой технологии [22] пигменты могут считаться не имеющими конкурентов продуктами, т. к. они, будучи изготовлены из техногенных отходов, дешевы, а по основным качественным показателям соответствует лучшим образцам синтетических и природных железоок277 Роговские чтения сидных пигментов. По некоторым параметрам красный пигмент даже превосходит известные синтетические аналоги. Окраски железооксидных пигментов, полученных из осадков промывных вод станций обезжелезивания (Томская область) при разных температурных обработках (по патентам №№ 2471836, 114683) Следующим этапом работы было установление технологических условий окрашивания строительных материалов и изделий для придания им привлекательного вида при одновременном обеспечении высоких показателей прочности. Это направление исследований представляется наиболее перспективным среди других способов утилизации железосодержащих шламов (например, использование в доменном процессе для получения чугуна и стали). Сурикоподобный пигмент из ЖСО был выделен и опробован авторами работы [23]. Пигмент кофейного цвета, полученный из железосодержащего шлама водоподготовки Томского водозабора, описанный в работе [6], использовали в производстве окрашенного бетона (с добавлением песка и ПАВ). Нами выявлены технологические условия изготовления цветной (красной, розовой, коричневой) тротуарной плитки и других объемно-окрашенных изделий с использованием в качестве красителей пигментов, полученных прокаливанием ЖСО. Для получения образцов использовали серый (марки ПЦ500Д0) и белый (М250) цементы. Готовились растворы с соотношением цемент: песок = 30:70; оптимальное количество пигментов составляло 2, 3, 4 от массы цемента. Исходные компоненты перемешивались в сухом виде, затем затворялись водой в количестве, необходимом для получения раствора необходимой густоты. Условия твердения и оценка прочностных характеристик образцов соответствовали стандартным методикам [17]. Опытные образцы с 3, 4 и 5%-м содержанием красного пигмента показали полное соответствие нормативным требованиям по прочности, водостойкости, морозостойкости, при этом равномерное окрашивание по всему объему изделия придает ему эстетическую привлекательность и обеспечивает конкурентоспособность на рынке строительных материалов. При производстве керамических строительных материалов оксиды железа служат для снижения температуры обжига. Поэтому логичным было использовать осадки промывных вод в качестве добавки к сырьевой массе, предназначенной для изготовления керамики. Добавка ЖСО составляла 3–8 %, другим утилизируемым отходом служил стеклобой (3–8 %), придающий материалу прочность, использовалась глина из местных месторождений. Оценка влияния введения ЖСО в сырье показала, что осадок является отощающей добавкой, которая снижает пластичность сырьевой смеси. Содержание в составе ЖСО оксидов железа, а также щелочных и щелочноземельных металлов и других микропримесей обеспечивает легкоплавкость глин, способствует образованию красного цвета обожженных образцов керамики. При выполнении работы использованы методики, соответствующие классическим теоретическим представлениям. Из проб с разным содержанием измельченных глинистых пород, ЖСО и боя листового стекла формовали образцы цилиндрической формы диаметром 5 и высотой 10 мм при удельном давлении 100 МПа. Формование сырцовых гранул размером 10 мм производили на лабораторном прессе. Сформованные гранулы прогревали в сушильном шкафу при температуре 200 °С до постоянной массы. Глубокая термическая обработка проводилась в лабораторной электрической печи с платиновыми нагревателями в интервале температур от 100 до 1100 °С с изотермической выдержкой в течение 1 ч. Полученные образцы керамического черепка и исходные компоненты сырьевой смеси изучались комплексом физико-химических методов. Гранулы всех полученных образцов имели кристаллическую оболочку, и темно-красный, близкий к коричневому цвет. Основную их часть образовавшихся минералов, по данным рентгеноструктурного анализа, составля278 Секция 6 ют кварц (до 80 %), гематит (кристаллическая фаза), а также ортоклаз, манганит, гидрогетит, пирофиллит, обнаружены монотермит, гиперстен, стеатит [24]. Показано, что полученные образцы гранулированных керамических материалов могут служить в качестве зернистой загрузки скорых фильтров на станциях водоочистки. Материал обладает всеми качествами, необходимыми для этого: определенной пористостью (в пределах 0,48–0,55), плотностью (2,8–3,1 г/см3) и достаточной прочностью, характеризуемой измельчаемостью и истираемостью (табл. 1) и отвечает всем требованиям ГОСТ Р 51641–2000 «Материалы фильтрующие зернистые. Общие технические условия». Лабораторными исследованиями установлено, что эффект очистки воды от взвешенных частиц с использованием полученного керамического материала в качестве фильтрующей загрузки составляет 90–92 %. Таблица 1 Физико-механические свойства образцов полученного керамического материала Механическая прочность Номер образца Средняя плотность материала, г/см3 Измельчаемость, % Истираемость, % 1 2,00 0,158 2,8 2 2,05 0,15 3,0 3 2,05 0,15 3,1 Примечание. Соотношение компонентов в сырье: образец 1 – 4 % железистого осадка, 4 % стеклянного порошка, глина – остальное; образец 2 – 6 % железистого осадка, 4 % стеклянного порошка, глина – остальное; образец 3 – 10% железистого осадка, 4 % стеклянного порошка, глина – остальное. Изучены особенности получения жидкостекольных композиций с использованием полученного красного железооксидного пигмента. Композиции на основе жидкого стекла и наполнителей – это перспективные строительные материалы, обладающие кислото- и жаростойкостью, высокими прочностными характеристиками [17]. Благодаря мелкодисперсному состоянию пигмент выполняет двойную функцию: как красящее вещество и как наполнитель (в сочетании с более крупным наполнителем – песком). Сухие компоненты (пигмент и кварцевый песок) смешивались, добавлялось связующее – жидкое стекло с силикатным модулем n=3. Композиционные смеси формовались с помощью гидравлического пресса. Твердение полученных образцов происходило в воздушно-сухих условиях. При этом протекали процессы дегидратации жидкого стекла, химическое обменное взаимодействие между компонентами смеси, приводящее к повышению прочности сформованных образцов. Затем контрольные образцы выдерживались в воздушно-сухих условиях при температуре 25 °С, другие – прогревали при 500 и 700 °С. После термообработки линейные размеры образцов оставались неизменными, а их масса незначительно уменьшалась (на 3–5 %). Для всех образцов определяли плотность, прочность при сжатии, водопоглощение и коэффициент водостойкости Кводост. Некоторые из полученных результатов представлены в табл. 2. Установлено, что без обжига образцы не обладают водостойкостью (Кводост = 0,1–0,2). Лучшие результаты по физико-механическим показателям выявлены у образцов, прокаленных при 500 °С. Из сравнения свойств композиций № 1–4 с одинаковым соотношением пигмента и кварцевого песка следует, что оптимальное содержание жидкого стекла – 21 мас. %. Увеличение температуры обжига до 700 °С приводит к незначительному увеличению водопоглощения опытных образцов и уменьшению прочности при сжатии. Оптимальные характеристики проявляют образцы состава № 3 (водопоглощение – 11,6 %, прочность при сжатии – 49,6 МПа, коэффициент водостойкости – 0,9). Наблюдаемый эффект может быть обусловлен равномерным распределением частиц железооксидного пигмента по объему, адсорбцией на его поверхности продуктов реакций, протекающих при взаимодействии компонентов композиционной смеси. Частицы пигмента выступают в роли центров образования и кристаллизации этих продуктов, что положительно сказывается на увеличении прочности изделий. Экспериментально установлено, что примеси алюминия и калия переходят из пигмента в жидкое стекло и участвуют в образовании нитевидных кристаллов диаметром до 2 мкм калиевоалюминиевого гидросиликата, KAl[Si7O19]·5H2O,обеспечивающего высокую водостойкость [17]. 279 Роговские чтения 5 15 15 2 41,5 41,5 17 0 15 3 39,5 39,5 21 0 15 4 36 36 28 0 15 5 25 58 17 0 15 6 41 41 18 0 38 Плотность, кг/м3 1966 2078 1876 1887 2201 2086 2056 Коэффициент водостойкости 40 2196 2016 2018 2230 2096 2066 2181 2000 1952 2101 2069 Прочность при сжатии, МПа 40 – 500 700 – 500 700 – 200 300 500 700 – 500 700 – 500 700 – 500 700 Водопоглощение, % 1 Температура обжига, °С Вода Жидкое стекло Кварцевый песок Пигмент № состава Состав композиционной смеси, мас., % Давление прессования, МПа Таблица 2 Состав и физико-механические показатели композиционных материалов на основе жидкого стекла – 13,8 15,6 – 12,4 13,0 – 14,1 14,5 11,6 12,0 – 14,0 – – 14,0 14,0 8,8 12,1 13,3 11,3 22,7 22,7 18,0 30,4 39,2 50,3 43,5 41,5 49,6 44,6 4,1 43,5 – 13,7 28,3 27,1 41,2 44,1 36,0 – 0,60 0,78 – 0,80 0,95 – 0,69 0,85 0,90 0,60 – 0,72 – – 0,70 0,80 0,10 0,83 0,90 Показано, что частицы пигмента в составе композиционной смеси играют важную роль в формировании структуры получаемых материалов. Благодаря своему малому размеру (124 нм) они равномерно распределяются по всему объему изделия, адсорбируя на своей поверхности кремнегель и становятся центрами кристаллизации, что способствует увеличению прочности изделий. При получении другого типа композиционных окрашенных композиционных материалов использовались относительно невысокие температуры: в составы смесей на основе жидкого стекла вводили химически активные добавки (СаО или Са(ОН)2), пигмент, наполнитель и подвергали термической обработке при температуре 200 °С. Приготовленный контрольный образец, содержащий в качестве наполнителя только песок, показал значение предела прочности при сжатии 15,4 МПа; при добавлении к песку 1 мас. % оксида кальция прочность возрастала на 41 % до 26,2 МПа. Введение пигмента (3 мас. %) повышает предел прочности при сжатии на 46 % (28,4 МПа). У образцов, приготовленных из смеси песка, пигмента и СаО, прочность увеличивается на 53 % (32,6 МПа) по сравнению с контрольным [25]. На основе жидкостекольной композиции с оптимальным составом, установленным экспериментально, получен стеновой материал, подобный силикатному кирпичу. Сравнение физико-механических показателей силикатного кирпича и кирпича на основе синтезированного жидкостекольного вяжущего показало, что последний не уступает, а по некоторым характеристикам (прежде всего – 280 Секция 6 по водостойкости) даже превосходит силикатный кирпич [17]. Экономическая целесообразность получения стеновых материалов на основе жидкостекольных композиций связана, в том числе, с энергосбережением: в сравнении с технологией силикатного кирпича, по предложенной технологии длительность цикла изготовления изделий сокращается в 3 раза, расход тепла снижается в 1,5 раза, из технологии исключается процесс запаривания изделий. Малые (от 0,02 мм до 10 нм) размеры частиц, высокое содержание железа в оксидных, гидроксидных и смешенных формах, отсутствие токсичных примесей, а также большая удельная поверхность указывают на перспективность использования железосодержащих осадков промывных вод для очистки производственных и ливневых сточных вод [26, 27]. Высокая поглощающая способность ЖСО в отношении тяжелых металлов может быть использована, во-первых, для выделения токсичных элементов из сточных вод, во-вторых, для обработки осадков гальванических производств. Изучена эффективность процесса сорбционно-химического связывания ионов тяжелых металлов осадков сточных вод сорбционным материалом из природнотехногенного сырья, включающего распространенные глинистые минералы и ЖСО [19, 27]. Экспериментально установлены катионы, которые имеют предпочтительную адсорбцию на ЖСО: Со+2, Со+3, Ni+2, Сa+2, Zn+2, Сd+2, Pb+2, что связано с их геохимическими характеристиками. Эти ионы в природных условиях при совместном осаждении с железом из водных растворов способны образовывать ряд минералов. Искусственное создание аналогичных условий в очистных сооружениях позволяет реализовать известные принципы рационального природопользования: «Природа знает лучше», «Использование природных ресурсов должно реализовываться комплексно, через взаимодействие разных отраслей», «Создание антропогенных круговоротов замкнутыми (подобно естественным биогеохимическим циклам)». С этих позиций представляется целесообразной организация иловых площадок, куда вместе с ЖСО помещаются осадки сточных вод гальванических производств. Для предотвращения миграции тяжелых металлов за пределы площадки необходимо соблюдение последовательности слоев (снизу вверх): глина, ЖСО, осадки сточных вод, содержащие тяжелые металлы, известь (с доведением, при необходимости, величины рН до 8). Нами рассмотрены только несколько направлений утилизации железосодержащих шламов. Перспективными являются работы по синтезу ферритов – современных дешевых магнитных материалов, которые используются в производстве компонентов электронной техники. Примесь марганца в составе ЖСО дает возможность получить ряд ферритов с переменным составом (обращенных шпинелей) с заданными свойствами. Присутствие наночастиц в ЖСО создает предпосылки для образования интерметаллидов в процессе термообработки сырьевой смеси. Возможно также получение сплавов системы Fe-Al-Si, которые широко используют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов. Есть и другие востребованные промышленностью возможности использования отходов водоподготовки в качестве сырья, которые могут стать направлениями дальнейших исследований Выводы 1. Комплексом физико-химических методов исследован состав железосодержащих осадков, выделяемых при водоподготовке, и изучены возможные области их утилизации. 2. Из отходов водоподготовки получены дешевые отечественные железооксидные пигменты, не уступающие импортным аналогам, пригодные для окрашивания строительных материалов и изделий. 3. Показана модифицирующая роль красного пигмента, полученного из отходов водоподготовки, в формировании высоких прочностных характеристик жидкостекольных композиционных материалов. 4. Принципы рационального природопользования в сфере утилизации железосодержащих отходов водоподготовки эффективно реализуются при их использовании в качестве: аналога болотных руд в металлургии; сырья для пигментов и композиционных материалов, компонентов сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Зекцер, И.С. Подземный сток и ресурсы пресных подземных вод. Современное состояние и перспективы использования в России / И.С. Зекцер. – М. : Научный мир, 2012. – 372 с. 2. Гидрогеология СССР. Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования. – М. : Недра, 1977. – 279 с. 281 Роговские чтения 3. Лукашевич, О.Д. Совершенствование хозяйственно-питьевого водопользования для повышения уровня его экологической безопасности (на примере Западной Сибири)/ О.Д. Лукашевич ; под ред. Г.М. Рогова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. – 350 с. 4. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов, В.А. Коробкин, О.Д. Лукашевич [и др.]. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2002. – 143 с. 5. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. – М. : Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2002. – 103 с. 6. Лисецкий, В.Н. Улавливание и утилизация осадков водоподготовки на водозаборах г. Томска / В.Н. Лисецкий, В.Н. Брюханцев, А.А. Андрейченко. – Томск : Изд-во НТЛ, 2003. – 164 с. 7. Обработка и утилизация осадков производственных сточных вод / С.В. Яковлев, Л.С. Волков, Ю.В. Воронов [и др.]. – М. : Химия, 1999. – 448 с. 8. Утилизация гидрокисных осадков водопроводов юга страны / В.А. Лысов, А.В. Бутко, М.Ю. Баринов [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. – 1992. – № 7. – С. 9–10. 9. Совместная обработка осадков сточных вод и осадков, образующихся на водопроводных станциях. / С.В. Яковлев, Б.А. Ганин, А.С. Матросов [и др.]. – М. : Стройиздат, 1990. – 104 с. 10. Шаяхметов, Р.З. Деманганизация подземных вод и утилизация шламов водоочистки / Р.З. Шаяхметов, В.В. Яковлев // Водоснабжение и санитарная техника. – 2009. – № 10. – Ч. 2. – С. 25–30. 11. Новиков, М.Г. Утилизация промывных вод фильтровальных сооружений на водоочистных станциях / М.Г. Новиков, Н.Г. Иванова, Л.П. Дмитриева // Вода и экология. – 2000. – № 1. – С. 15–22. 12. Минеральные новообразования на водозаборах Томской области / Д.С. Покровский, Е.М. Дутова, Г.М. Рогов [и др.] ; под ред. Д.С. Покровского. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 176 с. 13. Аграноник, Р.Я. Технология обработки осадков сточных вод с применением центрифуг и ленточных фильтр прессов / Р.Я. Аграноник. – М. : Стройиздат, 1985. – 145 с. 14. Трунов, В.П. Современные энергосберегающие технологии обработки осадков / В.П. Трунов, С.В. Лунин, А.А. Шевченко // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. – 2010. – № 11. – С. 9–10. 15. Вейсфальд, Б.А. Внедрение современных технологий в проекты сооружений очистки сточных вод и обработки осадка / Б.А. Вейсфальд // Водоснабжение и санитарная техника. – 2009. – № 8. – С. 17–23. 16. Любарский, В.М. Осадки природных вод и методы их обработки / В.М. Любарский. – М. : Стройиздат, 1980. – 128 с. 17. Лотов, В.А. Утилизация железистых шламов водоочистки в технологии строительных материалов / В.А. Лотов, О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. – 140 с. 18. Лукашевич, О.Д. Комплексное решение технологических проблем очистки сточных вод и утилизации железосодержащих осадков станции водоподготовки / О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова, И.В. Барская. // Вестник ТГАСУ. – 2009. – № 1. – С. 153–158. 19. Лукашевич, О.Д. Экологические проблемы обработки и утилизации осадков сточных вод / О.Д. Лукашевич, И.В. Барская // Экология промышленного производства. – 2007. – № 3. – С. 10–15. 20. Пат. 2471836. Рос. федерация, МПК7 С09С 1/24. Способ получения железооксидных пигментов / О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова, Л.В. Герб, О.Ю. Гончаров ; заявл. 23.06.2011 ; опубл. 10.01.2013. 21. Пат. 114683. Рос. Федерация, МПК7 С09С 1/24. Установка для получения железооксидного пигмента из шлама станции водоподготовки / О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова, В.А. Кутугин, Н.Е. Торопков ; заявл. 08.11.2011 ; опубл. 10.04.2012. 22. Лукашевич, О.Д. Получение пигментов из железосодержащих шламов водоподготовки для использования в строительной отрасли / О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова // Вестник ТГАСУ. – 2014. – № 4. – С. 178–188. 23. Дзюбо, В.В. Технология получения сурикоподобного пигмента и краски на его основе / В.В. Дзюбо, Ю.С. Саркисов // Инф. лист № 50-97. Сер. Р61.65.31. – Томск : ТМТЦНТИП. – 5 с. 24. Лукашевич, О.Д. Физико-химические аспекты комплексного использования осадков промывных вод / О.Д. Лукашевич, И.В. Алгунова, Ю.С. Саркисов // Вестник ТГАСУ. – 2004. – № 1. – С. 129–145 25. Композиционные материалы на основе высокожелезистого шлама водоподготовки / Н.Т. Усова, В.А. Кутугин, В.А. Лотов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Т. 319. – № 3. – С. 36–39. 26. Лукашевич, О.Д. Гидрогеохимические аспекты очистки природных вод / О.Д. Лукашевич, Н.Т. Усова // Вода: технология и экология. – 2009. – № 4. – С. 3–15. 27. Станкевич, К.С. Выделение и утилизация отходов водоподготовки Томского водозабора / К.С. Станкевич, Н.Т. Усова, О.Д. Лукашевич // Использование и охрана природных ресурсов в России. – 2010. – № 3. – С. 12–15. 282 ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ УДК 502 ЭКОЛОГИЧЕСКЙИ МОНИТОРИНГ ВОДОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ГОРОДА ТОМСКА А.Ю. Волженина Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: nnaassttyyaa92@mail.ru Статья посвящена изучению химического и микробиологического состава питьевой воды в водопроводящих системах городской территории и оценке ее качества. В процессе исследования проводились опробования водозаборных колонок и кранов внутреннего водопровода зданий, расположенных в различных районах города. Для определения компонентов химического состава воды применяли аналитические методы; для выявления и количественного учета микроорганизмов водопроводящих систем города – культуральные методы. В результате исследования дана оценка качества воды в городской водопроводящей системе. Ключевые слова: экологический мониторинг, водопроводная вода, водопроводные системы, централизованное водоснабжение, качество воды, оценка соответствия. Жители г. Томска обеспечиваются водой из двух источников: поверхностного (р. Томь) и подземного (водоносного горизонта палеогеновых отложений). Основным источником хозяйственнопитьевого водоснабжения города является подземный водозабор, эксплуатирующийся с 1973 г. [1]. Проблема чистой питьевой воды – одна из главнейших глобальных проблем нашего времени, поэтому актуальность данного исследования определяется потребностью обеспечения населения г. Томска воды удовлетворительного качества. В задачу данного исследования входило изучение химического и микробиологического составов питьевой воды в водопроводящих системах городской территории и оценка ее качества. Для изучения качественного состава водопроводной воды проводился отбор проб из уличных водозаборных колонок на наиболее возвышенных и тупиковых участках распределительной сети, а также из кранов внутренних водопроводных сетей зданий, с учетом их этажности, возраста, материалов исполнения, давности ремонта и смены водопроводной системы, а также с учетом равномерности распределения точек опробования на территории города. Пробы воды отбирались без их консервации и хранения на химический и микробиологический анализы в зимний и весенний периоды. По всем точкам определялись компоненты химического состава воды, рекомендуемые СанПиН 2.1.4.1074–01 [2]. В этих же пробах определялись мезофильные сапрофиты, являющиеся показателями санитарно-гигиенического состояния водного объекта. В незагрязненной воде количество этих микробов должно быть менее 50 кл/мл. Также определялись экологические группы микроорганизмов: психрофильные сапрофиты, олиготрофы, нефтеокисляющие бактерии, гетеротрофные и миксотрофные железоокисляющие бактерии, железовосстанавливающие и сульфатвосстанавливающие бактерии. Микроорганизмы этих групп безопасны для здоровья человека, их количество не нормируется. Эти микроорганизмы могут использоваться как индикаторы состояния экологического состояния водного объекта. Кроме прокариотных, выявляли и учитывали также эукариотные микроорганизмы: актиномицеты и плесневые грибки. Полученные результаты аналитических исследований химического состава воды, как отобранной из уличных водозаборных колонок, так и отобранной из кранов жилых и административных помещений, свидетельствуют, что качественный состав изучаемых подземных питьевых вод по большинству 283 Роговские чтения показателей постоянен и соответствует нормативным требованиям СанПин 2.1.4.1074–01, за исключением содержания в подземных водах кремния [2]. Повышенные значения кремния 1,1–1,4 ПДК обусловлены природными гидрогеохимическими особенностями территории [3]. Что касается микробиологического состава, то здесь наблюдается высокая динамичность микробиологических показателей в зависимости от места и сезона опробования. В период с февраля по март в водопроводной воде отсутствовали полностью мезофильные сапрофиты. Менее, чем в половине проб присутствовали одновременно в небольшом количестве психрофильные сапрофиты, олиготрофы, нефтеокисляющие и железоокисляющие бактерии, плесневые грибы. В воде одного крана обнаружены сульфатвосстанавливающие бактерии. Почти везде обнаружены плесневые грибы, присутствие которых вероятнее всего обусловлено воздушным заражением воды при ее отборе. Вода, отобранная из колонок, содержала большее количество бактерий, чем вода из домашних кранов. Большим количеством микробов выделяется водопроводная вода из кранов домов по пр. Кирова и ул. Лазарева, из колонки – на ул. Заречной. Такое большое количество микробов обусловлено здесь преобладанием миксотрофных железобактерий (рис. 1). Численность, кл/мл 2500 2000 1500 1000 500 0 Адрес точек опробования Рис. 1. Суммарная численность микробов в водопроводной воде в зимний период В период половодья в водопроводной воде появилось больше психрофильных сапрофитов, нефтеокисляющих, железоокисляющих, железовосстнавливающих бактерий, плесневых грибов. Мезофильные сапрофиты, которые являются показателями санитарно-гигиенического состояния воды и ее безопасности для здоровья человека, были обнаружены только в одной пробе – в воде крана на ул. Водозаборной, расположенной в районе подземного водозабора, но их количество соответствовало нормативу. Большим количеством бактерий отличалась вода из кранов домов по ул. Нарановича и ул Усова 40, а также вода из колонки на ул .Заречной (рис. 2). Выявленные микроорганизмы их количеством и разнообразием указывают на существование микробных сообществ в водопроводных коммуникациях. Эти сообщества микробов образуют на стенках водопроводов микробный оброст или биологические обрастания. Все выявленные группы микроорганизмов содержатся не в поступающей в распределительную сеть очищенной воде, а размножаются непосредственно в водопроводящих сооружениях. Проведенные исследования воды из городского водопровода показали, что также бактериальный оброст возникает и на фильтрах водопроводных кранов. Основу оброста чаще всего составляют железобактерии. Их массовое развитие может привести к тому, что из водопроводного крана вместо воды будет вытекать бурая слизистая жидкость или будут высыпаться пучки ржавых или седых нитей. Был проведен эксперимент с промывкой фильтра. Результаты эксперимента показывали, что до промывки фильтра в воде водопровода присутствовала многочисленная микрофлора. После промывки фильтра микроорганизмы в воде обнаружены не были (рис. 3). Для полноты эксперимента был выполнен микробиологический анализ оброста. Результаты показали наличие в смыве оброста до нескольких миллионов клеток психрофильных сапрофитов и железобактерий в 1 мл воды. 284 Школа молодых ученых 10000 Численность, кл/мл 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Адреса точек опробования Рис. 2. Суммарная численность микробов в водопроводной воде в весенний период До очистки фильтра После очистки фильтра Численность, кл/мл 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Актиномицеты Плесневые грибы Сульфатредуцирующие бактерии Нефтеокисляющие бактерии Миксотрофные железобактерии Гетеротрофные железобактерии Психрофильные сапрофиты Мезофильные сапрофиты 0 Функциональные группы микроорганизмов Рис. 3. Микробиологический состав водопроводной воды до и после очистки фильтра крана (пр. Кирова) Результаты проведенных исследований показывают, что чаще всего, в большем разнообразии и количестве микроорганизмы обнаруживаются в старых водопроводных трубах. В качестве такого примера можно привести результаты анализа воды из водопроводов двух домов по ул. Усова (рис. 4). Ул. Усова, 21 Ул. Усова, 40 Численность, кл/мл 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Функциональные группы микроорганизмов Рис. 4. Сравнительный анализ микробиологического состава питьевой воды водопроводов различных сроков службы 285 Роговские чтения Оба дома старой постройки, одной этажности, но в одном доме меняли водопровод 5 лет назад, а в другом – больше 10 лет. Разница в бактериальном составе очевидна и отсюда следует вывод, чем больше срок службы водопроводных труб, тем больше в них будет разнообразных бактерий, и в первую очередь – железобактерий. Подводя итог вышесказанному, нужно отметить, что водопроводная вода г. Томска имеет постоянный химический состав для всех районов города вне зависимости от места опробования и типа водозаборного устройства. В воде отсутствуют загрязняющие химические и микробиологические компоненты, поэтому качество воды соответствует по всем показателям требованиям СанПин 2.1.4.1074–01, что свидетельствует о ее безопасности для здоровья человека. Присутствующие в водопроводящей системе иногда в значительных количествах микроорганизмы различных физиологических групп безопасны, но они являются индикаторами состояния водопроводных систем. Практически во всех точках опробования присутствуют железобактерии, которые являются показателем таких явлений, как коррозия и оброст. Микроорганизмы поступают в воду в процессе ее транспорта по водопроводным системам. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Декларация ООО «Томскводоканал» о качестве питьевой воды, подаваемой системой хозяйственно-питьевого водоснабжения с 01 января по 31 декабря 2013 г. 2. СанПин 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. 3. Зуев, В.А. Химический состав подземных вод Томского водозабора / В.А. Зуев, О.В. Картавых, С.Л. Шварцев // Обской вестник. – 1999. – № 3–4. – С. 71. 286 Школа молодых ученых УДК 502 ПРОБЛЕМА ЧИСТОЙ ВОДЫ В МИРЕ И АКТУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ГИДРОЭКОЛОГИИ Ю.А. Деева, Н.А. Кузьмина, В.К. Попов Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия В течение длительного исторического периода в регионе с природными запасами чистой пресной воды человек в полной мере удовлетворял свои потребности в пресной воде, не ощущая в ней недостатка. Однако в связи с интенсивным ростом населения и его производственной деятельностью потребность в воде неуклонно возрастала. В настоящее время проблема загрязнения водной среды является наиболее актуальной. Вода является жизненно важным продуктом для человека. Ее используют как для простого поддержания существования, так и для промышленности, сельского хозяйства и производства энергии. На планете Земля достаточно большое количество воды. Проблема в том, что 97,5 % является соленой, а две трети пресной заморожены. Сегодня более миллиарда человек не имеют доступа к чистой питьевой воде, а два миллиарда с лишним живут в неудовлетворительных санитарных условиях. Лишь 8 % запасов пресной воды на планете употребляется в питьевых целях. Основными источниками питьевой воды являются реки и пресные озера, которые распространены на континентах крайне неравномерно. В Европе и Азии, например, где проживает 70 % населения, сосредоточено только 39 % мировых запасов речных вод. Около 70 % воды используется для орошения 22 % – в промышленных целях [1]. Основными причинами недостатка пресной воды в мире являются: интенсивное увеличение потребности в воде в связи с ростом численности населения планеты и развитием хозяйственной деятельности, засуха, исчерпание водных ресурсов вследствие сокращения водоносности рек. Водоносность рек обуславливается вырубкой лесов, распашкой лугов, и осушением пойменных болот, которые приводят к усилению поверхностного стока и увеличению объёма воды, стекающей в моря, а также к сокращению уровня грунтовых вод. Также причинами являются потери пресной воды из-за загрязнения водоёмов сточными водами. Основными вредными веществами, поступающими в водные объекты со сточными водами, являются нефть и нефтепродукты, аммиак, тяжелые металлы, сложные химические соединения, пестициды. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами приводят к появлению нефтяных пятен. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку по площади до 12 км2 [2]. Питьевая вода Концентрации различных химических элементов в питьевой воде зависят от природных и антропогенных факторов. Природные причины определяются уровнем естественного содержания элементов в открытых водоемах, подземных водах, почве и горных породах, а техногенные или антропогенные – поступлением в окружающую среду химических элементов в результате хозяйственной деятельности человека. Содержание в питьевой воде тяжелых металлов (свинец, медь, никель, цинк), а также марганца и хрома зависит как от гидрохимических особенностей территории, так и от специфики техногенного воздействия на окружающую среlу. Специалистами установлено, что если концентрации различных металлов в питьевой водопроводной воде превышают питьевой уровень, это является подтверждением их техногенного, а не природного происхождения. Обычно это происходит при различных авариях. На Всемирном экономическом форуме Global Risks в Даво’се в 2013 г., эксперты назвали проблему воды в качестве одного из четырех глобальных рисков, стоящих перед бизнесом в двадцать первом веке. Несколько кампаний, таких как Goldman Sachs, General Electric, и Shell совместно с институтом мировых ресурсов разработали онлайн-платформу под названием Акведук, показывающую реальную картину водных рисков (водной ситуации) по всему миру. Используя эти данные, мы можем найти эффективные решения проблемы чистой воды [3]. 287 Роговские чтения Возможные способы решения проблемы 1. Распространение СМИ информации о выгодах ресурсосбережения в системах водоснабжения и водоочистки. 2. Создание мощных организаций и институтов с целью более эффективного управления водными ресурсами. 3. Специалисты по водным ресурсам должны переориентировать свою деятельность с задачи по увеличению количества воды на задачу обеспечения водой лучшего качества. 4. Новые инновационные партнерские отношения с субъектами частного сектора. Государство частично инвестирует такие организации, и уже несколько стран по всему миру- от Колумбии и Мексики до Китая и США – уже начали инвестировать в этом направлении. 5. Во многих компаниях, связанных с пользованием водных ресурсов, решения принимаются без дальнейших последствий. Поэтому необходимо ввести строгие правила на услуги ирригации (орошения) и дренажа, энергетики и природоохранных объектов для улучшения состояния здоровья большей части наслоения. 6. Улучшение управления и устойчивого использования ограниченных водных ресурсов. Актуальные задачи гидроэкологии Гидроэкология, как предмет, изучает водные экосистемы и их связи с окружающей средой. И на данный момент становится актуальным разработка критериев и стандартов качества воды. Таким образом задачами гидроэкологии являются: – решение вопросов использования водоемов для целей водоснабжения; – значение имеют гидроэкологические исследования при решении ряда медицинских и ветеринарных проблем, связанных с передачей различного рода заболеваний через воду и водные ресурсы; – охрана гидротехнических сооружений от повреждений их обитателями водоемов, борьба с обрастанием подводных частей судов, разработка мер предохранения металла и бетона от коррозии; – гидроэкологические исследования на процессы зарастания водоемов и водотоков, изучаются образующиеся при поливе микроводоемы, их население. Рассмотрим на конкретном примере. Тилигульский лиман – лиман в Одесской и Николаевской областях Украины, на побережье Черного моря [4]. Как водный объект, с одной стороны он является главным базисным элементом природной экосистемы прилегающих территорий, а с другой- интегрирует (суммирует) все негативные последствия антропогенной деятельности и изменений климата. Первоочередная задача заключается в разработке стратегии управления водными ресурсами лимана с учетом современного состояния и перспективных планов хозяйственной деятельности на водосборе. Основные задачи: 1. Сбор и обработка исходной информации для анализа климатических изменений гидрометеорологических характеристик, сценарного гидроэкологического моделирования с учетом антропогенных и климатических факторов. 2. Разработка качественных сценариев будущего развития социально-экономической ситуации, оптимального моделирования с учетом антропогенных и климатических факторов. 3. Сценарное гидроэкологическое моделирование количественных характеристик пресного стока с водосборного бассейна р. Тилигул и Тилигульского лимана, его качественных гидрохимических показателей с учетом будущих изменений климата, земле- и водопользования. 4. Сценарное моделирование изменений гижроэкологического режима Тилигульского лимана в условиях водообмена с морем через искусственный соединительный канал, изменяющейся антропогенной нагрузки и ожидаемых климатических изменений. 5. Разработка научно-обоснованной стратегии и элементов системы принятия решений для комплексного управления водными ресурсами лимана с учетом антропогенной деятельности на водосборе и ожидаемых климатических изменений. Вывод: В 2007 г. по инициативе Генерального секретаря ООН был создан СЕО Water Mandate, предназначенный для оказания помощи компаниям по разработке, внедрению и раскрытию устойчивости 288 Школа молодых ученых воды. К 2013 г. около 100 компаний подписали Глобальный договор ООН и обязались разрабатывать и осуществлять политику водоустойчивости, а также работать с субъектами за пределами их собственных операций с целью улучшения водной ситуации. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. 2. 3. 4. http://www.prozapas.com.ua/ru/news/mir_vokrug_nas/247.html http://www.myshared.ru/slide/561769/ http://www.wri.org/our-work/project/aqueduct https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0 %BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%BD 289 Роговские чтения УДК 502 ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ НА ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ Е.В. Иванова, Л.В. Шерстобитова Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: Sindi199_1991@bk В статье рассмотрены вопросы экологической ситуации в Кемеровской области, состояние строительного комплекса Кемеровской области и демографическая ситуация в этом регионе. Предложен один из методов решения экологической проблемы через развитие малоэтажного жилищного комплекса. Этот метод позволяет улучшить демографическую ситуацию. Ключевые слова: градостроительные процессы, экологическая ситуация, малоэтажное жилищное строительство. Кемеровская область – это такая уникальная система расселения и производства, которая сложилась на протяжении длительного времени. Наличие природно-территориальных и производственных ресурсов, а также удобных транспортно-коммуникационных связей определяет потенциал развития отдельных городов и поселков и всего региона. Населенные пункты области характеризуются разными типологическими признаками (сложившиеся угольные города; центры обрабатывающей промышленности; поселения транспортного типа, рекреационные поселки). Разные функциональные характеристики предполагают их отличные сценарии формирования и развития как в экономическом и инженерно-техническом, так и в архитектурно-планировочном аспектах. Население распределено по территории области неравномерно. Ареалы наиболее интенсивного заселения расположены в угольном бассейне, занимающем преимущественно Кузнецкую котловину. В Кемеровской области на 1 января 2014 г. существует 20 населённых пунктов, которые относятся к городам. Из городов по численности населения выделяются: Кемерово (542,05 тыс. чел.), Новокузнецк (549,698 тыс. чел), Прокопьевск (203,802 тыс. чел), Белово (131,223 тыс. чел), Ленинск – Кузнецкий (101,676 тыс. чел), Междуреченск (101,51 тыс. чел), Киселёвск (100,144 тыс. чел). Кемеровская область занимает первое место по уровню урбанизации среди регионов Азиатской части России (плотность населения составляет 29,5 чел./км², а удельный вес городского населения – 84,9 % по данным на 2010 г.) [1]. Промышленность (угледобывающие предприятия – шахты и разрезы), занимая значительную часть городских территорий, оказывает влияние на формирование планировочной структуры и архитектурного облика поселений. Во многих городах Кемеровской области (Прокопьевск, Киселёвск, Междуреченск) экономика почти полностью зависит от угледобычи, что обуславливает монопрофильность поселений (фактически рабочих поселков при добывающих предприятиях) и не создает условий для их устойчивого развития. По данным Доклада о состоянии среды окружающей среды Кемеровской области в 2013 г. [2] были проанализированы показатели загрязнения атмосферы и показатели нарушенных земель в семи перечисленных выше городах, численность населения которых превышает 100 тыс. чел. (табл. 1). Экологическая ситуация крайне неблагоприятная в г. Междуреченске, который является одним из лидеров по показателю нарушенных земель и по показателю удельных выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников. Наиболее благоприятная экологическая ситуация наблюдалась в г. Кемерово. В Кемеровской области в целом за весь постсоветский период – устойчивый отток населения (табл. 2), потери населения за период 2003–2013 гг. составили 138 тыс. чел. За последние три года численность населения увеличивается только в 2-х самых крупных городах – Кемерово и Новокузнецке – за счёт местной миграции [1]. Во всех других городах численность населения уменьшается (табл. 3). Уменьшение численности населения происходит как за счёт миграционного оттока (особенно молодых групп), так и за счёт превышения смертности над рождаемостью (в 2013 г. ожидаемая продолжительность жизни составила 67,8 лет). 290 Школа молодых ученых Таблица 1 Экологическая ситуация в городах Кемеровской области в 2013 г., рассчитано по [2] Город Загрязнение атмосферы: выбросы от стационарных источников Всего, тыс. т На 1 жителя, т 36,636 55,937 62,025 19,144 31,128 277,600 94,443 0,0676 0,5501 0,4727 0,1912 0,1527 0,5050 0,9304 Кемерово Ленинск-Кузнецкий Белово Киселёвск Прокопьевск Новокузнецк Междуреченск Нарушенные земли Площадь, тыс. га 0,508 0,449 0,595 4,859 4,157 1,825 4,354 %, от общей площади 1,72 3,98 3,50 22,65 19,18 4,30 12,98 на 1 жителя, м2 9 44 45 485 203 33 428 Таблица 2 Среднегодовая численность населения Кемеровской области (тыс. человек; данные за 2003–2010гг. с учетом итогов ВПН-2010), по [1] Все население: городское сельское 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2877 2495 381 2847 2446 400 2819 2399 419 2795 2381 414 2783 2371 411 2778 2368 410 2774 2365 409 2767 2360 406 2756 2353 402 2746 2347 398 2738 2342 395 Таблица 3 Динамика численности населения по городам Кемеровской области (чел.), по [1] Города Кемерово Ленинск-Кузнецкий Белово Киселевск Прокопьевск Новокузнецк Междуреченск 2011 г. 534494 103224 133446 102261 208419 548858 103389 2012 г. 538182 102285 132144 101180 206018 549385 102465 2013 г. 542050 101676 131223 100144 203802 549698 101510 Одной из причины сокращения численности населения в Кемеровской области является неблагоприятная экологическая ситуация. Уменьшение численности населения способствует тому, что уменьшается количество потребителей строительного рынка, следовательно, строительный комплекс Кемеровской области не имеет перспектив долгосрочного развития. Динамика жилищного строительства показана в табл. 4, из которой видно, что наименьшие темпы жилищного строительства характерны для Междуреченска – города с крайне неблагоприятной экологической обстановкой [3]. Это можно объяснить следующими причинами: 1) оттоком населения из города, характерном для всех городов (кроме Новокузнецка и Кемерово), 2) большой долей нарушенных земель (2-е место после Киселевска), 3) недостатком регионального финансирования жилищного строительства в этом городе, который происходит, возможно, из-за монофункциональности города. Руководство Кемеровской области уделяет большое внимание вопросам жилищного строительства и создания комфортной среды проживания на территории региона. В 2010 г. принята стратегия развития строительного комплекса Кемеровской области на период до 2025 г. В соответствии с федеральной программой «Жилище» в Кемеровской области принята региональная программа «Развитие 291 Роговские чтения жилищного строительства в Кемеровской области»[4]. Увеличивается площадь вводимого в эксплуатацию жилья (рисунок), согласно данным Департамента строительства Кемеровской области доля ветхого и аварийного жилья составляет чуть больше 4 %,что является хорошим показателем жилищных условий населения [4]. Нарастание темпов жилищного строительства является одним из методов привлечения населения на территорию Кемеровской области и решения демографической проблемы. Для повышения привлекательности территории в Кемеровской области начала действовать подпрограмма «Развитие малоэтажного индивидуального жилищного строительства». Таблица 4 Показатели жилищного строительства Кемеровской области в 2013 г., рассчитано по [3] Город Кемерово Ленинск-Кузнецкий Белово Киселевск Прокопьевск Новокузнецк Междуреченск Ввод в эксплуатацию жилья, м2 282 824 30 006 40 355 30 504 60 544 219 592 25 047 % от 2012 г. 104,6 103,2 98,9 147,8 86,4 104,8 81,4 Ввод в эксплуатацию жилья на 1 чел., м2 0,52 0,29 0,31 0,30 0,30 0,40 0,25 Динамика показателей строительного комплекса Кемеровской области (тыс. м2 общей площади), по [4] Подпрограмма предусматривает выделение муниципальным образованиям средств областного бюджета на обеспечение земельных участков под малоэтажное строительство, создание коммунальной инфраструктуры. Предпосылки для развития малоэтажного строительства следующие: наличие значительного объема земельного фонда, пригодного для ведения малоэтажной застройки (участки должны располагаться вблизи существующих населенных пунктов в благоприятной экологической ситуации с удобной транспортной доступностью); высокая обеспеченность качественными дорогами общего пользования, высокая плотность населения и высокая доля городского населения [5]. Последнее способствует дезурбанизации – мотивации горожан переселиться в пригородную местность. Согласно данным Департамента строительства Кемеровской области, в настоящее время область занимает одно из лидирующих положений в России по малоэтажному строительству. Первым масштабным проектом региона стало открытие в 2008 г. города-спутника Кемерово – Лесной Поляны. Этот проект президент РФ Д.А. Медведев назвал лучшим в стране. Это самый крупный в области проект, реализуемый с 2006 г., окончание планируется к 2017 г. Жителями «Лесной поляны» станут 35 тыс. чел. Инициатор проекта – областная администрация, при поддержке Правительства РФ (специальное Постановление № 265 от 5 мая 2007 г). Бюджетные средства были инвестированы в создание социальной инфраструктуры, а также внешних инженерных сетей и подъездных дорог. «Лесная поляна» вошла в перечень пилотных проектов РФ по отработке технологий комплексной застройки территорий [4]. 292 Школа молодых ученых В проекте «Лесная Поляна» предполагается создание технопарка как места работы жителей этого посёлка. Проект представляет собой новый для региона тип поселения, позволяющий реализовать все приоритеты развития населенного пункта – диверсификацию экономики, рост инноваций, возможность приобретения качественного и комфортного жилья, рост качества жизни. В Лесной Поляне используются как передовые методы архитектурно-планировочного решения, позволяющие минимизировать воздействие на окружающую среду, рационально сформировать инженерную инфраструктуру, так традиционные технологии, позволяющие сохранять экологическое равновесие ландшафта. Этот поселок расположен в экологически чистой местности, в окружении таежных лесов и горных склонов. К особенностям планировочной структуры в «Лесной поляне» можно отнести чередование участков средней и низкой плотности застройки с развитием системы открытых парков, скверов, двориков, что позволяет создать благоприятную экологическую обстановку. Следует отметить высокий уровень благоустройства и озеленения территории: скверы, парки с пешеходными и велосипедными дорожками, искусственные водоёмы, спортивные и детские игровые площадки. Лесная поляна – один из первых российских проектов массовой малоэтажной застройки, включающий строительство жилья для семей с разным уровнем доходов. Значительное внимание уделяется строительству жилья для молодых семей и отдельных льготных категорий граждан. В проекте используются механизмы государственно-частного партнерства, при строительстве широко используются местные строительные материалы. Потребителю представляются те проекты жилья, которые можно было исполнить в Сибири, используя различные технологии: кирпичную кладку, каркасную, монолитную, сборную, «Теплостен», брус. Каждый вариант имеет свои преимущества и стоимость, что позволяет потенциальным жителям выбирать дома, основываясь на собственных предпочтениях. В конце 2008 г. неподалеку от деревни Журавлево (Ленинск-Кузнецкий район) был сдан в эксплуатацию коттеджный поселок «Серебряный бор». Он представляет собой комплекс, состоящий из 98 индивидуальных и блокированных домов, а также общественного центра. Дома высокой степени комфортности расположены в сосновом бору с сохранением природного ландшафта, экологическая ситуация этой территории наиболее благоприятная в данном административном районе. На настоящий момент в области малоэтажная комплексная застройка ведется на 30 площадках, в т. ч. в Киселевске (коттеджный поселок «Горняк»), в Ленинск-Кузнецком (квартал «Кемеровский»), в Юрге (микрорайон «Солнечный»), в Новокузнецком районе («Загорские усадьбы») и другие. В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы: Кемеровская область имеет высокий экономический потенциал за счёт развитой промышленности, инфраструктурного освоения, высоких темпов строительства. Для реализации этого потенциала необходимо изменения экологической обстановки и демографической ситуации в регионе. Жилищное строительство на территории Кемеровской области является ведущим инструментом для привлечения населения и изменения демографической ситуации. Малоэтажное жилищное строительство также один из способов улучшения экологической ситуации в населённых пунктах, т.к. посёлки расположены в благоприятных пригородных районах, привлекательных для горожан. Малоэтажное жилищное строительство должно способствовать переселению жителей из близлежащих городов – дезурбанизации, что, в свою очередь, благоприятно скажется на экологической обстановке в регионе. Задача руководства Кемеровской области – регулирование градостроительных процессов в городах и поселках малоэтажной застройки, создание безопасной обстановке и комфортных условий для жизни. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Территориальный орган службы государственной статистики по Кемеровской области (Кемеровостат) [официальный сайт]. – Условия доступа : http://kemerovostat.gks.ru 2. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2013 г. – Условия доступа : http://kuzbasseco.ru/wp-content/uploads/2014/11/doklad2013.pdf 3. Департамент строительства Кемеровской области [официальный сайт]. – Условия доступа : http://dsko.ru/ 4. Администрация Кемеровской области [официальный сайт]. – Условия доступа : http://www.ako.ru/default.asp 5. Петерс, Е.В. Градостроительные аспекты формирования малоэтажной застройки в Кузбассе / Е.В. Петерс // Технические науки: традиции и инновации : материалы междунар. науч. конф. (г. Челябинск, январь 2012 г.). – Челябинск : Два комсомольца, 2012. – С. 153–159. 293 Роговские чтения УДК 502:627.8 ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ КРАПИВИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА А.В. Карманова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия E-mail: anya.karmanova.93@mail.ru Охарактеризованы основные геоэкологические процессы и их роль в процессе эксплуатации в будущем Крапивинского водохранилища. Проект Крапивинской ГЭС предполагает ее строительство в Кемеровской области, в средней части бассейна реки Томи. Создание Крапивинского водохранилища открывает перспективы развития орошаемого земледелия в бассейнах р. Томи и р. Ини, улучшает энергетический баланс Кузбасса. Однако, при этом будут развиваться процессы подпора уровня подземных вод и подтопление территории, склоновые процессы и переработка берегов, процессы заиления водохранилища и всплывание торфов, размыв русла в нижнем бьефе. Ключевые слова: геоэкология, водохранилище, гидрогеология, торф. В целях развития хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также орошаемого земледелия в бассейнах р. Томи и р. Ини, улучшения энергетического баланса Кузбасса возник проект строительства Крапивинской ГЭС в Кемеровской области в средней части бассейна реки Томи. Его реализация началась еще в 1975 г., но в 1989-м г. из-за ряда причин, строительство было приостановлено. Создание будущего водохранилища, как практически любая деятельность водохозяйственных систем, связана как с положительными, так и с отрицательными воздействиями на окружающую среду. После заполнения водохранилища будут развиваться процессы подпора уровня подземных вод и подтопление территории, склоновые процессы и переработка берегов, процессы заиления водохранилища и всплывание торфов, размыв русла в нижнем бьефе. Для ликвидации наводнения в нижнем бьефе максимальные расходы воды в р. Томи не должны превышать 9000 м3/с [4, с. 60]. В процессе нашего исследования охарактеризованы основные геоэкологические процессы и их роль в процессе эксплуатации в будущем Крапивинского водохранилища. Физико-географическая характеристика бассейна р. Томи Бассейн р. Томи расположен на юге Западной Сибири, территориально относится к Кемеровской и Томской областям. Река Томь, правый приток р. Оби, берет начало на западном склоне Абаканского хребта. Общее направление течения реки с юго-востока на северо-запад. Длина реки 827 км, площадь водосбора 62 тыс. км2. Створ Крапивинского гидроузла расположен на расстоянии 439 км от истока реки [1, с. 22]. Климат территории Климат бассейна континентальный, с суровой продолжительностью зимой и коротким теплым летом. Температура воздуха в районе проектируемого водохранилища колеблется в пределах от 0,7 до минус 0,6. Средняя месячная температура самого жаркого месяца июля достигает 18,5 °С. Абсолютный максимум температуры воздуха в отдельных случаях достигает 38 °С. Начиная с сентября, происходит заметное понижение температуры. В ноябре средняя месячная температура отрицательная. Наиболее холодным месяцем является январь, его средняя температура –19,5 °С. Наиболее частным в районе проектируемого гидроузла являются ветры юго-западного, южного и северовосточного направлений. Средняя годовая скорость ветра колеблется от 2,8 до 3,6 м/с. Годовое количество осадков составляет 600–700 мм, в том числе в теплый период года 450–470 мм, в холодный – 150–200 мм. В отдельные годы как минимум, так и максимум осадков могут быть сдвинуты на другие месяцы. Максимум осадков наблюдается в июле (96 мм), минимум – в феврале-марте (16 мм) [1, с. 23–30]. Глубина промерзания почвы: Средняя глубина промерзания почвы достигает 211 см, наименьшая – 139 см, наибольшая – 263 см [1, с. 31]. 294 Школа молодых ученых Гидрологическая характеристика реки Река Томь принадлежит к рекам со смешанным питанием. Питание ее происходит: 40 % за счет таяния снега, 30 % за счет дождей и 30 % за счет подземных вод. Для реки характерны резкие колебания уровней. Весеннее половодье начинается в среднем во второй- третьей декаде апреля и продолжается обычно до конца июня и лишь в отдельных случаях до средины июля. Вследствие выпадения дождей в реке наблюдается подъем уровня на 0,5–1,5 м. Наиболее значительные дождевые паводки наблюдается в сентябре-октябре. Замерзание реки Томи сопровождает появлением шуги и образованием зажоров, которые как правило не носят катастрофического характера. Толщина ледяного покрова достигает 1,0–1,3 мм [1, с. 104–106]. Геологическое строение территории В геологическом строении района, где располагается Крапивинский створ, принимают участие осадочно – метаморфические породы девона, карбона, перми, триаса и юры, представленные чередованием конгломератов, песчаников, алевролитов и глин. Отложения девона, карбона и перми слагают здесь крупную брахиантиклинальную складку, именуемую Крапивинским куполом. Мощность осадочно-метаморфического комплекса измеряется здесь тысячами метров. Крапивинский створ характеризуется наличием двух типов подземных вод: поровых и трещинных, которые гидравлически связаны. Минерализация не превышает 0,8 г/л. Подземные и поверхностные воды не обладают агрессивными свойствами по отношению к любым маркам цемента [2, с. 46]. Основные геоэкологические процессы Вследствие, заполнения и эксплуатации Крапивинского водохранилища, будут развиваться геоэкологические процессы, которые будут влиять на данную территорию и располагающие вблизи местности: 1. В первую очередь это касается затопления земель, которые распространяются при отметках НПУ 175-177,5 м на площади 64,5–69,8 тыс. га [3, с. 92]. Большую часть которых занимают площади, занятые лесом, кустарником и болотами. Оставшееся земли относятся к сельскохозяйственным угодьям. 2. Рост овражно-балочной сети. Развитие эрозионных процессов и овражно-балочной сети по берегам водохранилищ, связанные с нарушением и удалением растительного покрова, неорганизованным стоком поверхностных вод и т. д. Создание водохранилища само по себе не ведет к росту оврагов и балок, а напротив способствует их стабилизации [4, с. 69]. Однако, расширение деятельности на берегах водохранилища может явиться причиной активизации эрозионных процессов, если не предусматриваться выполнение соответствующих противоэрозионных мероприятий. 3. Оползневые процессы связаны в первую очередь с уже заложенными оползнями и происходят, как правило, в период наполнения и в первые годы эксплуатации. На берегах Крапивинского водохранилища выявлено два участка древних оползней: на право берегу выше р. Пегас, на левоммежду устьями речек В. Камаз и Убик [4, с. 69]. Наблюдения за состоянием склонов на оползневых участках в обязательном порядке должно быть включены в систему мониторинга за геодинамическими процессами в зоне водохранилища. 4. Заиление водохранилища – процесс, длительность которого зависит от твердого стока реки, то есть от количества взвешенных и влекомых частиц грунта, и от объема водохранилища. Средний многолетний твердый сток р. Томи составляет 0,0035 км3/год, а объем водохранилища – 11,71 км3, таким образом заполнение его осадками может произойти только через 3 тыс. лет [4, с. 70]. 5. Размыв русла реки. Создание водохранилища и оседание в нем твердого стока вызовет в нижнем бьефе размыв и углубление русла реки на 1,2–1,5 м в пределах первых 15–20 км от гидроузла [4, с. 70]. Вниз по течению по мере насыщения потока, взвесью, интенсивность размыва будет уменьшается. 6. Всплывание торфа. На территории проектируемого водохранилища располагаются 22 участка с торфом и 3 – органоминеральными отложениями. Общая площадь торфяных залежей – 4092 га. Ожидается всплывание торфа на 5 месторождениях. Суммарная площадь всплывающих торфяных залежей составит 278 га, а общий объем всплывающего торфа – 3,4 млн м3. [4, с. 70]. Большая часть торфа всплывает в три первых года эксплуатации водохранилища, а весь торф – в первое пятилетие. Всплывание торфа будет происходить в мае-сентябре, когда температура воды в водохранилище пре295 Роговские чтения вышает 8°; основное всплывание ожидается при температуре воды выше 17°. Участия торфа в загрязнение воды то, по данным Геолторфразведки (1976 г.) разложение торфа на 80 % происходит в 4–5 лет. Максимум загрязнения водохранилища получит в первый год существования водохранилища [6, с. 119]. Также оценивая влияние водохранилища на разработку и эксплуатацию месторождений полезных ископаемых, следует иметь в виду, что с точкой зрении сохранения природного ландшафта в относительной близости к такому водотоку, как река Томь, многие из разведанных месторождений в пределах долины вообще разрабатывать нецелесообразно. 7. Влияние водохранилища на сейсмичность района. В районе Крапивинского водохранилища нет тектонических разрывов с современной активностью. Это подтверждается не только геологическим картированием, но и низким уровнем сейсмичности (в соответствии со СНиП II-7–81) 5 баллов. 8. Влияние водохранилища на разработку месторождений полезных ископаемых. Водохранилище разместится на территории шести геолого-экономических райнов: Ерунаковского, Терсинского, Центрального, Салтымаковского, Крапивинского и Байдаевского. Консервируемые геологические запасы на глубине до 600 м при НПУ 177,5 и НПУ 190,0 м с учетом форсированного паводка и кривой подпора соответственно составляют 4824 и 7936 млн т [4, с. 71]. Сюда не входят запасы Центрального района, поскольку его угольные месторождения залегают на большой глубине – 800 м от поверхности. Наиболее перспективными районами с благоприятными горно-геологическими условиями являются Ерунаковский, а затем Терсинский, содержащие коксующиеся и энергетические угли. В водоохранной зоне частично окажется площадь с повышенной радиацией (левый берег р. Томи в головной части водохранилища). Рудопроявления на этой площади представляет собой гнезда размеров 1–1,5 м в поперечнике, из которых в водоохранной зоне находятся 1–2 гнезда [4, с. 72]. Близко к водоохранной зоне располагается небольшое месторождение ртути на правом берегу Томи между притоками Андреевка и М. Осипова. Учитывая возможное вредное воздействие разработки ртути на здоровье населения, целесообразно исключить его возможную эксплуатацию в случае заполнения водохранилища. Поскольку это месторождение является одним из 10 месторождений ртути на участке притоков Кучуманда – Б. Осипова, то общие потери по этой группе месторождений ртути не превысят 10 % [4, с. 72]. Частично в зону затопления и в водоохранную зону попадает Пегасское месторождение цеолита в районе ручья Пегас (Томский), это 3,3 млн т. цеолита, что составляет 55 % разведанных запасов и 2,0 % от прогнозных ресурсов [4, с. 72]. 9. Влияние водохранилища на эксплуатацию месторождений подземных вод. Водохранилище занимает относительно небольшую площадь 670 км2, что составляет менее 5 % от площади водосборного бассейна, в пределах которого в принципе возможна взаимосвязь подземных вод с водохранилищем. При этом максимальная величина дополнительного напора от водохранилища не превышает 50 м в головной части на протяжении 133 км вверх по течению Томи вплоть до выклинивания водохранилища напор снижается до нуля [4, с. 73]. 30 % стока Томи формируется за счет дренирования подземных вод. Незначительное уменьшение поступления подземных вод в водохранилище по сравнению с бытовыми условиями в результате создания напора. Другими словами, заполнение водохранилища положительно окажется на запасах подземных вод, хотя влияние его при этом будет незначительно. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Водохранилище на реке Томи (Крапивинский гидроузел). Технический проект. Первый этап. Основные положения. Книга шестая. Организация строительства и производства работ. – 1973 – 210 с. 2. Водохранилище на р. Томи (Кемеровский гидроузел). Технико-экономическое обоснование. Книга первая. Общая пояснительная записка. – 1972. – 210 с. 3. Крапивинский гидроузел на реке Томи. Технический проект (свободная записка). –1976. – 240 с. 4. Водохранилище на р. Томи (Крапивинский гидроузел). Технический проект. Первый этап. Основные положения. Книга первая. Свободная пояснительная записка. – 1973. – 198 с. 5. Программа мероприятий по восстановлению и охране водных ресурсов бассейна реки Томи, оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) арх. № 355-TII0. – 1991. – 154 с. 6. Крапивинский гидроузел на р. Томи. Технический проект (свободная записка). – 1976. – 199 с. 7. Эколого-экономические аспекты эксплуатации подземных вод Обь-Томского Междуречья / В.К. Попов [и др.] ; под ред. Г.М. Рогова. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2003. – 174 с. 296 Школа молодых ученых УДК 678.064:625.711 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АРМАТУРЫ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД В.Н. Лукашевич, И.Н. Ефанов, И.В. Вакс Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail:lukvin@tsuab.ru Проблема утилизации волокнистых сорбентов, отработавших свой ресурс при локализации и сборе разлитых нефти и нефтепродуктов, может быть решена путем их использования в составе органоминеральных смесей. Дисперсная арматура, приготовленная из волокнистых сорбентов, обеспечивает дополнительные связи между частицами минеральных материалов и распределяет воздействие подвижной нагрузки на больший объем асфальтобетонного покрытия, увеличивая при этом срок его службы. Содержащееся в волокнистых сорбентах регулируемое количество поглощенной нефти улучшает свойства битума в адсорбционно-сольватных оболочках, снижая избирательную диффузию компонентов битума в поры и капилляры минеральных материалов. При этом снижается трещинообразование покрытий из органоминеральных смесей, что также приводит к увеличению их срока службы. Ключевые слова: розливы нефти; волокнистые сорбенты; органоминеральная смесь; дисперсная арматура; избирательная фильтрация; адсорбционный слой битума; старение асфальтового вяжущего; кольматация. В настоящее время для решения энергетических проблем и обеспечения общества полимерными материалами человечество активно использует углеводородное сырье. Добываемые на суше и под водой нефть и газ транспортируются к местам переработки и потребления преимущественно трубопроводным и водным транспортом. В процессе добычи и транспортировки нефти и нефтепродуктов к местам переработки и потребления случаются аварии трубопроводах, на буровых установках в море и на суше, происходят катастрофы танкеров, транспортирующих нефть и нефтепродукты. Имеют место также аварии на продуктопроводах, хранилищах фусов, смол различного происхождения, являющихся отходами и побочными продуктами промышленного производства. Это приводит к загрязнению огромных площадей на суше, в морях и океанах. В результате на акватории морей и океанов, подвергшейся загрязнению, гибнут животные и растения, средой обитания которых является вода, загрязняется прибрежная зона, что особенно вредно для тех мест, где сосредоточены пляжи и зоны отдыха населения. При загрязнении суши нефтью и нефтепродуктами, отходами и побочными продуктами промышленного производства также гибнет, либо подвергается вредному воздействию все живое. На длительный период загрязненные участки поверхности земли становятся непригодными для землепользования. Для исключения вредного влияния разливов на окружающую среду разлитые углеводородные материалы необходимо удалять. Локализация и сбор разлитых нефти и нефтепродуктов, каменноугольных и сланцевых смол, фусовможет осуществляться различными методами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Одним из наиболее распространенных и эффективных методов борьбы с разливами является применение волокнистых сорбентов. Удаление разлитых углеводородных материалов осуществляется путем укладки волокнистых сорбентов на поверхность, подвергшуюся загрязнению. При этом происходит поглощение разлитого углеводородного сырья сорбентами. Волокна сорбентов являются гидрофобными, вследствие чего при сборе углеводородного сырья с водной поверхности, волокна отталкивают воду и поглощают только разлитое углеводородное сырье. Сорбционная емкость волокнистых сорбентов различна. Например, волокнистый сорбент ирвелен, имеет сорбционную емкость от 15 до 27 кг нефти и нефтепродуктов на 1 кг собственного веса [1]. Насыщенные нефтью, нефтепродуктами, нефтяными, каменноугольными, сланцевыми фусами и прочими веществами, содержащими высокомолекулярные смолы, волокнистые сорбенты подвергают центрифугированию и используют вновь для локализации и сбора углеводородного сырья. После пятидесяти циклов поглощения-центрифугирования сорбенты считаются отработавшими свой ресурс и должны быть подвергнуты утилизации. Основные способы утилизации, существующие в настоящее 297 Роговские чтения время, предусматривают сжигание или захоронение отработанных волокнистых сорбентов. Эти методы нельзя назвать эффективными, поскольку они наносят вред окружающей среде. Более эффективным методом утилизации отработанных волокнистых сорбентов, предназначенных для локализации и сбора пролившихся нефти и нефтепродуктов, является их использование в составе органоминеральных смесей в качестве дисперсной арматуры. При этом достигается двойной эффект: происходит утилизация отходов, и улучшаются свойства конструктивных слоев дорожных одежд, в состав которых введены отходы. Данное решение не приводит к значительному увеличению стоимости покрытия, поскольку затраты ограничатся только процедурой переработки волокнистых сорбентов в дисперсную арматуру, которая предусматривает лишь их разволокнение и резку. Далее отдозированная дисперсная арматура вводится в смесительный агрегат и перемешивается с введенными ранее компонентами органоминеральной смеси. Затем вводится органическое вяжущее (нефтяной битум), осуществляется окончательное перемешивание, выгрузка смеси и ее доставка к месту укладки. При дисперсном армировании асфальтобетонных смесей происходит существенное улучшение процессов структурообразования асфальтобетонов, сопровождающееся повышением прочности асфальтобетона при сдвиге при температуре 50 °С на 25–30 %, прочности при растяжении при отрицательных температурах на 40–80 %, улучшением деформативности при температурах ниже нуля на 90–200 %, а усталостная прочность повышается на 200–500 %, что доказано отечественными и зарубежными исследователями [2, 3]. Однако, дисперсное армирование, существенно улучшая свойства асфальтобетонов, никоим образом не изменяет состава и свойств адсорбционно-сольватных оболочек битума, расположенных на поверхностях частиц минеральных материалов. А ведь именно эти слои битума играют определяющую роль в обеспечении адгезионной и когезионной связей. Изменении состава и свойств этих слоев в наибольшей степени влияют на процессы старения асфальтового вяжущего, на процессы трещинообразования покрытий и в целом – на сроки службы покрытий из органоминеральных смесей. Л.Б. Гезенцвей отмечал: «...изменения компонентного состава приповерхностных слоев битума представляет собой одну из форм интенсивного старения битума, характерную для битумоминеральных композиций...» [4]. Российскими учеными установлено, что при избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минеральных материалов с тонкопористой структурой вглубь материала проникают наименее вязкие компоненты битума – масла. Мелкие поры заполняют смолы. На поверхности минерального материала адсорбируются асфальтены. Хотя это и повышает механическую прочность и температурную устойчивость органоминеральных смесей, но одновременно приводит к снижению трещиностойкости при низких температурах и способствует интенсивному старению материала покрытия. Изменение фракционного состава адсорбционных слоев нефтяного битума под воздействием природно-климатических факторов сопровождается переходом масел в смолы, а смол в асфальтены. В результате избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума, изменения фракционного состава его пленок, отрицательного влияния полуторных оксидов, ускоряющих процессы негативного фракционирования, адсорбционные слои нефтяного битума на поверхности минеральных материалов обедняются низкомолекулярными фракциями. Вследствие потери низкомолекулярных фракций адсорбционные слои нефтяного битума, обеспечивающие когезионную связь между частицами минеральных материалов, становятся более вязкими, а, следовательно, и более хрупкими при отрицательных температурах. Снижается трещиностойкость покрытий. В трещины покрытия проникает вода и замерзает при отрицательных температурах, что приводит к разрушению покрытий и сокращению сроков их службы. Исследования, проведенные в Томском государственном архитектурно-строительном университете позволили установить, что введение в органоминеральную смесь дисперсной арматуры из отработанных волокнистых сорбентов, содержащих регулируемое количество поглощенных жидких углеводородных материалов, позволит снизить интенсивность избирательной фильтрации, замедлить процесс фракционирования нефтяного битума и нейтрализовать полуторные оксиды как катализаторы старения нефтяного битума. Этот эффект может быть достигнут при производстве органоминеральных смеси путем обработки минеральных материалов органическими вяжущими в два этапа [5]. На первом этапе обработки в минеральный материал вводятся волокнистые сорбенты, содержащие регулируемое количество собранных нефтепродуктов, на втором – нефтяной битум. На первом этапе, контактируя с волокнистыми сорбентами, минеральный материал обрабатывается содер298 Школа молодых ученых жащимся в них углеводородным сырьем, собранным при ликвидации аварий. Этим сырьем является чаще всего нефть, мазут, смолы различного происхождения, сланцевые и каменноугольные фусы. А поскольку нефть, мазут, смолы, фусы, содержат большое количество поверхностно-активных веществ (фенолы, кетоны, карбоновые кислоты), обеспечивается хорошая адгезия органического вяжущего к поверхности минерального материала. Эти компоненты, вступая в химическое взаимодействие с поверхностью минерального материала, обеспечивают наличие хемосорбционных связей с образованием водонерастворимых соединений на поверхности минерального материала. Кроме того, в процессе избирательной фильтрации активные компоненты проникают по порам и капиллярам внутрь минерального материала, взаимодействуя с поверхностью пор и капилляров. В результате этих процессов происходит кольматация пор и капилляров минерального материала компонентами вяжущего, используемого на первой стадии. Поверхностно-активные вещества (фенолы, кетоны, карбоновые кислоты), содержащиеся в собранных смолах, фусах вступают в активное взаимодействие с полуторными оксидами и нейтрализуют их способность выступать в роли катализаторов старения нефтяных битумов. На втором этапе производится обработка полученной органоминеральной смеси нефтяным битумом. При этом процесс избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минерального материала не будет иметь места, так как эти поры и капилляры уже заполнены компонентами органического вяжущего на первой стадии. Следовательно, адсорбционные слои нефтяного битума на поверхности минеральных материалов не будут обедняться низкомолекулярными фракциями, что положительно скажется на их эластичности при отрицательных температурах. Кроме того, вследствие наличия в адсорбционном слое нефтяного битума повышенного количества низкомолекулярых фракций, процесс перехода масел в смолы, а смол в асфальтены будет происходить менее интенсивно. В результате повысится трещиностойкость асфальтобетона и как следствие – долговечность покрытий. Количество деформаций покрытия в летний период при высоких положительных деформациях будет также снижаться за счет наличия в покрытии отрезков дисперсной арматуры, повышающих его сдвиговую устойчивость. Выдвинутые теоретические предположения были проверены с применением методов электронного парамагнитного резонанса и люминесцентной битумологии. Применение электронного парамагнитного резонанса опиралось на теорию, разработанную профессором Ф.Г. Унгером. В соответствии с этой теорией имеющиеся на поверхности минеральных материалов свободные радикалы, могут являться центрами, на которых осаждаются асфальтены, происходит их объединение с дальнейшим увеличением количества [6]. Поскольку асфальтены являются почти 100%-м концентратом парамагнетиков, показателем интенсивности процесса старения нефтяной дисперсной системы может быть концентрация в ней парамагнитных центров, свидетельствующая о концентрации асфальтенов. Исследование старения асфальтового вяжущего методом парамагнитного электронного резонанса были выполнены на радиоспектрометре «RADIOPAN» SE/X-25-44, с частотой 9 ГГц (длина волны 3,2 см). Были исследованы изменения концентрации парамагнитных центров в адсорбционносольватных оболочках органических вяжущих на поверхности минеральных материалов. Адсорбционно-сольватные оболочки формировались путем обработки известнякового и гранитного материалов сначаласырой нефтью, а затем нефтяным битумом. Были исследованы свежие смеси и смеси, подвергнутые старению в климатической камере, моделирующей работу материала в течение 18 лет. Результаты исследований свидетельствуют, что при дисперсном армировании асфальтобетонных смесей волокнистыми сорбентами, содержащими регулируемое количество поглощенного углеводородного сырья, концентрация парамагнитных центров в смеси после ее старения на 30–50 % ниже, чем в смеси, приготовленной по традиционной технологии. Эти результаты подтверждают выдвинутые предположения о снижении интенсивности старения покрытий при реализации предложенной технологии дисперсного армирования органоминеральных смесей. Исследования процессов избирательной фильтрации осуществлялось с использованием универсального биологического микроскопа МБИ-15, имеющего в качестве источника ультрафиолетового излучения ртутную лампу ДРШ-250-3. Исследования проводились в падающем свете. В этих условиях микроскоп позволяет проводить наблюдения и фотографирование объектов в свете видимой люминесценции, возбуждаемой сине-фиолетовым участком спектра в пределах длины от 400 до 440 нм и ультрафиолетовыми лучами длиной волны до 360 нм. 299 Роговские чтения Была исследована избирательная фильтрация компонентов органических вяжущих при обработке ими известняковых пород с тонкопористой структурой. Щебень просушивали до постоянного веса и обрабатывали органическими вяжущими. Часть щебеночного материала обрабатывали битумом. Другую часть обрабатывали нефтью. Третья часть – сначала нефтью, а затем нефтяным битумом. Была проведена также обработка щебня сначала нефтяным битумом, а затем нефтью. После остывания каждую из щебенок разрезали и исследовали избирательную фильтрацию компонентов органических вяжущих с использованием люминесцентного анализа [7].В основе этого метода лежит способность компонентов битумов люминесцировать при воздействии на них ультрафиолетовых лучей. При этом каждый компонент люминесцирует своим цветом, имеющим определенные характерные особенности. Асфальтены люминесцируют темно-коричневыми цветами. Смолы светятся кремовым и коричневым цветами. Для масел характерны голубые, синие, зеленые, желтые цвета люминесценции. Этот метод позволяет установить закономерности распределения компонентов органического вяжущего при обработке им минеральных материалов. Целью эксперимента являлось доказательство снижения интенсивности избирательной диффузии компонентов битума при применениидля армирования асфальтобетонных смесей дисперсной арматуры их волокнистых сорбентов, содержащих собранное углеводородное сырье. Экспериментальные работы основывались на различии характеристик люминесценции компонентов нефтяного битума и нефти под воздействием ультрафиолетовых лучей. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить следующие факты. При исследовании разреза щебенки из тонкопористого известняка, обработанного нефтяным битумом выявлено фракционирование компонентов нефтяного битума. Вглубь минерального материала проникают масла, ближе к поверхности располагаются смолы. На поверхности адсорбируются асфальтены. Таким образом, как и предполагалось, пленки нефтяного битума, обеспечивающие связь между минеральными частицами органоминеральной смеси существенно обедняются низкомолекулярными фракциями, что приводит к повышению их хрупкости и, следовательно, к ускорению старения покрытия. Люминесценция щебенки из тонкопористого известняка, обработанного нефтью показала, что нефть проникает в минеральный материал глубже нежели нефтяной битум. Люминесцирование ее компонентов выражается менее ярко и менее насыщено красками. Наблюдение люминесценции щебенки из тонкопористого известняка, обработанного сначала нефтью, а затем нефтяным битумом свидетельствует об отсутствии фильтрации компонентов нефтяного битума в минеральный материал, поскольку поры, капилляры являются уже заполненными компонентами нефти. При исследовании минерального материала, обработанного сначала нефтяным битумом, а затем нефтью выявлено, что люминесценция компонентов органических вяжущих в этом случае идентична люминесценции, имеющей место при обработке минерального материала только нефтяным битумом. Это свидетельствует о том, что избирательная фильтрация компонентов нефтяного битума при такой технологической последовательности введения органических вяжущих не исключена. В данном случае происходит разжижение нефтяного битума нефтью. Адсорбционные слои нефтяного битума обогащаются низкомолекулярными фракциями, что может привести к снижению сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий при высоких положительных температурах в летнее время. Предлагаемая технология была апробирована в масштабе опытно – производственного строительства в республиканском управлении автомобильных дорог «Горно-Алтайавтодор». В 2010 г. силами ДЭП № 217 на подходе к г. Горно-Алтайску был построен экспериментальный участок с покрытием из асфальтобетона, дисперсно армированного волокнами отработанных сорбентов, подвергшихся центрифугированию после сбора разлитой нефти. Эксплуатация экспериментального участка в течение четырех лет подтвердила эффективность предложенных решений. Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные с применением методов электронного парамагнитного резонанса и люминесцентной битумологии, а также результаты выполненных опытно-производственных работ, свидетельствуют о том, что при дисперсном армировании асфальтобетонных смесей волокнистыми сорбентами, предназначенными для локализации и сбора разлившихся нефтепродуктов, целесообразно вводить в минеральный материал сначала волокнистые сорбенты, содержащие собранные нефтепродукты, производить их перемешивание, а затем в полученную смесь вводить нефтяной битум. Опережающая обработка минеральных материалов нефтепродуктами, содержащимися в волокнистых сорбентах, обеспечивает модифицирование поверхности 300 Школа молодых ученых минеральных материалов. Нефтепродукты проникают в поры и капилляры, кольматируя их. При дальнейшей обработке смеси нефтяным битумом избирательная фильтрация его компонентов в поры и капилляры минеральных материалов не будет иметь места, поскольку они уже заполнены нефтепродуктами, содержащимися в волокнистых сорбентах. Предложенная технологическая последовательность обработки минеральных материалов позволит получить на их поверхности наложение (суперпозицию) двух слоев структурированных органических вяжущих. При этом слой нефтяного битума, обладая более высокой водостойкостью, предохраняет слой смолы от воздействия влаги, а слой смолы обеспечит высокую адгезию и существенное снижение избирательной фильтрации низкомолекулярных компонентов нефтяного битума. В результате адсорбционные слои битума на поверхности минеральных материалов не обедняются низкомолекулярными фракциями, что улучшает их эластичность при отрицательных температурах, обеспечивая повышенную трещиностойкость в зимний период, а следовательно, и большую долговечность дорожных покрытий БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. http://10012100.fis.ru/product/10046931-sorbent-irvelen-m 2. Акулич, А.В. Структура и свойства дисперсно-армированных асфальтобетонов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Минск, 1987. – 17 с. 3. Соломатов, В.И. Структура и свойства дисперсно армированного асфальтобетона / В.И. Соломатов, А.В. Акулич // Повышение качества стр-ва автомоб. дорог в Нечерноземной зоне РСФСР : тез.докл НТК. – Владимир, 1987. – С. 152. 4. Дорожный асфальтобетон /Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский [и др.] ; под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1985. – 350 с. 5. Лукашевич, В.Н. Исследование влияния технологии приготовления асфальтобетонных смесей на процессы старения асфальтового вяжущего при использовании волокнистых сорбентов в качестве дисперсной арматуры / В.Н. Лукашевич, Н.Е. Ефанов // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 2. – С. 191–196. 6. Унгер, Ф.Г. Парамагнетизм нефтяных дисперсных систем и природа асфальтенов / Ф.Г. Унгер, Л.Н. Андреева. – Томск, 1986. – 29 с. – (АН СССР, Сиб. Отд-ние. Ин-т химии нефти; № 38). 7. Флоровская, В.Н. Люминесцентная микроскопия битуминозных веществ / В.Н. Флоровская, Л.И. Овчинникова. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1970. – 80 с. 301 Роговские чтения УДК 504.5:662.6/.7 ХАРАКТЕРИСТИКА НЕРАСТВОРИМЫХ ЧАСТИЦ В СНЕГЕ В РАЙОНЕ ТЭЦ-5 Г. ОМСКА К.Ю. Михайлова, А.В. Таловская, В.В. Литау, Т.Е. Адильбаева Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: mikhailovakseniya@mail.ru В работе представлены результаты изучения минерального состава и определения типов техногенных фаз в твердых частицах аэрозолей, осевших из атмосферы на снеговой покров, в зоне влияния теплоэлектростанции ТЭЦ-5 г. Омска. Для изучения состава использовали бинокулярный микроскоп и электронный сканирующий микроскоп, отдельно был изучен состав магнитной фракции. По результатам исследования были обнаружены минеральные частицы кварца, алюмосиликатов (полевые шпаты, глинистые минералы), халькопирит, барити ковеллин. Техногенные фазы представлены алюмосиликатными и металлические микросферулами, а также частицами недожжённого угля и угольной пыли, шлаком и золой. Предположительно их происхождение связано с высокотемпературным сжиганием угля на ТЭЦ. Ключевые слова: снег, минеральный состав, техногенные образования, электронная сканирующая микроскопия, твердые частицы. Введение. Современный теплоэнергетический комплекс России включает почти 600 электростанций, 68 % которых принадлежит тепловым электростанциям. Наибольшее развитие и распространение в России получили тепловые электростанции общего пользования, работающие на органическом топливе (газ, уголь), преимущественно паротурбинные [1]. В г. Омске ТЭЦ-5 является одним из самых крупных и мощных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу: 36 % – такова доля выбросов из общего объема, а именно 73 т (4 т каждый час) [2]. В СМИ неоднократно освещались экологические проблемы города, связанные с работой данной ТЭЦ. Так, например, зимой в 2012 и 2014 гг. в городе выпал снег черного и серого цвета, это было связано с увеличением используемого топлива и низкоэффективной очисткой электрофильтрами на котлоагрегатах [3, 4]. В связи с низкой температурой наружного воздуха и увеличением энергопотребления Омская ТЭЦ-5 несет сегодня максимальную нагрузку. На долю станции приходится 50 % в общем объеме выработки электроэнергии в Омской области. В пик морозов ТЭЦ-5 обеспечила надежное энергоснабжение потребителей. Температура сетевой воды на выходе с ТЭЦ достигает максимального значения – 110–115 °С, что позволяет сохранить комфорт в домах потребителей, которыми являются 40 % омичей. Станция работает полным составом оборудования – в эксплуатации одновременно находится 8–9 котлоагрегатов. Расход угля на станции достигает 11–12 тыс. т в сутки. Высота самой высокой трубы составляет 277,5 м [5], согласно РД52.04.186 № 2932-83 расчетная дальность переноса загрязняющих веществ может варьировать от 3 до 11 км [6]. По данным метеорологической станции г. Омска в течение всего года и в холодный период в данном районе преобладают ветры югозападного направления, в теплый период – западного. Зола с выбросами разносится по близлежащим поселкам согласно главенствующему направлению ветра [7]. Основное и резервное топливо Омской ТЭЦ-5: экибастузский каменный уголь, природный газ, растопочное – мазут. Экибастузский угольный бассейн расположен в Павлодарской области Республики Казахстан город Экибастуз. Недостаток этого угля заключается в том, что он высокозольный (более 40 %), что снижает тепловой эффект сжигания угля, увеличивает стоимость его транспортировки, и содержит относительно высокое количество примесей [8]. В работах показана взаимосвязь между вещественным составом твердого осадка снега и источниками выбросов: посредством изучения вещества можно определить состав выбросов и непосредственно сам источник загрязнения (предприятия топливно-энергетического цикла, промышленные предприятия узкой специализации и т. д.) [9, 10]. Установлено, что долговременное воздействие техногенных кристаллических фаз, находящихся в составе твердых частиц аэрозолей, является причиной многих заболеваний, таких как алюминоз, силикоз, талькоз, асбестоз и др. [11]. 302 Школа молодых ученых Таким образом, изучение минерального состава твердых частица аэрозолей является актуальным. Одним из методов изучения их состава является снегогеохимическая съемка. Снеговой покров является уникальным природным планшетом, который дает информацию о пространственном распределении вещества и интенсивности источников загрязнения; и так как снеговой покров перекрывает почвенный покров, то исключается возможность естественного пылевого загрязнения [12]. Изучению снегового покрова как планшета накопителя аэрозолей посвящено много работ. В основном в данных работах рассматривается особенности химического состава жидкой и твердой фазы снега [13, 14]. Только небольшое количество исследований посвящено изучению минерального состав нерастворимых твердых частиц снега [9, 10]. Обозначенные выше факты обуславливают необходимость изучения состава твердых выбросов от ТЭЦ-5 с использованием снегового покрова как планшета их накопителя. Цель работы – определение уровня пылевого загрязнения, а также изучение минерального состава и выявление техногенных частиц в нерастворимой фазе снега вблизи ТЭЦ-5 г. Омска. Методика исследования. В конце февраля 2013 г. был проведен отбор проб по площадной сети наблюдения, по регулярной сетке 1×1 км по городу. Количество проб – 168. Пробы отбирались с учетом элементов рельефа и их экспозиции, по отношению к направлению ветропылевого переноса (на водоразделах, склонах, террасах, поймах), а также на участках техногенных газопылевых выбросов, где сеть опробования сгущалась. В качестве фоновой площадки выбран поселок городского типа Москаленки, в 100 км на запад от города, также в соответствии с направлением преобладающего ветра. Все работы по отбору проб и пробоподготовке выполнялись с учетом методических рекомендаций, приводимых в работах В.Н.Василенко, И.М.Назарова и др. [7], методических рекомендациях ИМГРЭ [15] и руководстве по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186 № 2932-83). Пробоподготовка снега предполагает раздельный анализ снеготалой воды, полученной при оттаивании, и твердого осадка, который состоит из твердых частиц, осажденных на поверхность снегового покрова. В данной работе представлено изучение пробы, отобранной вблизи ТЭЦ-5 г. Омска, на северозападной части света относительно трубы на расстоянии 1,8 км. По данным отбора и подготовки снега масса пыли в снеговой пробе служила основой для определения пылевой нагрузки Pn в мг/(м2сут.), т. е. количества твёрдых выпадений за единицу времени на единицу площади. Расчет пылевой нагрузки Pn проводился по формуле: Pn Po / S t , (1) где Ро – масса пыли в пробе, мг; S – площадь шурфа, м2; t – время от начала снегостава, количество суток. В практике используется следующая градация по среднесуточной пылевой нагрузке: менее 250 – низкая степень загрязнения; 251–450 – средняя; 451–850 – высокая; более 850 – очень высокая [15]. Пробы твердого осадка снега изучали в учебно-научной лаборатории оптической диагностики Международного инновационного научно-образовательного центра «Урановая геология» при кафедре геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета. Микроскопическое изучение проб проводили с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа (LeicaZN 4D) с видеоприставкой и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) HitachiS-3400N с ЭДС BrukerXFlash 4010. Определение вещественного состава валовой пробы с последующим установлением процентного соотношения всех минеральных и техногенных составляющих производили согласно запатентованной разработке (патент № 2229737, авторы Е.Г. Язиков, А.Ю. Шатилов, А.В. Таловская) [16]. Для выделения минералов группы железа в пробе, проведена магнитная сепарация: минералы способны намагничиваться в магнитном поле – это объясняется их ферромагнитными свойствами. Извлечение минералов, обладающих этими свойствами, позволило разделить пробу на две фракции – магнитную и немагнитную. Извлекаются они из пробы с помощью обычного постоянного магнита. Наиболее удобным и совершенным магнитом является многополюсный магнит системы А.Я. Сочнева. Общий навесок пробы составил 500 мг. Процесс магнитной сепарации происходил следующим образом: твердый осадок снега равномерно распределили на поверхности кальки. Многополюсный магнит системы А.Я. Сочнева был тоже непосредственно обернут калькой. Далее над равномерным слоем пыли проводили магнитом на расстоянии 5 мм. Минералы, обладающие сильными магнитны303 Роговские чтения ми свойствами, осели на поверхности магнита, что позволило нам выделить их из общей массы и провести дальнейшие их исследование под бинокулярным микроскопом. Результаты и их обсуждение. Результаты расчета величины пылевой нагрузки показали, что в среднем величина пылевой нагрузки на территорию города составляет 132 мг/(м2сут), что превышает фон в 43 раза. Согласно вышеприведенной градации город Омск относится к городам с низкой степенью загрязнения. Результаты расчета пылевой нагрузки в точке отбора проб составили 267,3 мг/(м2сут), что превышает величину средней величины пылевой нагрузки в 2 раза. По вышеприведённой градации величина пылевой нагрузки в этой точке соответствует средней степени загрязнения. По результатам исследования проб твердого осадка снега на бинокулярном микроскопе в них были выявлены три типа минеральных частиц (кварц, слюда и полевые шпаты), а также шесть типов техногенных частиц (металлические микросферулы, алюмосиликатные микросферулы, спекшиеся частицы угля, шлак и зола, черные скорлуповатые частицы угольной пыли). В анализируемой пробе было выявлено процентное преобладание техногенных частиц (80 %) над минеральными частицами (21 %) (табл. 1). Таблица 1 Вещественный состав твердого осадка снега вблизи ТЭЦ-5 Тип частиц Минеральные частицы Кварц прозрачный Слюда Полевые шпаты Техногенные частицы Al-Si микросферулы Металлические микросферулы черного цвета Спекшиеся частицы угля Шлак и зола Черные скорлуповатые частицы угольной пыли Процентное соотношение 21 % 5 1 15 80 % 40 15 10 10 5 Присутствие данных типов частиц было подтверждено исследования с помощью электронного микроскопа (табл. 3). Дополнительно были выявлены и другие минеральные типы частиц, а также их размеры: халькопирит (2,1 мкм), иллит (3,3 мкм), барит (4,3 мкм) ковеллин (4,8 мкм) и алюмосиликаты (5 мкм). Частицы размером менее 2,5 мкм наиболее опасны для легких человека, чем частицы больших размеров [17]. Халькофильные элементы встречаются в форме сульфидов (ковеллин). Барит, техногенного происхождения может быть вторичной минеральной фазой, которая образовалась в результате химической реакции ионов бария с ионами сульфата, возникающая при высокотемпературном промышленном сжигании угля. Также, он встречается в виде включений неправильной формы в углеродистые частицы угольного остатка («кокса» как недожженный уголь) [18]. Зола экибастузских углей содержит значительное количество алюмосиликатов, соли железа, кальция и магния (табл. 2), имеет высокую температуру плавления [8], все это свидетельствует о возможном поступлении минеральных частиц с выбросами ТЭЦ-5. По данным изучения проб под бинокулярным микроскопом наибольший процент приходится на алюмосиликатные микросферулы (40 %), на втором месте металлические микросферулы (15 %), тогда на содержание шлака и золы, спекшихся частиц угля приходится 10 %. Алюмосиликатные микросферулы – техногенные частицы, возникающие в процессе высокотемпературного горения (полых сферических частиц). Алюмосиликатные полые микросферулы являются одним из компонентов зольных уносов тепловых электростанций, работающих на угле. Согласно проведенным исследования алюмосиликатные микросферулы состоят из таких минералов как муллит и силлиманит. Образование АСПМ происходит при высоких температурах: силикатный минеральный материал углей плавится и в газовом потоке продуктов сгорания дробится на мельчайшие 304 Школа молодых ученых капли. Газовые включения в минеральных частицах при нагреве расширяются и раздувают отдельные капли расплава. Те капли, в которых внутреннее давление газа уравновешивается силами поверхностного натяжения, образуют полые шарики. В остальных происходит разрыв капель (внутреннее давление больше сил поверхностного натяжения), либо они остаются просто силикатными шариками, сплошными или пористыми (поверхностное натяжение больше внутреннего давления) [18, 19]. Таблица 2 Химический состав золы экибастузких углей [7] с добавлениями авторов в названии минералов Пласты I II II Название соответствующего минерала SiO2 58,40 61,63 58,98 Кварц Химический состав золы, % Al2O3 Fe2O3 CaO 26,29 8,82 3,35 27,11 5,67 3,21 29,76 9,17 1,28 Глинистые Гематит – минералы MgO 1,53 0,49 0,37 Периклаз Таблица 3 Результаты исследований состава твердого осадка снега методом электронной сканирующей микроскопии Минерал Недожженный уголь Оксиды железа Алюмосиликатные микросферулы Иллит Алюмосиликат Металлическая микросферула Барит Халькопирит Ковеллин Форма частиц Спектр элемента Средний размер элемента (мкм) Аморфные кристаллы Кристаллы неправильной формы Кристаллы сферической формы Кристалл неправильной формы Кристаллы неправильной формы, разрушенные кристаллы Кристаллы сферической формы Кристалл неправильной формы (овальной) С 29,3 Фаза (Минеральная – М, Техногенная – Т) Т Fe, O 5,95–15,8 М Al, Si, O 35 Т Mg, Al, Si,K, O 3,33 М Al, Si, O, Fe, Ca 5 М Fe, O, S 22,2 Т O, Ba, S 4,3 М S, Si, Al, Ca, Fe Ca,Si, Fe, Al, Mn 2,1 4,8 М М Металлические микросферулы черного цвета иногда возникают в виде техногенных минералов гетита, гематита, пирита, халькопирита и магнетита. Морфологии частиц (сферической формы, дендритные и скелетные кристаллы в стеклообразной матрице) предполагает, что они были сформированы при плавлении стали при очень высоких температурах, с последующим быстрым охлаждением [18]. Содержание железа во всех минералах обуславливает их магнитные свойства, которые позволили выделить магнитную фракцию. Магнитная фракция составила 17,7 мг или 3,54 % от общей массы. Немагнитная соответственно составила 482,3 мг, что составляет 96,45 % от всего навеска. По результатам микроскопического исследования было выявлено, что данная фракция представлена в основном металлическими микросферулами (90 %). Шлак и зола, черные скорлуповатые частицы угольной пыли, спекшиеся частицы угля поступают в атмосферу с выбросами котельных и электростанций, работающих на угле [3]. 305 Роговские чтения Заключение. По результатам исследования была рассчитана средняя величина пылевой нагрузки по городу, значение которой составляет 132 мг/(м2сут) и соответствуют низкой степени загрязнения. Установлено, что в районе ТЭЦ-5 уровень пылевой нагрузки составил 267,3 мг/(м2сут), что превышает среднюю величину по городу в 2 раза. Определили вещественный состав твердого осадка снега: анализ показал, что твердый остаток снега в значительной степени состоит из техногенных частиц, в основном из алюмосиликатных микросферул, частиц недожжённого угля, угольной пыли, шлака, золы. Предположительно, источником образования данных частиц является высокотемпературное сжигание угля на ТЭЦ-5, т.к. состав золы угля соответствует составу нерастворимого вещества в твердом осадке снега. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Министерство энергетики Российской Федерации. Основные виды производства электроэнергии на территории России. – Условия доступа : http://minenergo.gov.ru/activity/powerindustry/powersector/structure/types/ (дата обращения: 28.12.14). 2. РИА «Омск-Информ» ТЭЦ-5 каждый час выбрасывает на Омск 4 тонны вредных веществ. – Условия доступа : http://www.omskinform.ru/news/54461 (дата обращения: 28.12.14). 3. Агафонова, А. В Омске прошел черный снегопад / А. Агафонова. – Условия доступа : http://omskpress.ru/ news/47481/v_omske_prodoljaetsya_chyorny_snegopad/ (дата обращения: 28.12.14). 4. Информационное агентство ОмскПресс. Природоохранная прокуратура требует избавить Омск от черного снега. – Условия доступа : http://omskpress.ru/news/40400/prirodooxrannaya_prokuratura_trebuet_izbavit_omsk_/ (дата обращения: 28.12.14). 5. Самые высокие трубы мира. – Условия доступа : ru.wikipedia.org/wiki/Список_самых_высоких_труб (дата обращения: 28.12.14). 6. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186 № 2932 83. – М. : Госкомгидромет, 1991. – 693 с. 7. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. – Л. : Гидрометеоиздат, 1985. – С. 181. 8. Арынов, А.А. Состояние и показатели качества Экибастузских углей / А.А. Арынов // Вестник КарГУ. – 2007. 9. Филимоненко, Е.А. Особенности вещественного состава пылевых атмосферных выпадений в зоне воздействия предприятия топливно-энергетического комплекса (на примере Томской ГРЭС-2)/ Е.А. Филимоненко, А.В. Таловская, Е.Г. Язиков // Оптика атмосферы и океана. – 2012. – № 10. – С. 896–901. 10. Минералогия пылевых аэрозолей в зоне воздействия промышленных предприятий г. Томска / Е.А. Филимоненко, А.В. Таловская, Е.Г. Язиков [и др.] // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8. – С. 760–765. 11. Твердые фазы аэрозолей в природно-технических системах городов Прибайкалья / В.А. Скворцов, Н.В. Федорова, В.П. Рогова [и др.] // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. – 2011. – № 1. – С. 31–39. 12. Снежный покров как индикатор загрязнения урбанизированной территории Алтайского края / В.Е. Павлов, И.А. Суторихин, И.В. Хвостов [и др.] // Оптика атмосферы и океана. – 2009. – № 1. – С. 96–100. 13. Таловская, А.В. Динамика элементного состава снегового покрова на территории северо-восточной зоны влияния Томск-Северской промышленной агломерации / А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Е.Г. Язиков // Оптика атмосферы и океана. – 2014. – № 6. – С. 491–495 14. Elik, A. Monitoring of Heavy Metals in Urban Snow as Indicator of Atmosphere Pollution / A. Elik // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. – 2010. – V. 82. – № 1. – Р. 37–45. 15. Сает, Ю.Е. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, П.Е. Янин. – М. : Недра, 1990. – 335 с. 16. Пат. 2229737 Россия, 27.05.2004. Способ определения загрязненности снегового покрова техногенными компонентами / Е.Г. Язиков, А.Ю. Шатилов, А.В. Таловская. 17. Язиков, Е.Г. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Томска по данным изучения пылеаэрозолей и почв / Е.Г. Язиков, А.В. Таловская, Л.В. Жорняк. – Томск : Изд-во ИПУ, 2010. – 264 с. 18. Miler, M. Characterisation of solid airborne particles in urban snow deposits from Ljubljana by means of SEM/EDS / M. Miler, M. Gosar // Materials and Geoenvironment. – 2009. – V. 56. – № 3. – Р. 266–282. 19. Кизельштейн, Л. Следы угольной энергетики / Л. Кизельштейн // Наука и жизнь. – 2008. – № 5. 306 Школа молодых ученых УДК 502.11:621.315.615.2.004.1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБЕССЕРИВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ M. Mellah1, Н.А. Осипова2, Э.Б. Ерещенко1,2 1 2 Université Paris-Sud, г. Орсе, Франция, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: ereshenko.eleonora@mail.ru Данное исследование проводилось в рамках совместного проекта EDF – Électricitéde France (государственная электрогенерирующая компания Франции) и Institutde Chimie Moléculaireet des Matériaux (Институт Молекулярной Химии и Материалов Университета Paris-Sud). Работа посвящена актуальному вопросу продления срока службы силовых трансформаторов, путем устранения проблемы коррозии металлов, а также установлению экологических аспектов этого процесса. Рассматривается проблема возникновения коррозионности в среде трансформаторного масла и возможности уменьшения концентрации соединений серы. Для анализа применялся метод газовой хроматографии. В ходе исследования было установлено, что цирконий является наиболее подходящим металлом для десульфуризации. Исследованы сорбционные свойства металлов в условиях высокой температуры. Данная работа может стать началом разработки новых фильтров для уменьшения серосодержащих соединений в трансформаторном масле. Ключевые слова: трансформаторное масло, коррозия, дибензил дисульфид, адсорбция металлов. Введение Силовой трансформатор используется для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты. Это оборудование широко используется на электростанциях, в промышленности и быту. Большую роль при работе этого электромагнитного устройства играет трансформаторное масло. Трансформаторные масла – это минеральные масла, произведенные как продукт переработки нефти. Они применяются для нескольких важных целей: изоляция трансформатора, охлаждение, а также предохранение изоляции от увлажнения. Одним из наиболее важных параметров трансформаторного масла является стабильность против окисления, что предопределяет его способность сохранять свои параметры при длительной работе [1]. Данное исследование посвящено поиску простой и эффективной методики уменьшения в изоляционном маслеконцентрации соединений серы, а также определению её экологической обусловленности. Для достижения этой цели к искомому способу обессериваниябыли выдвинуты следующие требования: 1. Использовать адсорбционные свойства металлов. 2. Для обессеривания использовать чистые металлы, а не их соединения 3. Методика должна быть эффективной в температурных условиях работающего трансформатора (+100 °С). Рассмотрим теперь экологические параметры эксплуатации трансформаторного масла. Одной из ключевых проблем использования трансформаторов является коррозия металлов. Она способна значительно уменьшить срок службы этого оборудования, а значит быть причиной повышения твердых промышленных отходов. Даже в случае переработки большинства составляющих трансформатора это будет причиной выброса в окружающую среду значительного количества вредных веществ, а также весомые энергозатраты. Поэтому важно работать в направлении уменьшения или устранения возможных рисков образования коррозии металлов. Не последнюю роль в этом процессе играет трансформаторное масло. Исследование коррозии металлов в определенных условиях (окисление масла происходит в течение продолжительного времени – до 1000 ч, при температурных условиях +95 °С) показало, что 307 Роговские чтения сталь, кадмий, цинк, никель, хром незначительно разрушаются в окисляющем масле. Медь же наоборот больше других подверглась коррозии [2]. Считается, что медь является одним из наиболее надежных индикаторов коррозийных свойств изоляционных масел [2]. Установлено, что при воздействии масла с окисляющими свойствами на медь, на её поверхности появляются плёнки с электроизоляционными свойствами. Коррозия меди возрастает при длительном окислении масла [2]. Было замечено, что с повышением температуры коррозия увеличивается. Это объясняется влиянием температуры на скорость процесса коррозии, а также на скорость окисления масла и накопление продуктов окисления [2]. Интенсивность коррозии меди также зависит от химического состава масла. По мнению многих исследователей [3], значительную роль в образовании коррозии играет сульфид меди (II), который после ряда реакций образует дибензил дисульфид (ДБДС). Определенную роль в возникновении коррозионных свойств в трансформаторном масле играет молекула серы, включенная в комплекс ДБДС. Другим важным экологическим аспектом использования трансформаторного масла является вопрос об использовании отработанного масла. Срок службы изоляционного масла заканчивается тогда, когда оно теряет свои свойства или приобретает новые. Например, в непригодном для работы масле повышается окисляемость, появляются примеси и вода. В таком случае оно не должно становиться отходом. Например, после регенерации трансформаторное масло можно вновь использовать по его прямому назначению. Однако если материальные и технические затраты для этого процесса слишком велики, масло можно использовать в других целях. Например, для отопления помещений или смазки железобетонных изделий. В случае если отработанное масло будет использоваться в качестве горючего топлива, неизменно встанет вопрос о загрязнения воздуха вредными выбросами, в частности, соединениями серы. Методика десульфуризации, описанная ниже, сможет свести к минимуму это вредное воздействие. Уменьшение концентрации соединений серы в трансформаторном масле Объектом данной работы является трансформаторное масло типа NYTRO GBN 10. Концентрация дибензила дисульфида в нём составляет 48 ppm.Для эксперимента использовались следующие металлы: железо, никель, золото, магний, цинк и медь. Его результаты представлены в табл. 1. Таблица 1 Площадь пика ДБДС при добавлении в трансформаторное масло металлов до и после нагревания Исследуемое вещество NYTRO Au 1 + NYTRO (до нагревания) Au 2+ NYTRO (после нагревания) Mg 1+ NYTRO (до нагревания) Mg 2+ NYTRO (после нагревания) Ni 1+ NYTRO (до нагревания) Ni 2+ NYTRO (после нагревания) Zn 1+ NYTRO (до нагревания) Zn 2+ NYTRO (после нагревания) Fe 1+ NYTRO (до нагревания) Fe 2+ NYTRO (после нагревания) Площадь пика, μV 67 253 729,9 51 406 631,8 44 325 870,1 38 061 712,6 72 810 503,1 26 174 640,9 37 783 573,2 47 611 682,2 76 117 006,6 18 889 486,9 59 468 734,9 Концентрация ДБДС, ppm 48 39 34 30 51 22 30 37 52 16 44 Рассмотрим теперь эти результаты через сравнительную диаграмму (рис. 1). Таблица и рисунок показывают, что после нагревания концентрация ДБДС значительно увеличивается, то есть имеют место процессы десорбции. Также можно заключить, что лучшие сорбционные свойства проявило железо при простом перемешивании с трансформаторным маслом. Именно с этим результатом сравнивались последующие эксперименты. 308 Школа молодых ученых Площаль пика ДБДС, μV 80000000 NYTRO 70000000 Au 1 + NYTRO 60000000 50000000 Au 2+ NYTRO 40000000 Mg 1+ NYTRO 30000000 Mg 2+ NYTRO 20000000 Ni 1+ NYTRO 10000000 Ni 2+ NYTRO 0 Zn 1+ NYTRO Zn 2+ NYTRO Рис. 2. Сравнительная диаграмма площадей пиков ДБДС при добавлении в трансформаторное масло различных металлов при нагревании. На рисунке красным цветом обозначена контрольная проба (трансформаторное масло NytroGBN10), зеленым цветом – проба без нагревания, синим цветом – после нагревания Использование циркония для десульфуризации После проведения опытов с металлами, были осуществлены аналогичные эксперименты с цирконием. Цирконий проявил другие свойства при сорбции серосодержащих веществ. Так при простом перемешивании с трансформаторным маслом, площадь пика ДБДС практически не изменилась. Однако при нагревании площадь пика ДБДС значительно уменьшилась. Представим полученные результаты в виде табл. 2 и сравним их с опытом применения железа. Таблица 2 Площадь пика при добавлении в трансформаторное масло циркония в сравнении с контрольной пробой (NYTRO GBN 10) и с пробой после применения железа без нагревания Исследуемое вещество Площадь пика ДБДС, μV Концентрация ДБДС, ppm NYTRO GBN 10 67 253 729,9 48 Fe + NYTRO 18 889 486,9 16 Zr + NYTRO 53 942 019,7 40 Zr-1 + NYTRO GBN 10 39 254 128,5 31 Zr-2 + NYTRO GBN 10 19 004 089,3 16 Zr-3 + NYTRO GBN 10 9 686 495 9 Примечание. Zr + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием без нагревания; Zr-1 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию при температуре 100 °С в течение 1 ч; Zr-2 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию при температуре 100 °С в течение 12 ч; Zr-3 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию в течение 48 ч Следующая диаграмма (рис. 2) показывает площадь пикадибензил дисульфида через час нагревания, через 12 ч и через 48 ч. В результате проведенного исследования можно утверждать, что именно цирконий является наиболее эффективным металлом для сорбции серосодержащих веществ в изоляционных маслах в условиях работающего трансформатора. Именно эти опыты могут лечь в основу создания фильтров для трансформаторных масел. 309 Площадь пика ДБДС, μV Роговские чтения 80000000 NYTRO GBN 10 Fe+NYTRO Zr+NYTRO Zr-1+NYTRO GBN 10 Zr-2+NYTRO GBN 10 Zr-3+NYTRO GBN 10 60000000 40000000 20000000 0 Рис. 2. Сравнительная диаграмма площадей пиков ДБДС при добавлении в трансформаторное масло железа (проба без нагревания) и циркония (Zr + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием без нагревания, Zr-1 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию при в течение 1 ч; Zr-2 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию в течение 12 ч; Zr-3 + NYTRO GBN 10 – проба с цирконием подверглась нагреванию в течение 48 ч) Выводы и перспективы Проблема соответствия высоким экологическим стандартам с каждым годом становится всё более актуальной. Чтобы найти оптимальный выход, необходимо не только учитывать условия эксплуатации оборудования, но и судьбу отработанных материалов, которые в идеале не должны переходить в категорию отходов. Проблема переработки отходов и вторичного их использования освещена в нормативных актах, таким образом, осуществляется государственная поддержка [8]. Целью нашего исследования было создание эффективной, простой, а главное, экологичной методики обессеривания трансформаторного масла. Она позволит не только улучшить условия эксплуатации масла (в частности, содействовать решению проблемы возникновения коррозии металлов) и увеличить срок службы трансформатора, но и сделает отработанное трансформаторное масло более выгодным для вторичного использования. В рамках нашего эксперимента тестировался ряд металлов. Среди них лучшие сорбционные свойства проявило железо. При добавлении этого металла в масло концентрация ДБДС уменьшилась в три раза. Однако при внедрении новых технологий необходимо также учитывать и условия эксплуатации оборудования. Так при работе трансформатора масло находится под действием высоких температур. При тестировании опыта с железом в подобных условиях концентрация ДБДС вновь увеличилась почти в 3 раза. Однако опыты с использованием циркония показали лучший для нашего случая результат. Концентрация ДБДС при воздействии высоких температур в течение 48 ч уменьшилась более чем в 5 раз и составила 9 ppm.Учитывая, что отработанное трансформаторное масло допускается использовать вторично для отопления можно сравнить полученный результат со стандартами топлива. Так класс топлива по показателю содержания соединения серы повысился с 4 до 5, который является самым высоким экологическим стандартом [9]. Преимущество созданного метода обессеривания заключается в простоте его использования. Важным фактором является и то, что одним из технических условий десульфиризации является температурные условия, которые достигаются естественным образом при работе трансформатора. Это означает значительную экономию энергоресурсов, а также уменьшение выбросов парниковых газов. Таким образом, данная методика способна внести свой вклад не только в решение проблемы загрязнения атмосферы соединениями серы и образования кислотных дождей, но и косвенно – проблемы глобального изменения климата. Мы надеемся, что данная работа станет основой для создания фильтров для уменьшения концентрации соединений серы в трансформаторном масле, которые смогут отвечать всем современным экологическим требованиям. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Холуянов, Ф.И. Трансформаторы однофазного и трехфазного тока / Ф.И. Холуянов. – Л.; М. : Государственное Энергетическое изд-во, 1934. – 256 с. 310 Школа молодых ученых 2. Электрические сети. – Условия доступа : http://leg.co.ua/transformatory/teoriya/izolyaciya-transformatorov.html (дата обращения 04.08.2014). 3. Electrochemical determination of elemental sulfur in Brazilian naphta: method and validation / D.R. Fernandes [etc.] // Journal of Applied electrochemistry. – 2009. – V. 39. – I. 10. – Р. 1655–166. 4. Ito, T. Corrosion Control by Antioxydant DBPC in Insulating Oil / T. Ito, Y. Morishima // Transactions on electrical and electronic engineering. – 2009. – V. 4. – I. 3. – Р. 422–424. 5. Попенко, Н.И. Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Физика и химия поверхности» / Н.И. Попенко. – М., 2010. – 156 с. 6. Царев, H.И. Практическая газовая хроматография / H.И. Царев, В.И. Царев, И.Б. Катраков. – Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2000. – 156 с. 7. Аппаратно-программный комплекс и учебно-методические материалы для реализации на современном технологическом и научно-техническом уровне программ общего курса аналитической химии и специальных курсов для студентов химического, биологического и физического факультетов Института естественных наук. Основной профильный модуль «Методы разделения и концентрирования» профиля подготовки 020100.62.02 «Аналитическая химия». Видеолекция // Уральский федеральный университет [официальный сайт]. – Условия доступа : http://www.study.urfu.ru/ view/aid/12269/1/vi3.html (дата обращения 03.06.2014). 8. Инструкция по организации сбора, временного хранения, учета и сдачи отработанных нефтепродуктов (разработана на основании Федерального закона от 10.01.2002 №7-ФЗ «Об охране окружающей среды», Федерального закона от 24.06.1998 №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», ГОСТ 21046–86 «Нефтепродукты отработанные. Общие технические условия» и пр.). 9. Постановление Правительства РФ от 27 февраля 2008 г. № 118»Об утверждении технического регламента «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту» (с изменениями от 25 сентября, 30 декабря 2008 г., 21 апреля 2010 г., 7 сентября 2011 г.) 311 Роговские чтения УДК 502.3:613.15 СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ КАК ИНДИКАТОР ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ОКРЕСТНОСТЯХ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА Г. КРАСНОЯРСКА С.А. Поликанова, А.В. Таловская Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: polikanovasa@mail.ru В статье представлены данные наблюдения за загрязнением снежного покрова в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» в 2013 и 2014 гг. Для изучения содержания фторидов в талой снеговой воде применяли потенциометрический метод, химический состав твердого осадка снега определялся нейтронно-активационным анализом. Содержание фторидов в талой снеговой воде в зоне воздействия алюминиевого завода возрастает на расстоянии от 1 до 3 км в 2013 г., тогда как в 2014 г. содержание фторидов постепенно уменьшается по мере удаления от завода от 3 до 13 км. Величина пылевой нагрузки на снеговой покров соответствует высокой степени загрязнения на расстоянии от 1 до 2 км от границы предприятия. На расстоянии от 3 до 13 км величина нагрузки уменьшается от средней до низкой степени. Содержание химических элементы в твердом осадке снега не превышает фоновых значений. Согласно расчету общей нагрузки химических элементов на снеговой покров наибольшие значения характерны для Ba, Sr и Zn во всех пунктах отбора проб. Расчет коэффициента аэрозольной аккумуляции показал, что твердый осадок снега обогащен Sb, As, Sr и Zn, что свидетельствует об антропогенных локальных источниках их поступления с пылевым аэрозолем. Ключевые слова: снег, алюминиевый завод, фтор, токсичные элементы. Введение. Загрязнение снежного покрова является одним из показателей качества атмосферного воздуха [1]. Основными источниками загрязнения снежного покрова в г. Красноярске служат выбросы автотранспорта и стационарные источники, среди которых наибольший вклад вносит ОАО «Красноярский алюминиевый завод» – 45 % [2]. Большое значение уделяется изучению фторидов в зоне воздействия алюминиевых заводов, однако в меньшей мере изучаются другие химические элементы, способные также оказывать влияние на здоровье человека. Определение содержания химических элементов в снеговом покрове в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» позволит дополнить данные об уровне его загрязнения пылью с комплексом химических элементов и получить обновленные данные о содержании фторидов. Методика исследования. В марте 2013 и 2014 гг. автором осуществлялся отбор проб снега в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод». Все работы по отбору и подготовке проб снега выполнялись с учетом методических рекомендаций [3] и руководства по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186-89). Объектом исследования являются талая вода и твердый осадок снега. Всего в 2013 г. было отобрано 3 пробы, в 2014 г. – 5 проб. В 2013 г. пробы были отобраны на расстоянии 1–3 км на северо-восток от границы предприятия согласно главенствующему направлению ветра (юго-запад), тогда как в 2014 г. дополнительно были взяты еще две пробы – на расстоянии 8 и 13 км (рисунок). Содержание фторидов в пробах определяли потенциометрическим методом с использованием прибора Анион 4100 с фтор-селективным электродом по ГОСТ 23268.18–78 в учебно-научной лаборатории микроэлементного анализа Международного инновационного научно-образовательного центра «Урановая геология» на базе кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ. Инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) на 28 химических элементов проводился в аккредитованной ядерно-геохимическая лаборатория МИНОЦ «Урановая геология» (аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская). Данным методом было проанализировано 3 пробы, отобранные в 2013 г. По результатам аналитических исследований были произведены расчеты геохимических показателей для оценки уровня загрязнения снегового покрова. Расчёт пылевой нагрузки в каждой точке осуществляли по формуле: 312 Школа молодых ученых Pn Po , S t где Рn – величина пылевой нагрузки, мг/м2сут; Рo – вес твердого снегового осадка, мг; S – площадь снегового шурфа, м2; t – количество суток от начала снегостава до дня отбора проб, сут. Карта отбора проб снегового покрова в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» Коэффициент концентрации, рассчитывается как отношение содержания элемента в снеге к его фоновому содержанию: KК = С/Сф, где Kк – коэффициент концентрации; С – содержания элемента в твердом осадке снега (мг/кг); Сф – фоновое содержание элемента (мг/кг), в работе используются данные по Средне-Сибирскому (оз. Байкал) фону по данным В.А. Ветрова и А.И. Кузнецовой [4]. Фоновое значение по фторидам в снежном покрове для г. Красноярска составляет 0,099 мг/л, фоновой является территория заповедника «Столбы» [2]. Также была рассчитана общая нагрузка, создаваемая поступлением каждого из химических элементов в окружающую среду (среднесуточное выпадения химического элемента из атмосферы на снеговой покров): Робщ = С Рn, где Робщ – общая нагрузка, мг/ (км2 сут); С – содержания элемента в твердом осадке снега (мг/кг), где Рn – величина пылевой нагрузки, кг/км2сут [5]. Коэффициент аэрозольной аккумуляции Kа был рассчитан по формуле [6]: Kа = А/К, где А – содержание элемента в твердом осадке снега; К – кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры [7]. Результаты и их обсуждение. Согласно нормативной градации [5] величина пылевой нагрузки в 2013 г. в пределах 1–2 км соответствует высокой степени загрязнения (451–850 мг/м2сут), далее по мере удаления от завода изменяется до средней степени загрязнения (251–450 мг/м2сут). В 2014 г. величина пылевой нагрузки в пределах от 1 до 3 км изменяется от средней до низкой степени загряз313 Роговские чтения нения (менее 250 мг/м2сут), а в пределах 8–13 км наблюдается низкая степень загрязнения (табл. 1). Снижение величины пылевой нагрузки в 2014 г. по сравнению с 2013 г. на расстоянии 1 км от границы предприятия в 2 раза, и на расстоянии 2 км – в 5 раз, возможно связанно с уменьшением объемов выбросов в результате реализации программы модернизации газоочистного оборудования завода [8]. Таблица 1 Величина пылевой нагрузки зоне влияния ОАО «Красноярский алюминиевый завод», 2013–2014 гг. (мг/м2сут) Год отбора проб 2013 2014 Расстояние от границы предприятия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» до точки отбора 1 км 2 км 3 км 8 км 13 км 816 800 420 н. д. н. д. 342 149 330 82 16 Примечание. В практике используется следующая градация по среднесуточной пылевой нагрузке: 0–250 мг/м2сут – низкая степень загрязнения; 251–450 мг/м2сут – средняя степень загрязнения; 451–850 мг/м2сут – высокая степень загрязнения; > 850 мг/м2сут – очень высокая степень загрязнения [5]; н. д. – отбор проб не проводился. Содержание фторидов в пробах за 2013 г. в зоне воздействия алюминиевого завода изменялось от 13,13 до 15,38 мг/дм3, что превышает фон [2] в среднем в 142 раза (табл. 2). В 2014 г. содержание фторидов в пробах также превышало фоновое значение (на расстоянии 1 км от завода в 140 раз, на расстоянии в 13 км – 16,5 раз) и изменялось от 1,64 до 13,83 мг/дм3. Таблица 2 Содержание фторидов в талой снеговой воде в зоне влияния ОАО «Красноярский алюминиевый завод», 2013–2014 гг. (мг/дм3) Год отбора проб 2013 2014 1 км 13,13 13,83 Расстояние от завода до пункта отбора проб 2 км 3 км 8 км 13,76 15,38 н. д. 10,64 11,62 3,88 13 км н. д. 1,64 Примечание. *предел обнаружения метода – 0,05 мг/дм3; **фоновое значение по фторидам в снежном покрове составляет 0,099 мг/дм3; для г. Красноярска фоновой является территория заповедника «Столбы» [2]. Согласно результатам за 2013 г. содержание фторидов в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» возрастало на расстоянии от 1 до 3 км. Однако в 2014 г. подобной закономерности не наблюдается, в этот год по мере удаления от завода от 3 до 13 км содержание фторидов постепенно уменьшается. Высокое содержание фторидов в пробах талой снеговой воды в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» связано со спецификой данного предприятия. Алюминиевый завод является основным источником загрязнения территории г. Красноярска фторидами, а значения концентрации фторидов увеличиваются с запада на восток по территории города [2]. Кроме этого, по полученным данным можно сказать, что фториды переносятся на значительные расстояния, что связано с летучестью элемента. Согласно литературным данным радиус воздействия выбросов крупных предприятий по производству алюминия весьма велик и превышает 50 км [9]. Согласно данным ИНАА проб за 2013 г. рассматриваемые элементы концентрируются в твердом осадке снега преимущественно на расстоянии 2 км по мере удаления от предприятия, т. е. их содержание в пробах из данного пункта максимально относительно содержания в пробах из других пунктов (табл. 3). В то же время во всех изученных пробах концентрации рассматриваемых элементов преимущественно не превышают фоновых концентраций. Вблизи от алюминиевого завода располагается металлургический завод и ТЭЦ-3, выбросы которых могут вносить свой вклад в поступление пыли с комплексом химических элементов. Расчет коэффициента аэрозольной аккумуляции показал, что пробы, отобранные на расстоянии 1 км обогащены в 3 раза Sr, As и Zn, Sb в 11 раз; на расстоянии 2 км – Sr в 4 раза, As в 2 раза, Zn 314 Школа молодых ученых в 3 раза и Sb в 21 раз; на расстоянии 3 км – Sr в 2 раза, As в 4 раза, Zn в 3 раза и Sb в 13 раз. Это свидетельствует об антропогенных источниках их поступления на рассматриваемой территории. Концентрации остальных изученных элементов в твёрдых частицах аэрозолей по сравнению с содержанием в гранитном слое земной коры отличаются незначительно. Таблица 3 Содержание и величина коэффициентов концентрации химических элементов в пробах твердого осадка снега в зоне влияния ОАО «Красноярский алюминиевый завод», 2013 г. Элементы Ce U Th Cr Ba As Cs Sc Rb Fe Co Na Eu La Sb С 13,3 1,06 2,4 26,6 286 6,3 0,3 2,7 6,6 1,1 7,0 0,4 0,2 5,6 2,2 Расстояние от завода до точки отбора 1 км 2 км Кк С Кк С 0,3 24,0 0,5 9,8 0,2 1,3 0, 0,7 0,3 2,5 0,3 0,95 0,06 36,5 0,08 20,6 0,6 576 1,2 253 0,3 4,7 0,2 8,4 0,09 0,5 0,1 0,2 0,2 6,1 0,5 2,0 0,2 9,9 0,4 5,0 0,5 1,9 0,8 1,0 0,4 10,5 0,6 7,3 0,6 0,4 0,6 0,7 0,2 0,4 0,4 0,2 0,2 9,9 0,4 4,2 0,07 4,3 0,1 2,6 3 км Кк 0,2 0,15 0,12 0,05 0,5 0,4 0,06 0,2 0,2 0,4 0,4 1,1 0,2 0,1 0,09 Средне-Сибирский фон (оз. Байкал)* 47,5 4,8 8 457 467 23 3,4 11 27,5 2,5 18 0,6 1 28,5 31 Примечание. Содержание железа и натрия – %, остальные г/т; данные ИНАА; n – объем выборки; * – фон по данным В.А. Ветрова и А.И. Кузнецовой [4]. Согласно расчету общей нагрузки, создаваемой поступлением каждого из химических элементов на снежный покров, наибольшие значения характерны для Ba, Sr и Zn во всех пунктах отбора проб. Согласно исследованиям [10] в нерастворимых частицах снега (твердом осадке снега) из зоны воздействия Саяногорского и Хакасского алюминиевых заводов были обнаружено превышение содержания Sr и Zn над их фоновым концентрациями. Таким образом, можно предположить, что источником перечисленных химических элементов являются выбросы алюминиевого завода. С другой стороны, источниками данных химических элементов могут быть и другие предприятия (Красноярский металлургический завод, Красноярская ТЭЦ-3), расположенные рядом. По литературным данным для выбросов Новосибирских теплоэлектроцентралей одними из наиболее характерных элементов в снеговом покрове являются Sr и As [11], в окрестностях Кызылской ТЭЦ в пробах твёрдого снегового покрова одним из преобладающих элементов являлся Zn [12], также данные пятилетнего мониторинга в окрестностях теплоэлектростанции г. Томска показали, что в пробах твердого осадка снега концентрация As и Zn находится на уровне 10–30 фонов, Sr- 3–5 фонов, Sb – 1–3 фонов [13]. Заключение. В конце февраля – начале марта 2013–2014 гг. был проведён отбор проб снежного покрова в зоне воздействия ОАО «Красноярский алюминиевый завод» согласно в северо-восточном направлении на расстоянии от 1 км до 13 км от предприятия согласно главенствующему направлению ветра. Рассчитана величина пылевой нагрузки, в 2013 г. данная величина изменяется от высокой до средней степени загрязнения согласно градации, в 2014 г. – от средней загрязнения до низкой степени по мере удаления от завода. Снижение величины пылевой нагрузки в 2014 г. возможно связано с природоохранными мероприятиями на заводе. Проведено сравнение содержания фторидов в снеговой воде из зоны воздействия предприятия с фоновыми значениями [2], из чего сделаны выводы, что 315 Роговские чтения содержание фторидов в зоне воздействия завода превышает фон в 2013 г. среднем в 142 раза, в 2014 г. в 84 раза. Рассматриваемые химические элементы по величине коэффициентов концентраций не превышают фоновых значений в твердом осадке снега в 2013 г. Также была рассчитана общая нагрузка создаваемой поступлением каждого из химических элементов на снежный покров, в результате чего были выделены следующий элементы – Ba, Sr и Zn, для которых характерны наибольшие значения данной величины во всех пунктах отбора проб. Выявлено, что поступление Sr, As и Zn, Sb связано с антропогенными выбросами как алюминиевого завода, т.к. и близ расположенными к нему металлургического завода и ТЭЦ-3. Определение долю вклада каждого из источника должно быть изучено дополнительно. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Сергеева, А.Г. Снежный покров как индикатор состояния атмосферного воздуха в системе санитарно-экологического мониторинга / А.Г. Сергеева, Н.Г. Куимова / Ин-т геологии и природопользования ДВО РАН г. Благовещенск, Амур. фил. Ботан. сада – ин-та ДВО РАН, г. Благовещенск // Бюл. физиологии и патологии дыхания. – 2011. 2. Красноярск. Экологические очерки / Р.Г. Хлебопрос, О.В. Тасейко, Ю.Д. Иванова [и др.]. – Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2012. – 130 с. 3. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. – М. : ИМГРЭ, 1982. – 111 с. 4. Ветров, В.А. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал / В.А. Ветров, А.И. Кузнецова. – Новосибирск : Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1997. – 237 с. 5. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин [и др.]. – М. : Недра, 1990. – 335 с. 6. Добровольский В.В. Основы биогеохимии / В.В. Добровольский. – М. : Издательский центр «Академия», 2003. – 400 с. 7. Беус, А.А. Геохимия окружающей среды / А.А. Беус, Л.И. Грабовская, Н.В. Тихонова. – М. : Недра, 1976. – 248 с. 8. Экология производства. Научно-практический портал. – Условия доступа : http://www.ecoindustry.ru/news/ company/view/29558.html (дата обращения: 30.01.2015). 9. Танделов, Ю.П. Фтор в системе почва-растение / Ю.П. Танделов ; под ред. В.Г. Минеева. – 2-е изд., перераб. и доп. – Красноярск, 2012. – 146 с. 10. Давыдова, Н.Д. Проблемы загрязнения природой среды Сибири / Н.Д. Давыдова // Успехи современного естествознания. – 2014. 11. Методы анализа данных загрязнения снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере г. Новосибирск) / С.Б. Бортникова, В.Ф. Рапута, А.Ю. Девятова [и др.] // Геоэкология. – 2009. – № 6. – С. 515–525. 12. Мананков, А.В. Эколого-геохимическое состояние снежного покрова города Кызыл (Республика Тыва) / А.В. Мананков, И.Д. Кара-Сал // Вестник Тувинского государственного университета. – 2013. – Вып. 3. – С. 122–129. 13. Таловская, А.В. Динамика загрязнения в окрестностях предприятия теплоэнергетики на основе химического анализа снегового покрова (на примере ГРЭС-2 г. Томска). Вып. 16. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе / А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Е.Г. Язиков // Сергеевские чтения : материалы годич. сес. науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженер. геологии и гидрогеологии (21 марта 2014 г.). – М., 2014. – С. 491–496. 316 Школа молодых ученых УДК 504.5:628.4.047 ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА В СФЕРЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ НА СТАДИЯХ ИЗЫСКАНИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ С.Ю. Сохарева Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия E-mail: sokhareva.s@mail.ru Статья посвящена проблеме организации экологического мониторинга для объектов атомной энергетики. Автором рассмотрены особенности организации экологического мониторинга на атомных электростанциях. А также были изучены методы оптимизации системы мониторинга. Ключевые слова: атомная электростанция, экологический мониторинг, санитарно-защитная зона, зона наблюдения, стадии проектирования, окружающая среда, вредные химические вещества. Сегодня общепризнано, что не существует способов получения электроэнергии, не сопряженных с риском возможного вреда. Для обеспечения экологической безопасности требуется достоверная, полная и своевременная информация о состоянии природных ресурсов, качестве окружающей среды и уровне ее загрязнения в районах расположения атомной электростанции (далее АЭС). Производственный экологический мониторинг, выполняемый экологическими службами АЭС позволяет получать, обрабатывать и анализировать информацию для оценки состояния окружающей среды и выработки своевременных и экономически эффективных решений. К объектам экологического мониторинга АЭС относятся: окружающая среда в пределах санитарно-защитной зоны и зоны наблюдения АЭС, в том числе атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, земли (почва); источники поступления загрязняющих веществ в результате основной деятельности АЭС; источники антропогенного воздействия на окружающую среду, в том числе производственные объекты, пуско-резервные котельные, автотранспортные хозяйства, агропромышленные хозяйства, ремонтно-строительные цеха; размещение опасных отходов (нерадиоактивных); иные виды деятельности на атомных станциях, способные оказать прямое или косвенное воздействие на окружающую среду и человека. [1] Экологический мониторинг должен выполняться на всех стадиях: от составления проектной документации до ликвидации объекта. Наблюдения при инженерно-экологических изысканиях (локальный экологический мониторинг) выполняется с целью выявления тенденций количественного и качественного изменения состояния окружающей природной среды в пространстве и во времени в зоне воздействия сооружений. Стационарные экологические наблюдения должны включать: систематическую регистрацию и контроль показателей состояния окружающей среды в местах размещения потенциальных источников воздействия и районах его возможного распространения; прогноз возможных изменений состояния компонентов окружающей среды на основе выявленных тенденций; разработку рекомендаций и предложений по снижению и исключению негативного влияния строительных объектов на окружающую среду; контроль за использованием и эффективностью принятых рекомендаций по нормализации экологической обстановки. Оптимальная организация экологического мониторинга должна предусматривать четыре последовательных этапа: – проведение предварительного обследования с целью установления основных компонентов природной среды, нуждающихся в мониторинге, определение системы наблюдаемых показателей, измерение фоновых значений; – проектирование постоянно действующей системы экологического мониторинга, ее оборудование и функциональное обеспечение, организация взаимодействия с аналогичными системами других ведомств; 317 Роговские чтения – проведение стационарных наблюдений с целью определения тенденций изменения показателей состояния среды; – отслеживание и моделирование экологической ситуации, составление краткосрочных и долгосрочных прогнозов и выдача рекомендаций. На предпроектных стадиях должна быть обоснована система мониторинга и, при наличии финансирования, осуществлены первые два этапа организации экологического мониторинга. При необходимости определения основных тенденций изменения компонентов окружающей природной среды до начала строительства и эксплуатации сооружений начальные циклы наблюдений также рекомендуется выполнять на предпроектных стадиях. Задачами инженерно-экологических изысканий на стадии рабочей документации являются контроль состояния компонентов природной среды, уточнение и дополнение программы экологического мониторинга, а также организация и проведение циклов необходимых режимных наблюдений с целью своевременной корректировки проектных решений. Материалы инженерно-экологических изысканий для обоснования проектной документации должны содержать предложения к программе локального экологического мониторинга, а также анализ и интерпретацию результатов первых циклов наблюдений, если они были начаты на предпроектных стадиях. Корректировка программы локального экологического мониторинга должна осуществляться в период наблюдений при строительстве, эксплуатации и ликвидации объекта. В период строительства, эксплуатации и ликвидации объекта выполняется производственный контроль состояния окружающей среды, организуемый на основе функционирующей системы локального экологического мониторинга по программе, согласованной с территориальным подразделением специально уполномоченных государственных органов в области охраны окружающей среды и другими заинтересованными организациями. Контроль осуществляется специальным структурным подразделением предприятия по охране окружающей среды, которому передается стационарная наблюдательная сеть постов и пунктов [2]. Целью производственного экологического мониторинга (далее ПЭМ) является создание банка данных состояния окружающей среды, выявление причин изменения экологической ситуации, принятие оперативных решений по обеспечению экологической безопасности. Производственный экологический мониторинг осуществляется в течении всего жизненного цикла атомных станций (от разработки проектной документации до эксплуатации, реконструкции и ликвидации объекта). Объектами ПЭМ в пределах санитарно-защитной зоны АЭС являются: – земли, недра, почвы; – атмосферный воздух; – поверхностные водные объекты и подземные воды; – растительный и животный мир. Система ПЭМ состоит из следующих основных элементов: – организационной структуры; – общей модели системы ПЭМ, включая объекты мониторинга; – комплекса технических средств (приборы и оборудование для регистрации, накопления, обработки, анализа и передачи данных, средства связи и др.); – методов наблюдений, обработки и анализа данных, прогнозирования; – информационной системы [3]. Целью проведения мониторинга окружающей среды в санитарно-защитной зоне (далее СЗЗ) и зоне наблюдения (далее ЗН) является наблюдение за состоянием (уровнями загрязнения) основных компонентов природной среды, оценка и прогноз воздействия АС на состояние ОС. Программа (регламент) наблюдений должна включать: – перечни вредных химических веществ и параметров, подлежащих измерению в компонентах ПС; – критерии оценки состояния объектов в ЗН АЭС; – план-график мониторинга водных объектов; – план-график мониторинга донных отложений; 318 Школа молодых ученых – план-график мониторинга почвенного покрова; – план-график мониторинга атмосферного воздуха. Периодичность проведения пробоотбора связана с режимом работы АЭС, накоплением статистической информации и возможностью составления по данным замеров прогноза возможных уровней загрязнения компонентов ПС. Например, в период проведения пуско-наладочных работ периодичность сеансов мониторинга может быть максимальной, и уменьшена в последующем в период стабильной работы АС. При отсутствии превышений нормативов качества компонентов ПС периодичность пробоотбора снижается до значений, устанавливаемых национальными стандартами (например, для почв – 2 раза в год – в октябре перед началом зимнего периода и в марте-апреле после схода снежного покрова). При создании системы пробоотбора в СЗЗ и ЗН АЭС должны быть учтены: – репрезентативность (представительность) системы пробоотбора. которая обеспечивается выбором точек пробоотбора в типичных для территории ЗН природных зонах. В системе пробоотбора должны быть представлены в существующих пропорциях (по возможности) все сложившиеся в данной местности экосистемы (лесные, луговые, водные и др.); – расположение и плотность точек пробоотбора обуславливается необходимостью обнаружения и определения размеров возможных зон загрязнения объектов природной среды и построения изолиний распределения вредных химических веществ в них. Выбранные точки (области) проведения пробоотбора должны обеспечивать проведение отбора проб в различных объектах мониторинга (например, в точках отбора проб воды в открытых водоемах должен быть обеспечен отбор проб донных отложений). В ряде случаев, например, при проведении пуско-наладочных работ или наличии сложной экологической обстановки в ЗН, связанной, как правило, с постоянным загрязнением окружающей среды другими промышленными объектами, требуется проведение постоянной оценки состояния окружающей среды. В этом случае в СЗЗ и ЗН АЭС может быть организован регулярный мониторинг компонентов природной среды, основное отличие которого состоит в постоянном отслеживании состояния окружающей среды на основе модельного (расчетного) определения оптимальной совокупности точек отбора проб для каждого сеанса пробоотбора. Такая организация наблюдений отвечает современной концепции мониторинга, который рассматривается как единый непрерывный процесс получения и обработки информации об изменении состояния окружающей среды. Данный способ организации мониторинга состоит в обработке за определенный период (как правило, за неделю или за месяц) параметров и определении совокупности точек пробоотбора, в которой наиболее вероятно присутствие вредных веществ. При такой организации мониторинга отбор проб осуществляется регулярно в ограниченной совокупности точек установленной в СЗЗ и ЗН системы пробоотбора. Например, при проведении отбора проб в ЗН общее количество точек системы пробоотбора может составлять 150–170. Выбранная совокупность точек ежемесячно проводимого сеанса пробоотбора может составлять ориентировочно 20–25, что резко снижает нагрузку на лаборатории при повышении достоверности наблюдений. Общие рекомендации к организации и проведению наблюдений включают: Использование результатов начального (стартового) обследования в качестве основы для оценки влияния АЭС на окружающую среду в течение всего времени функционирования ПЭМ. Определение совокупности точек пробоотбора, обеспечивающих достоверную оценку распределения химических веществ при их попадании в окружающую среду. Статистическую обработку данных наблюдений (замеров концентраций ВХВ в компонентах ПС) и отображение на ситуационных картах-схемах результатов наблюдений, составление прогноза воздействия АЭС на окружающую среду. Корректировку системы пробоотбора по результатам проведенных наблюдений. Выдачу рекомендаций руководству по методам снижения воздействия АЭС на окружающую среду, а также систематизированной информации для представления в уполномоченные органы государственной власти, органы исполнительной власти субъектов РФ и в общественные организации. Ориентировочное количество химических веществ, подлежащих наблюдению на территории АЭС и в ЗН, составляет 20–30 наименований, при этом по некоторым веществам необходимо вести наблюдения с высокой периодичностью. Поскольку заданная достоверность мониторинга обеспечи319 Роговские чтения вается при непрерывном (с достаточно высокой периодичностью) проведении пробоотбора и анализов существенной задачей является минимизация проводимых исследований без снижения достоверности ПЭМ. Требование минимизации технических средств ПЭМ обеспечивается путем специальной организации системы экоаналитических исследований, при которой первичный экоаналитический контроль проводится по минимальному числу характерных групповых признаков (маркеров) с последующим детальным анализом пробы в условиях укомплектованной высокоточным оборудованием стационарной аналитической лаборатории. Подобная организация экоаналитических исследований позволяет существенно повысить производительность ПЭМ.[4] БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Антонова, А.М. Экологические проблемы АЭС и их решения / А.М. Антонова // Промышленные ведомости. – 2010. – Октябрь, декабрь. – № 10–12. – Условия доступа : http://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=2006&nomer=67 2. Свод правил по инженерным изысканиям для строительства: Инженерно-экологические изыскания для строительства: СП 11-102–97. – Введ. 1997-15-08. 3. Руководящий документ: Основные правила обеспечения охраны окружающей среды атомных станций (без учета радиационного фактора) (ОПООС АС-03): РД ЭО 0466-03. 4. Методические рекомендации по организации производственного экологического мониторинга на атомных станциях: МР 1.3.3.99.0005–2008. – Введ.01.06.2008. 320 Школа молодых ученых УДК 504:622 ГОРНО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЗАКРЫТИИ ШАХТ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ КУЗБАССА К.И. Хафизова, В.К. Попов Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия Рост числа нарушенных земель, их деградация – последствия не проводимой вовремя рекультивации земель после завершения разработки полезных ископаемых. Решить данную проблему можно с помощью организации четкой системы льгот, поощрений и санкций в области земельных отношений, а также введения унифицированного порядка производства по делам о нарушении правил охраны и использования земельных ресурсов. Эффективность такого решения заключается в том, что взимаемые денежные средства за ущерб, наносимый земле, могут использоваться на восстановление земель, предоставление льгот предприятиям для своевременного проведения рекультивации и других природоохранных мер. Цель исследования – изучить негативное влияние на деформацию и разрушение земной поверхности г. Прокопьевска в результате закрытия шахт и предложить механизм его смягчения. Задачи: 1. Показать современное состояние аварийности земной поверхности закрытых угольных предприятий Кузбасса в сравнении с закрытыми предприятиями других угольных бассейнов страны. 2. Осветить некоторые проблемы в экологии города. 3. Проанализировать негативные последствия разрушения земной поверхности при ликвидации угольных предприятий города. 4. Предложить методы решения существующих проблем. Объектом исследования стали некоторые действующие шахты, разрезы и закрытые шахты города – Центральная, Северный Маганак, Ноградская, Калинина. В работе использовались следующие методы: аналитический, сопоставительный, метод наблюдения, фотомониторинг. Кузнецкая земля хранит в своих недрах несметные богатства. Но все же по праву самым главным полезным ископаемым является уголь. Во многих городах Кузбасса именно добыча угля является одним из самых важных направлений. Один из таких городов – Прокопьевск. Высокая нарушенность земной поверхности в результате ведения горных работ является весьма характерной особенностью шахт. В Кузбассе и на других месторождениях, при отработке угольных пластов различной мощности на поверхности образуются значительные по площади участки, разбитые трещинами, уступами, провальными воронками. Изменение гидродинамического режима в процессе затопления сопровождается различными негативными последствиями. Современные методы математического моделирования позволяют в некоторой степени решить задачу прогнозирования последствий затопления шахт. При этом необходимо организовать комплексный мониторинг подземных, поверхностных вод, экзогенных геологических процессов и т. д. При подземных разработках угольных пластов внутри горного массива происходит образование пустот, что является причиной сдвижения горных пород и земной поверхности. После окончания процесса сдвижения выработанным пространством образуются три зоны: зона обрушения, зона трещин, зона прогибов. Завершающим этапом сдвижения горных пород является образование на дневной поверхности мульды сдвижения. При этом отдельные точки мульд сдвигаются неравномерно, в результате чего возникают вертикальные (наклоны, кривизна) и горизонтальные (растяжение, сжатие) деформации, также трещины, уступы и провалы. Сдвижение и деформация горных пород и земной поверхности, в определенных условиях, могут вызвать увеличение водо-газопроницаемости пород над выработанным пространством. При затоплении шахт процессы сдвижения и деформаций массива земной поверхности могут происходить в силу следующих причин: уплотнение пород и изменение их свойств; разрушение оставленной крепи, если глубина расположения выработок в массиве находится в пределах до 80 м; пе321 Роговские чтения ремещение структурных блоков по ослабленным контактам местах выходов тектонических нарушений; нарушение устойчивости барьерных целиков и целиков различно назначения, оставленных в выработанном пространстве; изменение геомеханических и гидрогеологических условий среды [5]. Схема стабилизации уровня подземных вод на ликвидируемых шахтах ОАО УК « Прокопьевск уголь» В результате затопления шахт и разрезов происходит подъем уровня подземных вод. При этом резко снижается сброс шахтных вод в речную сеть, прекращается истощение запасов подземных вод. Однако с закрытием шахт не прекращается их отрицательное влияние на природные объекты, происходит лишь перераспределение приоритетных воздействий. При ликвидации шахт на первый план выдвигаются гидрогеологические процессы. Порождаемые ими проблемы можно объединить в три группы: – загрязнение подземных водоносных горизонтов, приводящих к выводу из водопользования источников хозяйственно-питьевого водоснабжения; – затопление (заболачивание) земной поверхности, вызывающие деградацию почв, подтопление фундаментов зданий и сооружений, жилых домов, гибель лесных насаждений; – переувлажнение массива горных пород, которое вызывает ухудшение их прочностных свойств, разуплотнение пород, используемых для засыпки стволов и других выработок, выходящих на земную поверхность. Если при работе шахт отмечались, как правило, лишь локальные очаги загрязнения подземных вод за счет фильтрации через русла рек откачиваемых на земную поверхность шахтных вод, то после ликвидации шахтного водоотлива и поднятия уровня затопления, загрязненные шахтные воды проникают в подземные водоносные горизонты на огромной площади. Изменение геодинамического и геохимического состояния пород на полях затапливаемых шахт может привести к проявлению техногенных землетрясений. Лесотехническая рекультивация, проводимая на шахтах в рамках природоохранных мероприятий практически не снижает степень крайне отрицательного воздействия шахт на окружающий ландшафт горных отводов. Но помимо проблем экологии, существуют проблемы охраны здоровья жителей региона. Здоровье населения Кузбасса, как интегрированный показатель социально – экологической ситуации, формируется под воздействием всей совокупности социальных, экономических и природных факторов, среди них большая часть кузбассовцев (65 %) испытывает вред, наносимый окружающей среде предприятиями. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Проблемы ликвидации экологических последствий при закрытии угольных предприятий по добыче / Б.В. Азимов [и др.] // Экологическое регулирование хозяйственной деятельности предприятий : сб. статей. – Пермь, 2000. 2. Афанасьев, Б.Л. Печорский угольный бассейн / Б.Л. Афанасьев, В.И. Денисович. – М., 1959. 3. Вдовенко В. Экологическая безопасность Кемеровской области как фактор ее устойчивого развития / В. Вдовенко, Н.В. Харченко // Вестник КузГТУ. – 2004. –№ 6. 4. Нормативно-методическое обеспечение реструктуризации угольной промышленности : сб. документов /под общ. ред. А.Г Саламатина, В.Е. Зайденварга, В.Н. Попова. – М., 2000. 5. Красносельская, Т. Экологическое здоровье кузбассовцев / Т. Красносельская // Кузбасс. – 2005. – 6 апр. 6. Панюков, П.Н. Инженерная геология / П.Н. Панюков. – М. : Недра, 1978. 322 Школа молодых ученых УДК 628.16 ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АКТИВИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДЫ Р.В. Атаулов, О.Д. Лукашевич Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия E-mail: odluk@yandex.ru Рассмотрены вопросы эффективности биологической очистки сточных вод в естественных условиях и искусственных сооружениях, проанализирован потенциал комбинированных схем очистки. Природносообразные технологии очистки хозяйственно-бытовых стоков могут быть реализованы путем активизации самоочищения болотных экосистем, главное затруднение использования которых состоит в неблагоприятных (холодных) температурных условиях Сибири. Ключевые слова: биологическая очистка сточных вод, экосистема болота, биоплато, биопруд, активный ил, самоочищение. Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рациональное использование – одна из первоочередных инженерно-экологических проблем, требующих ввиду решения ввиду серьезных последствий в случае пренебрежительного отношения. Если в центральной части России вкладываются (хотя и недостаточные) средства в осуществление мероприятий по охране водных объектов от загрязнений, в частности по очистке производственных сточных вод, то на гигантской территории Западной Сибири, особенно – в северной ее части с низкой плотностью населения, картина иная. Очистка сточных вод перед сбросом в водоемы и водотоки осуществляется только в крупных городах, а в сельской местности, за редким исключением, нет современных очистных сооружений, способных обеспечить достаточную степень удаления веществ, загрязняющих окружающую природную среду. К примеру, в 2013 г. в Томской области объем сточных вод, требующих очистки, составил 83,43 млн м3; объем сброшенных без очистки загрязненных сточных вод составил 6,49 млн м3 [1]. Так называемые «условно чистые» воды, сбрасываемые в реки и озера, требуют разбавления в 7–10 раз, чтобы приблизиться нормативам, принятым для рыбохозяйственных водных объектов. Проведенные мероприятия по строительству, реконструкции и ремонту очистных сооружений и канализационных сетей, которые осуществляются крупными организациями (в основном за счет собственных средств), касаются, главным образом, ливневых стоков и замены вышедших из строя оборудования и труб. В табл. 1 показаны те направления работы по защите водных ресурсов, реализация которых позволит изменить сложившуюся неблагополучную ситуацию. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь [2]. Высокие капитальные затраты делают это направление экономически неприемлемым для небольших сельских поселений. В сельской местности основная доля сточных вод приходится на коммунальные и сельскохозяйственные стоки. Даже если их очищают на устаревшем оборудовании и обеззараживают хлорсодержащими реагентами (что, кстати, негативно влияет на экосистемы водных объектов, в которые осуществляется сброс), все же загрязнители, находящиеся в сточных водах в растворенном и взвешенном состоянии, оказывают существенное воздействие экосистемы. Это проявляется в изменении химического состава воды, появлении в ней нерастворимых вредных веществ (плавающих веществ на поверхности воды и отлагающихся на дне водоемов илистых осадков), нарушению кислородного обмена и, как следствие, снижению биоразнообразия вводном объекте. Анализ сведений об источниках загрязнения и химическом составе природных вод в районах Томской области [1] позволяет сделать следующие обобщения. Отходы животноводства, богатые биогенными веществами, способствуют евтрофикации. Стоки становятся источниками загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами, а также синтетическими моющими средствами, широко используемыми в быту. Содержащиеся в СМС химические вещества оказывают значительное влияние на биологический и физический режимы водоемов. В результате снижается способ323 Роговские чтения ность вод к насыщению кислородом, блокируется деятельность микроорганизмов-редуцентов, минерализующих органические вещества. Большую опасность также представляет загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, попадающими с полей вместе с потоками дождевой и снеготалой воды. Воднонерастворимые пестициды, содержащиеся в воде в виде суспензий, легко растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера, что приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Пестициды накапливаются (по трофическим цепям) в планктоне, бентосе, рыбе, попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организмы и экосистемы водоемов в целом [3]. Таблица 1 Основные направления разработки методов защиты водных ресурсов Направление экологизации водопроводноканализационного комплекса Внедрение новых технологических процессов Переход к замкнутым (бессточным) циклам водоснабжения Широкое использование биологических методов Увеличение глубины физико-химической очистки сточных вод Совершенствование нормативнозаконодательной базы Усиление контроля над соблюдением водоохранного законодательства Характеристика направления Переход к безводным или маловодным процессам в производственной сфере Сточные воды не сбрасываются, а после предварительной очистки многократно используются в технологических процессах Для очистки сточных вод, не содержащих токсичных веществ, можно использовать территории суши и болот с их самоочищающим потенциалом Повышение степени очистки воды с дальнейшей утилизацией нетоксичных отходов в качестве вторичного сырья и изолированием (уничтожением) токсичных отходов Гармонизация законодательства в сфере природопользования (обновление, устранение противоречий и т. д.) Совершенствование системы геомониторинга, процедуры экологической экспертизы, системы штрафов и поощрений Сточные воды предприятий легкой, пищевой, лесоперерабатывающей промышленности в Томской области содержат растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности. Это является причиной загрязнения водоемов органическими веществами и бактериальной микрофлорой, как следствие, приводит к росту водорослей, заиливанию, развитию гнилостных процессов в застойных зонах водоемов. В навигационный период происходит загрязнение воды судами речного флота, имеющее комплексный характер. Среди наиболее распространенных методов очистки сточных вод наиболее целесообразным с экономической и экологической позиций является группа биологических методов, удовлетворяющая известному принципу «Природа знает лучше». Эти методы позволяют реализовать в технических сооружениях естественные процессы самоочищения воды путем использования активного ила – микробиоценоза, который в аэробных или анаэробных условиях обеспечивает разрушение, окисление, минерализацию органических веществ [4]. Вместе с тем, строительство и поддерживание стабильного режима функционирования аэротенков, септиктенков, метантенков требует больших финансовых затрат. Главным ограничением широкого применения биопрудов, полей фильтрации является необходимость в больших территориях и благоприятных климатических условиях. Рассмотрим инженерно-экологические сооружения, использующие природные водные экосистемы, с позиций геоэкологического подхода. В естественно-природных условиях самоочищение вод происходит на геохимических барьерах благодаря разрушению органических веществ и усвоению биогенных элементов детритофагами и редуцентами (в первую очередь – микроорганизмами), переходом минеральных веществ в новообразования в виде взвесей и растворов. А.И. Перельман [5] ввел термин «геохимические барьеры» – участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрированию химических элементов (на поверхности или 324 Школа молодых ученых в глубоких горизонтах). Три типа таких барьеров (биогеохимический, физико-химический, механический) встречаются в системе «подземные воды – поверхностные воды – технические сооружения водопроводно-коммунального хозяйства, промышленного водопользования и водопотребления». Кроме природных барьеров, позднее были выделены также техногенные геохимические барьеры, не отличающиеся по механизму проявления. Здания, карьеры и овраги, русла рек, водохранилища, сооружения для био-очистки сточных вод представляют собой барьеры, создающие условия для накопления тех или иных химических элементов, причем трудно выявить, какой из механизмов (биогеохимический, физико-химический, механический) проявляет себя в большей степени в конкретной ситуации. Следуя логике, определим используемые для очистки сточных вод пруды-отстойники, биологические пруды, биоплато как искусственные геохимические барьеры, где измененная геохимическая обстановка обусловливает изменение концентрации тех или иных химических элементов. Школой профессора А.Я. Гаева предложено использовать для определения биологических прудов, полей фильтрации, водоемов, используемых для очистки воды, термин «техногенно-природные геохимические барьеры» [6]. Например, иловые корты, предназначенные для сгущения и хранения железистых осадков промывных сточных вод [2] – искусственный испарительный барьер, относящийся к этой категории. Для локализации тяжелых металлов, опасных органических веществ и подавления бактериального загрязнения вблизи мест аварий, полигонов токсичных отходов могут быть созданы криогенномеханические, сорбционные, термодинамические и другие искусственные барьеры. Использование барьерного принципа позволяет решать проблемы очистки воды. Экосистемы болот представляют собой уникальные природные образования, в которых происходят окислительные процессы биотической и абиотической трансформации, каталитическое разложение, фотохимические и фотокаталитические процессы трансформации и деструкции ксенобитиков, полимеров, нефти и нефтепродуктов [7–12]. Этому способствуют замедленный водообмен, наличие торфяных толщ. Ни один искусственный аппарат химической технологии не может конкурировать по производительности и селективности с природными процессами биологической нитрификации–денитрификации, микробиологической трансформации соединений серы, тяжелых металлов. В последние годы возрос интерес исследователей к вопросам транслокационной миграции металлов в растения и их накопления гидробионтами, что открывает перспективы не только для эффективной очистки природных сред, но и для концентрирования химических элементов в живых организмах с последующим их извлечением и использованием. Консервативными компонентами, устойчивыми к трансформации, являются хорошо растворимые в воде хлорид–ион и, отчасти, нитрат-ион. В конце ХХ столетия в связи с повсеместным загрязнением водных объектов в Европе возник интерес к разработке новых технологий биологической доочистки сточных вод, суть которого заключалась в пропускании сточных вод, прошедших предварительную очистку, через естественные или искусственные, специально обустроенные болотные системы. Первый полномасштабный проект «constructed wetland» с горизонтальным подповерхностным потоком (HF CW) реализован в 1974 г. в Отфрезене (Othfresen) в Германии. Позднее в США в окрестностях городов Орландо, Чапел Хилл, Нью-Йорка были опробованы сконструированные с учетом местных условий многоступенчатые биоинженерные сооружения [10, 11]. Принципиальное строение «constructed wetlands» можно представить в виде четырех основных элементов: водоупорный слой, фильтрующий слой, болотные растения, устройства для равномерного распределения стоков по площади болота и регулирования уровня воды в нем. Сегодня обсуждается возможность создания технически реальных и экономически приемлемых технологий сооружений биологической очистки в любых климатических условиях [11–13]. Системы почвенно-болотной очистки сточных вод по технологии «сonstructed wetlands» имеют ряд преимуществ перед другими [11]: низкие капитальные затраты, простота, высокая эффективность очистки (в частности, от азотсодержащих соединений) и обеззараживания. Такие биологические фильтры при круглогодичной работе способны очищать воду с минимальными затратами (около 1 млн руб. на 1 тыс. жителей). Однако в России только в нескольких регионах с высокой заболоченностью (Томская, Новосибирская, Свердловская, Мурманская области) после теоретических и лабораторных исследований [8, 11, 12] приступили к практической реализации почвенно-болотной очистки. Это связано, прежде всего, с необходимостью изъятия значительных территорий под обустройство таких техногенно-природных геохимических барьеров: вблизи крупных городов экономически выгоднее отдать эти земли под застройку. В Сибири, на Урале, где есть большие незаселенные тер325 Роговские чтения ритории, эта проблема решается легче. Вместе с тем, использование болот как водоприемника, дополнительного блока доочистки сточной жидкости, гасителя залповых аварийных выбросов имеет свои слабые стороны: пробельность в природоохранном законодательстве позволяет максимально «нагружать» отходами водные объекты, не учитывая условие сохранения их гомеостаза. Сотрудники РосНИИВХ г. Екатеринбурга полагают, что в большинстве случаев при использовании самоочищающей способности болот сброс осуществляется стихийно, используются послабления в требованиях к нормированию сбросов на болота (т. к. они четко не прописаны в действующем федеральном законодательстве, то допускается свободное трактование). А.П. Носаль предлагает оценивать самоочищающую способность болота с помощью коэффициента трансформации загрязняющих веществ (отношение начальной концентрации загрязнителя к концентрации его на выходе). Следует заметить, что для разных природных объектов они будут различаться, что не позволяет тиражировать проекты даже для болот с близкими ландшафтно-геологическими условиями. Проанализируем основные факторы, влияющие на показатели самоочищающей способности болотных экосистем. 1. Климатические условия. Для очистки сточных вод в IV климатическом районе биологические системы без дополнительного обогрева можно применять круглый год, во II и III климатических районах – только в теплый сезон, а в холодный сезон при условии, что вода имеет температуру не ниже 8 °С. Представляется целесообразным использовать для обогрева очистных сооружений тепла недр: гидротермальная энергия практически не используется, в то же время это огромный резерв экономии электроэнергии. В настоящее время в отечественной экономике льготное налогообложение распространяется на солнечную, ветровую, гидроэнергию. Достоверные данные мерзлотногидрогеологических исследований, соответствие проекта местным условиям, особенностям строительства и эксплуатации. Недопустима как переоценка, так и недооценка влияния суровых климатических условий. 2. Фоновые показатели болотных вод. Нижним пределом возможного снижения содержания загрязнителей являются концентрации их в природном водном объекте до сброса сточных вод. Как правило, в список контролируемых показателей входят биохимическое потребление кислорода (БПК), азотсодержащие вещества, хлориды, нефтепродукты, фосфор, бихроматная окисляемость (ХПК) и т.д. Подбором видового состава биоценоза можно влиять на те или иные показатели в желаемом направлении. 3. Глубина водного объекта. Чем меньше слой воды, тем лучше он аэрируется и подвергается воздействию солнечной энергии. Болота в Томской области часто имеют большую глубину, что создает застойные анаэробные зоны в придонной толще воды, способствует кольматации. 4. Состояние ложе водного объекта. Толщина торфяного слоя во многих болотах достигает 4 м. Это делает проблематичным использование средств механизации при создании фильтрующих слоев из природных или искусственных зернистых материалов по технологии «сonstructed wetlands». По нашему мнению, главным условием в использовании болотной очистки является защищенность ниже лежащих водоносных горизонтов от проникновения загрязнителей, что определяется литологическим составом, мощностью, фильтрационными свойствами отложений, покрывающих водоносный горизонт [14]. Важен вопрос о скорости фильтрации загрязнителей от источника загрязнения в виде химического раствора к области разгрузки подземных вод в пределах базиса эрозии. Количество фильтрующихся по водоносному горизонту загрязненных сточных вод зависит от фильтрационных свойств пород, условий инфильтрации их через зону аэрации и от строения этой зоны. Необходимо также учесть возможность поступления загрязнителей сбоку, что связано с наличием или отсутствием литологических и геохимических барьеров. Ухудшение защищенности может быть связано также с нарушениями в расположенных вблизи скважинах (действующих или ликвидированных) изоляции. На величину и время инфильтрации загрязненных вод влияют процессы выщелачивания пород и минералов, сорбция, диффузия, выпадение осадка. Все эти вопросы практически не рассматриваются исследователями. Очистка сточных вод с использованием высших водных растений заключается в фильтрации сточных вод, осветленных на участке механической очистки, через слой пористой загрузки, на которой высажены гелофиты – полупогруженные в воду растения. Растения высаживаются на слой мелкозернистого материала и, прорастая, образуют в нем пространственную структуру. Корневая систе326 Школа молодых ученых ма высших водных растений выполняет при этом ряд функций. Рост и движение корней растений предотвращают кольматацию загрузки, а корневые экзометаболиты существенно повышают очищающую способность микробиоценоза своеобразной биопленки, формирующейся на поверхности частиц загрузки (или грунта). Корневые выделения в совокупности с вторичными метаболитами микроорганизмов, потребляющих контаминанты сточных вод вызывают гибель кишечной микрофлоры, присутствующей в хозяйственно-бытовых стоках. Паразиты (яйца глист, ооциты и пр.) задерживаются на фильтрующей загрузке и со временем погибают. Вирусы сорбируются биопленкой и гибнут. В зимнее время теплоизоляция корневой зоны и ее аэрация обеспечивается ледовым покрытием с воздушной прослойкой. Известны различные варианты очистки и доочистки сточных вод с применением высшей водной растительности (табл. 2). В Томской области получен положительный опыт использования камыша, осоки, рогоза, эйхорнии [8, 11]. Таблица 2 Эффективность использования растений для очистки сточных вод (по материалам [8, 10, 13, 15]) Растение Особенности воздействия на загрязняющие вещества в воде Ряска Очищение от органических веществ сопровождается нарушением кислородного баланса Камыш озерный Способен очищать воду в холодном климате, но препятствует естественной циркуляции воды в водоеме, что приводит к его заболачиванию Рогоз узколистный Лучше других приспособлен к низким температурам (при 4 °С не теряет способность очищать воду). Недостаток: накопленную зеленую массу необходимо срезать и утилизировать, что связано с рядом проблем Осока Улучшает и восстанавливает качество воды в холодном климате Эйхорния (водный гиацинт) Обеспечивает высокую степень очистки, дезодорирует воздух, эстетичен, обладает бактерицидным действием, вырабатывает кислород (улучшает показатели ХПК и БПК), можно использовать биомассу в сельском хозяйстве. Недостатки – потеря жизнеспособности при температурах ниже 6 °С; губительно действует высокое содержание хлоридов Внесение в биопруд водорослей в соотношении 1:1:1 и концентрацией 4,99×105 кл/мл Зеленые, сине-зеле- с последующим сбросом на участок рельефа и затем – в болото с высшей водной растиные и диатомовые тельностью. Наблюдается гибель патогенных микроорганизмов, включая энтеровирусы. микроводоросли Недостатки: способ неприемлем при промерзании на глубину до 70 см; происходит снижение содержания в воде кислорода, быстрое накопление биомассы Слабо проработан в доступной научно-технической литературе вопрос о накоплении иловых отложений в ложе эксплуатируемого водного объекта. По-видимому, в труднодоступных местах, при отсутствии надежных дорог, высокой обводненности грунтов отсутствует возможность создания условий, необходимых для использования даже малой механизации для удаления и перемещения избытка зеленой массы и ила. Вполне логичный путь развития водоочистки в условиях севера Сибири – уход от неблагоприятных низких температур под защиту фильтрующих слоев (искусственных или естественных, различной мощности, крупности, материалов), под уровень дна. Это может быть реализовано путем строительства фронта галерей, дрен. Изобретение [13] описывает способ очистки хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов с суровым климатом. Сточную воду отстаивают в камере-отстойнике и подают через водораспределительные каналы в предварительно осушенную торфяную залежь. Очищенную сточную воду направляют по осушительно-принимающим каналам и соединительному каналу в сбросной канал. При открытом шлюзе-регуляторе ее сбрасывают в реку-приемник (рисунок). Такой способ обеспечивает всесезонную эффективную очистку хозяйственно-бытовых сточных вод. Особенность технического решения – в направлении потока бытовых сточных вод в «теплую» торфяную залежь, обладающую потенциалом поглощения ионов и химических соединений, а также их микробиологического и химического разрушения. 327 Роговские чтения а б Схема очистного сооружения хозяйственно-бытовых сточных вод с использованием элементов экологической системы (а) и схема фильтрации сточной воды через торфяную залежь (б) (по патенту РФ 2397149): 1 – сбросной трубопровод подачи сточных вод; 2 – поселок; 3 – заглубленная в грунт приемная камераотстойник; 4 – осушительно-принимающие каналы; 5 – торфяная залежь; 6 – водораспределительные каналы; 7 – соединительный канал; 8 – сбросный канал; 9 – река (приемник); 10 – шлюз-регулятор; 11 – насосная станция Утилизация загрязнителей осуществляется благодаря их сорбции торфом, микробиологической деятельности на нижней границе аэробной зоны, в ре
