Геоэкологическая безопасность Волгоградской области

Геоэкологическая безопасность – это составная часть экологической безопасности, входящая в свою очередь в область условий безопасности жизнедеятельности человека, которая возможна только при сохранении биосферы, базирующейся на таких геосферах, как литосфера, атмосфера и гидросфера.

Геоэкологические проблемы зависят от двух групп факторов: характера техногенного воздействия на окружающую среду и инженерно-геологических условий территории. Поэтому геоэкологическая безопасность должна рассматриваться применительно к природно-техническим системам (ПТС) – сложным целостным объектам, в которых искусственные компоненты взаимодействуют с внешними геооболочками: воздушной, водной и геологической средой.

Градостроительная ПТС

Хотя строительный процесс не является самым мощным воздействием на природную среду и ее компоненты, реализованные строительные проекты интенсивно нарушают сложившиеся связи между абиотическими и биотическими факторами. Типично геоэкологической проблемой становится состояние городов области, из которых подтоплены и охвачены овражной эрозией практически все, а большинство построены на просадочных и набухающих грунтах. В условиях Волгоградской городской агломерации, сложенной преимущественно структурно-неустойчивыми грунтами, экологический комфорт населения нарушен вследствие развития подтопления (420 участков), набухания (167 аварий зданий), просадки (63 аварии), оползней (122 участка) и других неблагоприятных процессов.

В 1997-1999 гг. для территории Волгоградской области, включая Волгоградскую агломерацию (ВГА), были получены значимые корреляционные связи между показателями здоровья человека и степени нарушенности территории тектоническими структурами – активными разломами осадочного чехла, солянокупольными дислокациями. Это подтвердило гипотезу о геопатогенезе, связанном с подобными структурами, а точнее с вызванными ими аномалиями геофизических и геохимических полей.

Другие зоны биологического дискомфорта возникают на городских территориях в пределах ареалов распространения структурно-неустойчивых грунтов, теряющих при увлажнении прочность, что приводит к деформациям и авариям зданий. Эти просадочные и набухающие грунты почти повсеместно распространены на территории Волгограда и Волжского, и будучи слабопроницаемыми, создают благоприятные условия для развития подтопления. В итоге здесь развит комплекс неблагоприятных процессов: подтопление, набухание, просадки. Негативное воздействие подтопления не ограничивается авариями зданий и затоплением подвалов. Следующим звеном этой цепочки является развитие в них болезнетворной флоры и фауны (появление грибов, комаров) и в результате заболеваний человека.

На кафедре инженерной геологии и геоэкологии Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии (ВолгГАСА) разработана прогнозная схема перечисленных зон дискомфортного проживания населения на территории Волгоградской агломерации в масштабе 1:50 000. Разработаны принципы управления неблагоприятными геологическими процессами и рекомендации по выбору типов фундаментов и защите территорий от неблагоприятного воздействия процессов на сооружения и среду обитания человека.

Третий тип возможного геопатогенеза обусловлен радоноопасностью. Хорошо известно, что радон, проникающий по проницаемым зонам земной коры в помещения, является мощным альфа-излучателем и способен вызывать онкологические заболевания людей, в особенности проживающих на нижних этажах зданий.

В Волгограде изучение пространственных закономерностей радоноопасных территорий выполнялось геологической партией ГП «Кольцовгеология» и кафедрой инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСА.

Геологической партией на основании комплекса полевых исследований, обобщения и анализа фондовых и опубликованных материалов выполнено районирование и составлены карты радоноопасных факторов и радоноопасности территорий города. Было установлено, что на изученной части города наиболее радоноопасной являются майкопская и ельшанская свиты, занимающие примерно 1/3 освоенной территории. Менее опасные – царицынская и ергенинская. По этим данным построена карта районирования по степени радоноопасности, на которой выделено три зоны: безопасная, условно безопасная и потенциально опасная.

Исследованиями кафедры инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСА было установлено, что зоны экологического риска, связанные с радоном, не ограничиваются контурами майкопских глин, обладающих максимальной радоноактивностью, а приурочены также к зонам тектонических нарушений. В северной части города они связаны с системой разломов, перпендикулярных Волжскому разлому (долина р. Царицы, Ельшанки и др.) и параллельных ему.

В южной части города радоновые аномалии связаны с солянокупольными структурами (Красноармейской, Бекетовской) и сопутствующими им разломами.

Четвертый тип геопатогенеза связан с химическим загрязнением почв. Выбросы в атмосферу промышленных предприятий, ТЭС, авто- и авиатранспорта – продукты неполного сгорания каменного угля, нефти, мазута, всех марок жидкого топлива в виде твердых частиц и капелек жидкости, содержащих весь спектр тяжелых металлов и их окислов, выпадая на землю с дождями и снегом, накапливаясь в почвах, загрязняют приземный воздух, вызывая различные заболевания населения. Очень важно отметить, что тяжелые металлы по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» занимают одно из первых мест среди загрязняющих веществ и в будущем могут быть самыми опасными загрязнителями среды, опережая отходы АЭС и органические вещества.

Таким образом, на территории ВГА выделяется четыре группы зон биологического дискомфорта, приуроченных соответственно к тектоническим дислокациям, участкам развития геодинамических процессов и зонам радиоактивного и химического загрязнения.

В пространстве они могут накладываться друг на друга, увеличивая тем самым вероятность заболеваний.

Для выявления зон с различной степенью интегральной геоэкологической опасности необходимо составление карт геоэкологической напряженности (опасности). Они могут быть составлены в результате последовательного наложения контуров вспомогательных карт: тектонических нарушений; геодинамических процессов; радоноопасности; концентрации токсичных элементов, а также загрязнения атмосферы различными химическими соединениями.

Карта геоэкологической напряженности (опасности) состоит из отдельных контуров разного размера («выделов») с однородным распределением внутри них значений выбранных показателей (степени радоноопасности и др.).

Разработка такой карты для территории Волгоградской агломерации позволит выявить как опасные, так и безопасные для проживания населения участки и принять соответствующие меры.

Гидротехническая ПТС

Серьезная проблема обусловлена неблагополучной ситуацией на плотине Волжской ГЭС, где длительными геодезическими наблюдениями установлена неравномерная деформация плотины (подъем левого берега и опускание правого со скоростью 1 мм/год). Учитывая наличие крупнейшего разлома под плотиной, вполне вероятно накопление напряжений в зоне разлома, которое может привести к их разрядке в виде сейсмодислокации. Важно отметить, что крупнейшие сейсмические события с амплитудой смещения 90-100 м происходили по этому разлому как минимум дважды (последний раз около 100 тыс. лет назад), и нет никаких гарантий, что они не повторятся в будущем, что вызовет настоящую катастрофу ни Волге ниже плотины.

Поэтому необходимы расчеты влияния современных тектонических движений на напряженное состояние в зоне разлома и оценка запаса прочности пород.

Другие известные проблемы связаны с созданием Волгоградского и Цимлянского водохранилищ и перечислены ниже.

Затопление территорий в зонах водохранилищ, которое привело к некомпенсируемой потере сельскохозяйственных земель.

Изменение гидрогеологических условий в зонах водохранилищ вследствие подпора привело к резкому нарушению режима подземных вод и, в частности, к повышению их уровня в обширной зоне. Например, на Волгоградском водохранилище за 20 лет уровень грунтовых вод повысился на 15-20 м вблизи водохранилища, а на расстоянии 20-25 км от него – на 2-3 м, и на больших площадях достиг критической глубины, при которой начинаются процессы испарения и засоления почвы.

Подпор грунтовых вод в результате устройства водохранилищ оказал существенное влияние на подтопление прибрежных городов – Волжского, Камышина. По этой же причине в ряде городов отмечается заболачивание.

Подпор грунтовых вод на городских территориях, ухудшение их дренированности приводят, наряду с утечками из коммуникаций, к обводнению набухающих глин, их набуханию и деформациям сооружений (г. Приморский, Балаково, Волжский, Камышин).

Активизация оползневых процессов на берегах водохранилищ происходит под влиянием комплекса причин; ведущими являются: подпор грунтовых вод и увлажнение грунтов, развитие абразии.

Переработка Волгоградского водохранилища происходит весьма активно и зависит в наибольшей степени от геологического строения берега, энергии волнения, уровенного режима и повторяемости волн высотой свыше 0,5 м. Суммарная величина отступания берега достигает во многих населенных пунктах 60-95 м (местами 200-220 м) и продолжает увеличиваться, что причиняет немалый ущерб сельскохозяйственным угодьям, различным хозяйственным объектам и населенным пунктам.

Влияние гидроэлектростанций на геологическую среду не ограничивается зоной водохранилищ и распространяется на территории, расположенные ниже, что выражается прежде всего в изменении гидрологического режима Волги. Годовой сток у Волгограда уменьшился на 23 км³, или на 9%, в связи с потерей воды из водохранилища на испарение, питание подземных вод, а также из-за интенсивного отбора воды для орошения. Характер весенних половодий резко изменился, что привело к снижению затопляемости поймы с 60-80 до 20-30% ее площади. Как следствие этого наблюдается понижение уровня грунтовых вод и наметившаяся тенденция к увеличению их минерализации, усыхание древесной растительности и остепнение, а также дефляция песчаных отложений под влиянием остепнения. Изменение речной эрозии и аккумуляции связано с изменением гидрологического режима Волги.

Нефтегазовая ПТС

В конце прошлого столетия в Прикаспийской впадине были открыты уникальные месторождения углеводородов: Астраханское, Оренбургское, Тенгизское и другие, которые вывели регион по запасам на одно из ведущих мест в мире. Они расположены равномерно по окраинам Прикаспия, лишь на северо-западе и западе (Волгоградская область, Калмыкия) месторождений подобного класса пока не обнаружено, но это прогнозируется в ближайшее время в связи с благоприятными геологическими предпосылками и развитием научных и поисково-разведочных работ.

Между тем перечисленные месторождения-гиганты известны не только по уникальным запасам нефти и газа, но и по вполне сопоставимым с ними геоэкологическим последствиям их освоения в условиях аномально высоких пластовых давлений, наличия агрессивных компонентов (сероводород, углекислота), активной солянокупольной тектоники и множества тектонических разломов.

Под влиянием мощного воздействия нефтегазового комплекса на столь сложную природную среду происходит развитие опасных природных и техноприродных процессов: современных тектонических движений, оседаний поверхности земли и деформаций сооружений (аварийные ситуации на скважинах и трубопроводных системах в зонах тектонических разломов), техногенных землетрясений, подтопления, заболачивания, набухания и просадки, дефляции и опустынивания, химического и радиоактивного загрязнения почв, пород, поверхностных и подземных вод и атмосферы, нарушения природных ландшафтов.

Поисково-разведочные работы и эксплуатация месторождений углеводородов выполняются нередко в условиях аномалий геофизических и геохимических полей (так называемых геопатогенных зон), негативно воздействующих на состояние биоты и здоровье человека, что не учитывается при планировании работ.

Складывающаяся в Прикаспии крайне неудачная экологическая и геоэкологическая обстановка на объектах нефтегазового комплекса во многом связана с отсутствием методики геоэкологического обеспечения на различных стадиях освоения территории; в настоящее время для ряда стадий геологоразведочных работ эта методика авторами разработана.

ПТС разработки месторождений солей методом подземного выщелачивания

В Волгоградской области, как и в мировой практике получило применение подземное выщелачивание солей для промышленного использования рассола. Образующиеся камеры выщелачивания известны по проблеме сокращения их объемов из-за ползучести соли. Аварии подземных емкостей вызываются чрезмерным выщелачиванием или затоплением выработок через разломы. На многих рассолопромыслах мира происходят оседания земли, разломы и провалы, аварии зданий.

Деформации обусловлены не только растворением и ползучестью соли, но и структурными особенностями массива, что установлено авторами на Светлоярском рассолопромысле в соляном куполе на юге Волгограда. Промысел площадью 1,5 км² состоит из ряда скважин, где на глубине до 1400-1640 м созданы камеры диаметром до 160-200 м и высотой 200 м на расстоянии 250-330 м одна от другой. Светлоярский купол осложнен внутренней складчатостью второго порядка.

Мониторинг деформации поверхности земли на месторождении выявил следующее: 1) на фоне роста купола происходит локальное оседание вокруг скважин с максимальной деформацией 119 мм за 4 года; 2) оседания зависят от структурных особенностей кровли соли; на положительных соляных складках они минимальны – 10-20 мм, на отрицательных складках оседание больше (до 119 мм); 3) в отличие от проекта, формы камер выщелачивания неизометричны. В вертикальном направлении они имеют изломанную форму и сужаются в местах распространения ангидрита. Округлые очертания имеют проекции камер выщелачивания только на оси соляных складок, на крыльях этих складок камеры имеют форму эллипса, вытянутого длинной осью по направлению падения. Подобные явления также связаны с ползучестью соли в направлении складчатости.

Геоэкологические проблемы разработки месторождений бишофита еще острей в связи с его низкой прочностью и переходом в жидкое состояние при увлажнении. При добыче методом выщелачивания поступающая вода интенсивно поглощается бшиофитом и распространяется на большие расстояния. В результате бесконтрольной добычи Наримановского месторождения вокруг скважины сформировалась ослабленная зона диаметром 60 м.

За проектные 25 лет добычи массив в несколько квадратных километров окажется в текучем состоянии и может внезапно обрушиться.

ПТС подземных хранилищ

Использование подземных емкостей в массивах каменной соли в качестве хранилищ углеводородов и различных продуктов в мировой практике постоянно увеличивается в связи с экономической эффективностью и технологичностью создания непроницаемых емкостей большого объема. При их создании используется метод подземного размыва, в связи с чем геоэкологические проблемы аналогичны проблемам при разработке месторождений солей.

В Городищенском районе строится Волгоградское подземное хранилище газа с общим геометрическим объемом подземных резервуаров 4350 тыс. м³. По совокупности примененных проектных инженерных решений, оказывающих активное воздействие на литосферу, это хранилище является уникальным. В пределах достаточно ограниченного геологического пространства здесь одновременно осуществляется строительство методом выщелачивания 16 подземных резервуаров в каменной соли, промышленный водозабор с объемом отбора воды в 7200 м³/сут. в течение более 20 лет, закачка в подземные горизонты высокоминерализованного рассола в объеме около 40 млн. м³, хозяйственно-питьевой скважинный водозабор. По проектной технологии строительства в качестве нерастворителя используется дизельное топливо. Проектное давление газа в подземном резервуаре 23,0 МПа.

В связи с этим необходима интегрированная оценка воздействия на литосферу и разработка комплекса мер по обеспечению геоэкологической безопасности территории хранилища. Неотъемлемой частью мероприятий по экологической безопасности является геоэкологический мониторинг, проведение которого позволит вычленить влияние собственно подземного газохранилища на геологическую и поверхностную окружающую среду, контролировать потоки поллютантов и изменения в окружающей среде, прогнозировать изменения экологической обстановки и разрабатывать мероприятия по ее улучшению.

ПТС накопителей токсичных жидких отходов

В последние годы на границах Волгоградской городской агломерации в Прикаспийской низменности сложилась чрезвычайная экологическая ситуация.

В зоне накопителей жидких отходов площадью 60 км² у г. Волжского загрязнены грунтовые воды на площади 252 км² и река Ахтуба. У южных окраин Волгограда в Сарпинской низменности площадь загрязнения составляет 720 км² при общей площади прудов-накопителей 160 км². Уровни содержания токсичных компонентов: фенола, ртути и других – характеризуют экологическую ситуацию как чрезвычайную. Эти вещества мигрируют с подземными водами в открытые водоемы, вызывая деградацию водных экосистем. Наблюдается загрязнение и ухудшение состояния почв и массивов пород в зоне накопителей. Загрязнение приземного слоя атмосферы вредными веществами в летний период оценивается на высоту около 100 м и на расстояние более 35 км от прудов-испарителей. Состояние здоровья населения в этих районах значительно хуже по сравнению с однотипными территориями. Эта проблема может быть решена либо применением безотходных технологий (что в настоящее время нереально), либо ликвидацией прудов-испарителей и использованием альтернативных вариантов обезвреживания отходов, включая подземное захоронение стоков (ПЗ).

Авторами были выявлены закономерности деградации геологической и окружающей среды в зоне накопителей жидких отходов в Прикаспии и разработаны альтернативные подходы к их обезвреживанию.

ПТС полигонов подземного захоронения жидких отходов в подземных структурах

Подземное захоронение стоков изучено на опыте полигона завода «Волжский Оргсинтез». Опытная и промышленная закачка 1992-2000 гг. показала герметичность нагнетательных и наблюдательных скважин, а также более высокую емкость пласта-коллектора по сравнению с проектной. Вертикальные движения купола со скоростью до 14 мм/год и горизонтальные (50 мм/год) за этот период на герметичность не повлияли, а на нагнетательном участке значимых вертикальных движений не установлено.

Был также выполнен анализ по 12 полигонам захоронения на Астраханском, Оренбургском, Карачаганакском и Тенгизском месторождениях в Прикаспии, в Предуральском, Днепровско-Донецком и Примексиканском солянокупольных бассейнах. Из них 6 успешно функционируют в надсолевых межкупольных мульдах, 5 в карбонатных коллекторах подсолевого комплекса.

Разработаны принципиальные подходы к размещению полигонов захоронения жидких отходов в солянокупольных областях. Обоснована предпочтительность захоронения в межкупольных мульдах и подсолевых коллекторах и недопустимость в привершинной части соляных куполов и антиклиналей. Выполнен анализ комплекса взаимодействий объектов полигона закачки с геологической средой в солянокулольных областях и выявлены характер и возможные последствия влияния движений солянокупольных структур на буровые скважины. Разработана структура и программа комплексного мониторинга захоронения промстоков в солянокупольных областях.

Мелиоративная ПТС

Главные геоэкологические проблемы происходят из-за того, что дренажные сооружения строились в крайне незначительном объеме. Это приводит к подъему грунтовых вод, подтоплению, заболачиванию и вторичному засолению территории, просадкам, развитию оползней и эрозии, коррозии металла и бетона.

Быстрый подъем уровня грунтовых вод произошел на многих участках района. В Волгоградской области на Генераловской оросительной системе средняя скорость подъема грунтовых вод составила 0,6 м/год, величина подъема грунтовых вод на Варваровской системе сотавила 20 м за 20 лет, на Палласовской системе – 1,5-5 м за 5 лет орошения.

Вторичное засоление сельскохозяйственных земель как следствие подъема грунтовых вод до критической глубины наблюдается в Волгоградской области на Городищенской оросительной системе, где выведено из строя 2037 га орошаемых земель, на Генераловскои системе – 1750 га засоленных земель, на Варваровской, Тажинской и Палласовской системах.

Заболачивание территорий также сопровождает процесс подъема грунтовых вод на ряде оросительных систем, например на Генераловокой, Варваровской и других.

Подтопление территорий наблюдается не только в пределах оросительных систем, но и в прилегающих населенных пунктах: Палласовка, Старая Полтавка, Береславка и др.

Оползни, связанные с увлажнением хвалынских отложений мелиоративными водами, широко распространены в Волгоградской области вдоль левого берега р. Ахтубы, на участках насосных станций многочисленных оросительных систем и в местах наибольшего увлажнения пород.

Эрозия откосов каналов, сложенных лессовыми грунтами, наблюдается на Сарпинской оросительной системе и ряде других.

Следует также отметить высокую агрессивность к бетону и металлу грунтовых вод, формирующихся при орошении, из-за вовлечения в массообмен значительного объема солей, содержащихся в породах, особенно в южной части области.

 1