Закономерности формирования режима уровня грунтовых вод городских территорий: На примере г. Москвы

В сложнейшей проблеме «город и окружающая среда», «город и геология», к сожалению, существуют научно-информационные пробелы, среди которых ведущее место принадлежит содержательному функциональному блоку «город, режим подземных вод и экологические мониторинга». В стороне от внимания остались основополагающие и актуальные вопросы по раскрытию, обоснованию и изучению влияния факторов урбанизации на механизмы и закономерности техногенного преобразования (или не преобразования) природного режима уровня подземных вод.

Подземные воды активно взаимодействуют с природно-техногенными системами на урбанизированных территориях, участвуют во многих инженерно-геологических процессах, часто являясь их катализаторами. Будучи существенно более мобильной и менее инертной составляющей литосферы, чем минеральная фаза, подземные воды чутко реагируют на изменение факторов и условий формирования их гидродинамического, гидрохимического и температурного режимов. При этом масштабы проявленных воздействий подземных вод в областях взаимодействия литосферы и техносферы подчас столь велики, что влиянию негативных процессов бывают подвержены целые города. Все это вызывает необходимость анализа урбанизированных режимов подземных вод и создания сетей мониторинговых наблюдений в крупных городах России. Эти исследования актуальны в связи с настоятельной необходимостью изучения закономерностей формирования сезонного и многолетнего режима подземных вод для целей его краткосрочного и долгосрочного прогнозирования, а также пространственных экстраполяций. Полученные таким образом результаты должны использоваться на всех стадиях проектно-изыскательских работ, а также в процессе эксплуатации объектов народного хозяйства и, даже, управления целыми территориями. В результате применения специальных методик по использованию закономерностей режима подземных вод урбанизированных территорий могут быть существенно оптимизированы затраты на изыскательские и строительные работы, а также на нормальную эксплуатацию различного рода сооружений.

Московская гидрогеологическая режимная станция была создана одной из первых в 1933 г. когда и была заложена первая наблюдательная сеть. 5.

Основная наблюдательная сеть создавалась в 50 — 60-х годах. Численность сети на грунтовые воды к настоящему времени достигает примерно 280 скважин. Задачи изучения режима подземных вод в городе со временем все возрастают, усложняются и становятся так многообразны, как ни в каком другом из районов интенсивной хозяйственной деятельности. На урбанизированных территориях это связано с сочетанием многочисленных разнонаправленных искусственных факторов, воздействующих на подземные воды. Однако, полного комплексного исследования закономерностей формирования режима уровней подземных вод урбанизированных территорий для целей их пространственных и временных экстраполяций на территории Москвы проведено не было. Во многих публикациях утверждается, что подземная гидросфера (в первую очередь грунтовые воды) в городах сильно изменяется, но предметных доказательств этому практически не приводилось.

Прогнозы техногенного режима подземных вод затруднены из-за отмеченной сложной структуры многочисленных режимообразующих факторов, разнонаправлено воздействующих на подземные воды. Лишь в сравнительно простых условиях, как природных, так и техногенных, когда немногочисленные, преобладающие по воздействию, факторы могут быть приняты конкретно сосредоточенными и постоянными или закономерно изменяющимися, достаточно достоверные прогнозы возможны на детерминированной основе, путем математического моделирования. Во многих же случаях, факторы, воздействующие на подземные воды, существенно переменны во времени и пространствеони не поддаются априорным количественным оценкам, активно взаимодействуют между собой (с разными знаками), часто носят случайный характер. В результате, наиболее реальным способом пространственно-временных экстраполяций закономерностей урбанизированного режима подземных вод представляется генетический и статистический анализ временных рядов. Использовался методический подход, в соответствии с которым режим подземных вод рассматривался как взаимообусловленный комплекс количественных и качественных пространственно-временных изменений подземных вод, выступающий как проявление процесса их формирования.

Методика реализовывалась через:

— сравнительно-гидрогеологический анализ результатов изучения режима подземных вод по более чем двумстам пятидесяти наблюдательным точкам, что позволило выявить и охарактеризовать масштабы и механизмы влияния факторов урбанизации на режим подземных вод г. Москвы, установить основные закономерности режима подземных вод и получить модельную основу для разработки методик пространственно временных экстраполяций режима подземных вод;

— математическое моделирование и пространственно-временной анализ наблюдений как за факторами, так и за режимом подземных вод для выявления внутрирядной структуры последнего в связи с оценкой режимообразующей роли природных и техногенных факторов, возможности краткосрочного и долгосрочного прогнозирования.

Объектом данных исследований является верхняя часть литосферы в пределах территории г. Москвы, включающая в себя первый от поверхности безнапорный водоносный горизонт грунтовых вод и зону аэрации, характеризующиеся различными условиями формирования режима грунтовых вод, и, подвергающийся воздействию природных и техногенных факторов, влияющих на режим подземных вод.

Предметом изучения являются закономерности формирования режима уровня грунтовых вод городских территорий на примере г. Москвы.

Целью диссертационных исследований является выявление и использование природно-техногенных закономерностей урбанизированного режима уровня грунтовых вод Москвы для пространственных экстраполяций и составления краткосрочных и долгосрочных гидрогеологических прогнозов для нужд проектирования, изысканий, строительства и эксплуатации объектов городского хозяйства.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— обоснование роли и масштабов воздействия природно-техногенных факторов и условий на формирование урбанизированных режимов грунтовых вод;

— выявление и анализ закономерностей техногенного преобразования режима уровня грунтовых вод территорий Москвы- 7.

— выбор и апробация методов выявления и оценки техногенных изменений режима уровня подземных вод;

— разработка приемов и методов по повышению информативности существующей наблюдательной сети и определению экстремальных многолетних уровней по данным краткосрочных и разрозненных измерений в периоды изысканий.

В процессе работы над диссертацией получены следующие научные результаты, которые определяют новизну исследований:

— определены и охарактеризованы природные и техногенные факторы и условия формирования урбанизированного режима уровня грунтовых вод территории Москвы и представлены закономерности влияния на них градопромышленного комплекса;

— выявлены и охарактеризованы генетические закономерности режима уровня грунтовых вод, позволившие установить зависимости изменения сезонных и многолетних амплитуд с глубиной залегания грунтовых вод и выделить вклад города в трансформацию природных связей и закономерностей;

— выявлены закономерности техногенных преобразований многолетнего режима уровня грунтовых вод с использованием метода эталонных кривых с нормированными ординатами;

— выявлены закономерности смещения сроков формирования экстремальных уровней;

— прослежены закономерности многолетней динамики внутригодовых показателей режима уровня грунтовых вод;

— выявлены генетико-статистические закономерности многолетнего режима уровня грунтовых вод и дан анализ трендов и циклических колебаний уровня грунтовых вод;

— рассмотрены и обоснованы количественные методы выделения техногенной составляющей в режиме уровня подземных вод и осуществлена апробация этих методов на материалах режимных наблюдений в Москве;

— рассмотрены научно-методические подходы к составлению прогнозов режима уровня грунтовых вод Москвы- 8.

— составлены схематические карты важнейших параметров режима уровня грунтовых вод по данным мониторинговой сети в г. Москве, что позволило оценить их пространственное распределение.

Полученные результаты доложены на российских и международных конференциях и семинарах, опубликованы в периодических изданиях. Практическое использование результаты работы получили при разработке разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) и «Охрана окружающей среды» (ООС) в проектах строительства различных подземных линейных сооружений на территории г. Москвы.

На защиту выносятся:

— Пространственно-временные закономерности формирования и техногенного преобразования хронологических и амплитудных показателей режима уровня грунтовых вод территории г. Москвы на основе сопоставления с фоновыми эталонами и природными режимами.

— Генетико-статистические закономерности многолетнего режима уровня грунтовых вод, как природно-техногенная обусловленность трендовых, циклических и случайных составляющих и их пространственная экстраполяция.

— Количественные критерии, оценки и разграничения фоновых и техногенных режимов уровней грунтовых вод, как основа эколого-гидрогеологического районирования.

— Обоснование выявленных закономерностей для приведения краткосрочных рядов наблюдений к многолетнему периоду и использования данных разрозненных наблюдений для прогноза экстремальных уровней грунтовых вод.

— Закономерности изменения и оценка информативности рядов наблюдений в зависимости от их продолжительности и рекомендации по их применению для решения различных гидрогеологических задач.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить за всестороннюю поддержку, ценные рекомендации и постоянное благожелательное отношение заслуженного деятеля науки РФ, д. г-м.н. В. П. Зверева, д. г-м.н., профессора, B.C. Ковалевского, д.т.н., профессора Е. С. Дзекцера, к. г-м.н. А. И. Арбузова, к. г-м.н.

Выводы.

Показано, что город, как мощный источник техногенеза, оказывает влияние на природные факторы и условия формирования режима уровня грунтовых вод.

Природные условия в городах под воздействием техногенеза могут переходить в разряд режимообразующих факторов. Сами режимообразующие факторы в городах в некоторых случаях можно рассматривать как условия по сравнению с постоянно и закономерно изменяющимися природными режимообразующими факторами. В результате анализа хронологических последовательностей многоводных и маловодных серий лет в рядах наблюдений целым рядом методов показано, что процессы, управляющие ходом хронологических изменений уровней грунтовых вод в естественных условиях, в городах не претерпевают существенных изменений. Имеет место высокая степень синхронности в чередовании этих серий, как на природной, так и антропогенной типовых кривых. Сезонные режимы подземных вод также существенно не меняются, сохраняя все черты природных внутригодовых ритмов, характерные для фоновых районов.

Иная ситуация наблюдается при анализе влияния города на амплитуды колебаний уровня грунтовых вод. При проведении амплитудного анализа было выявлено, что Москва активно «изменяет» амплитудные характеристики режима грунтовых вод. Доказано, что техногенные преобразования приводят к тому, что повсеместно наблюдается уменьшение сезонных амплитуд колебаний и, наоборот, увеличение многолетних по сравнению с фоновыми характеристиками. В городе преобладающими являются сезонные амплитуды, укладывающиеся в диапазон 0 — 0,5 м., в то время как в фоновых районах преобладают амплитуды от 0,5 до 1 м и от 1 до 1,5 м. Характер изменения внутригодовых амплитуд режима грунтовых вод Москвы с глубиной не претерпевает существенных изменений по сравнению с фоном. Для условий сложившихся городов, внутригодовые амплитуды колебаний уровня грунтовых вод для всех выделенных по глубине зон меньше амплитуд, формирующихся в естественных условиях. Для нарушенного режима грунтовых вод исчезает воздействие глубины залегания уровня грунтовых вод на величину амплитуд внутригодовых колебаний. С увеличением глубины сезонные амплитуды становятся более стабильны и многолетний размах сезонных амплитуд уменьшается. Закономерности многолетних амплитуд колебаний уровня грунтовых вод в Москве, в отличие от сезонных, нарушаются более существенно. Зафиксировано изменение распределения многолетних амплитуд среднегодовых значений с глубиной. Многолетняя амплитуда с глубиной возрастает. На большей части площади города многолетняя амплитуда за период наблюдений изменяется от 1 до 4 м.

В общем случае уровни подземных вод апреля является наименее стационарным с точки зрения многолетних амплитуд среднемесячных значений в Москве по отношению к другим месяцам, что определяется природными факторами. Однако, воздействие города рассогласовывает многолетнюю стационарность среднемесячных уровней всех 12 месяцев. Предвесенние минимальные уровни грунтовых вод в Москве, как правило, формируются на 2−4 недели раньше, чем на окружающих территориях с естественным условиями. Даты наступления весеннего максимума по мере углубления залегания подземных вод сдвигаются на более поздние сроки, хотя факторы антропогенного происхождения делают эту зависимость менее четкой, чем в естественных условиях.

Для территории Москвы осуществлен тренд анализ данных многолетних наблюдений и предпринята попытка их картирования. Присутствуют как восходящие, так и нисходяще тренды, символизирующие многолетние подъемы и спады. Территории, где идут многолетние подъемы и спады уровня подземных вод не перемешаны хаотично, а достаточно четко локализованы. Территорий, где идет многолетний спад уровня гораздо меньше. Процесс поднятия уровня грунтовых вод идет с большей интенсивностью, чем процесс его снижения. Угол наклона линейного тренда растет с глубиной. То есть интенсивность процесса подъема или спада уровней во времени с глубиной возрастает. С увеличением глубины залегания грунтовых вод роль детерминированной составляющей становится основополагающей по сравнению с циклической и случайной составляющими. Установлена закономерность распределения по площади величины доли дисперсии тренда в общей дисперсии ряда. Существует ярко.

180 выраженная направленность в росте показателя с северо-востока на юго-запад.

9. Факторы урбанизации вносят изменение в механизмы формирования природной цикличности. Для грунтовых вод г. Москвы впервые выявлена семилетняя цикличность, что не наблюдается в естественных условиях. В то же время сохраняется общность периодичности в режиме грунтовых вод города и основных режимообразующих факторах (осадках и температуре) районов, находящихся в фоновых условиях.

10. Нарушение в режиме подземных вод достаточно однозначно сказывается на представительности детерминированной и случайной составляющих. Вследствие того, что техногенез носит, как правило, упорядоченный характер, доля случайной составляющей колебаний в городских режимах на 20−45% ниже, чем ее доля в естественных условиях и преимущественно колеблется в пределах от 2% до 30%. Вышеприведенный анализ показывает, что урбанизация существенно упорядочивает многолетние режимы подземных вод, что проявляется в резком увеличении детерминированности ряда, а, следовательно, и его прогнозируемости.

11. Оценка информативности рядов гидрогеологических наблюдений имеет большое методическое и практическое значение в связи с необходимостью повсеместного и постоянного использования результатов непродолжительного изучения режима подземных вод по массовой сети наблюдательных скважин. Достоверность определения среднемноголетнего значения (нормы) существенным образом зависит от характера изучаемых гидрогеологических условий. Имеющиеся на сегодняшний день наблюдения по урбанизированным режимам Москвы, некоторые из которых насчитывают более пятидесяти лет, не дают возможности с высокой степенью достоверности определить норму, что свидетельствует о необходимости более продолжительных наблюдений. Причем, как показали расчеты, функция может как монотонно возрастать или убывать (при сглаживании по 2,3 и 5 точкам), так и иметь несколько точек перегиба, свидетельствующих о неоднократной смене за предысторию общей тенденции на возрастание или убывание. Для техногенных режимов подземных вод в большинстве случаев вообще невозможно указать на.

181 предельную продолжительность ряда, из чего следует требование бессрочных наблюдений.

12. При анализе зависимости увеличения информативности многолетней амплитуды техногенного режима среднегодовых уровней грунтовых вод по мере увеличения продолжительности наблюдений для урбанизированных территорий г. Москвы были получены результаты резко отличные от полученных для естественного режима. Так, ряды наблюдений длиной более сорока лет не могут обеспечить полную информацию о размерах многолетних амплитуд. Более того, они часто содержат меньше 75% величины многолетней амплитуды всего имеющегося ряда (а эта величина может быть меньше той амплитуды, которая сформируется при дальнейшем удлинении ряда). Достоверное определение многолетних амплитуд для урбанизированных режимов может быть получено только при длине ряда наблюдений, соответствующей длине всей совокупности, т. е. наблюдения не могут быть прекращены ни на каком этапе.

13. Среднеквадратическое отклонение и дисперсия ряда также как и многолетняя амплитуда являются показателями размаха колебаний. При анализе техногенных рядов и среднеквадратическое отклонение и дисперсия ряда продолжают интенсивно возрастать с наращиванием длины ряда наблюдений.

14. Влияние продолжительности наблюдений на соотношение детерминированной и случайной составляющих в рядах наблюдений за техногенным режимом подземных вод носит принципиально иной характер. Исчезает уровень тяготения (50% вклада), характерный для естественных режимов. Вклад детерминированной составляющей по мере роста числа членов ряда или незначительно падает, или не падает вовсе, ведя себя непрогнозируемым образом.

15. Установлено, что для естественного режима подземных вод по мере удлинения ряда доля циклических и трендовых изменений уменьшается, а доля случайных колебаний возрастает. Для техногенных режимов указанная закономерность исчезает и динамика изменений вкладов трендов и циклов может приобретать различный характер.

16. Цикличность и длина рядов наблюдений, как показали исследования, в естественных условиях не находятся во взаимосвязи. Удлинение рядов не.

182 сказывается на показаниях цикличности. Те циклы которые выделяются по коротким рядам наблюдений, с большой степенью вероятности выделяются и при анализе длинных рядов. Техногенез преобразует природные хронологические последовательности серий многоводных и маловодных лет и приводит к феномену возрастания продолжительности циклов с увеличением длины рядов наблюдений.

17. В отличие от естественных условий, где выделенный по непродолжительным наблюдениям тренд, как правило, сохраняется при удлинении ряда, в условиях города наличие и направление линейного тренда в зависимости от интервала наблюдений может меняться. Таким образом, в городе необходимо оценивать трендовую составляющую ряда как для условий существовавших до проявлений нарушенности, так и для различных периодов эволюции техногенного влияния на режим подземных вод.

18. Отмечен феномен увеличения или стабилизации коэффициентов автокорреляции по мере удлинения рядов наблюдений. Это значит что прогнозируемость урбанизированных режимов подземных вод на детерминированной основе со временем возрастает. Для естественных режимов подземных вод такая закономерность не отмечается.

19. Для естественных режимов подземных четко прослеживается зависимостьчем продолжительнее наблюдения тем точнее оценки точности и достоверности определения параметров гидрогеологических рядов. Для урбанизированных территорий погрешности определения среднемноголетних уровней изменяются по более сложному закону и часто не уменьшаются с увеличением длины ряда.

20. При проявлении стабильных по воздействию техногенных факторов в режиме уровня грунтовых вод достоверность прогнозов растет, а при переходе условий формирования грунтовых вод в разряд факторов, достоверность прогнозов резко снижается. При моделировании урбанизированных режимов территории г. Москвы без учета тренда (экстраполяция одних циклов) точность прогноза уровней грунтовых вод в подавляющем большинстве случаев невелика. Однако, она существенно возрастает при использовании в прогнозе линейного тренда. Особенно ярко это проявляется при прогнозировании глубоко залегающих уровней.