Екологічна безпека техноприродних геосистем адміністративних областей (на прикладі Львівської області)

1. Обґрунтовані наукові та методичні основи екологічної безпеки та система моніторингу небезпечних геологічних процесів у межах ТПГ [1].

2. Розроблені наукові та методичні основи оцінки екологічного ризику розвитку небезпечних геологічних процесів на регіональному рівні [2].

3. Розроблені наукові і методичні основи оцінки екологічного ризику розвитку небезпечних геологічних процесів на локальному рівні [3, 4, 5, 6].

4. Здобувачем визначені наукові та методичні закономірності розвитку небезпечних геологічних процесів при спорудженні гідротехнічних комплексів Львівської області в залежності від організації геологічного середовища та функціонування ТПГ [1, 2, 6].

Висновки, що стосуються обґрунтування наукових та методичних основ екологічної безпеки системи “людина - геологічне середовище”, розробки наукових та методичних основ оцінки екологічного ризику розвитку небезпечних геологічних процесів на регіональному та локальному рівнях, визначення закономірностей розвитку небезпечних геологічних процесів у залежності від організації геологічного середовища отримані дисертантом особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційного дослідження апробовані на наступних науково-практичних конференціях: Міжнародна конференція присвячена 50-річчю УкрДГРІ (Київ, 5-6 липня 2007 р.); V міжнародна наукова конференція студентів і аспірантів “Географія, геоекологія, геологія: досвід наукових досліджень, присвячена 90-річчю Дніпропетровського національного університету” (Дніпропетровськ, 24-25 квітня 2008 р.); V міжнародна науково-технічна конференція “Еколого-економічні проблеми Карпатського єврорегіону “ЕЕПКЄ-2008” (Івано-Франківськ, 26-29 травня 2008 р.); XVIII міжнародна конференція “Проблеми екології і експлуатації об'єктів енергетики” (Ялта, смт. Кореїз, 10-14 червня 2008 р.); XVI міжнародна науково-технічна конференція “Екологічна і техногенна безпека. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (Бердянськ, 9-14 червня 2008 р.); науково-практична конференція географічного факультету Криворізького державного педагогічного університету (Кривий Ріг, 11 квітня 2008 р.).

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків загальним обсягом 216 сторінок. Робота містить 9 таблиць, 48 рисунків, список використаних джерел зі 161 найменування, 19 додатків.

У вступі обґрунтовується актуальність теми, сформовані мета й задачі дослідження, наведені наукова новизна і практична значимість, а також результати апробації і реалізації основних положень роботи.

Розділ перший “Геологічне середовище області та ризик його народногосподарського освоєння”. Основи концепції екологічної безпеки викладені у роботах М.Ф.Реймерса, В.І.Данілова-Данільяна, К.Ф.Фролова, В.О.Бокова, Р.М.Кларка, М.Н.Мойсеєва, А.Г.Шапара, В.М.Шестопалова, Є.О.Яковлєва, В.М.Шмандія, О.М.Адаменка, В.І.Осипова, О.Л.Рагозіна, Г.І.Рудька, А.В.Лущика, Я.М.Семчука, В.А.Котляревського, Г.Г.Стрижельчика та інших вчених.

Досліджена структура геологічного середовища Львівської області, яка контролюється платформним, плитним, перехідним та гірськоскладчастим типами.

Розраховані сценарії природно-історичних та техногенно-зумовлених умов розвитку небезпечних геологічних процесів. Для кожного із проаналізованих типів геологічного середовища визначена екологічна ємність.

Виконані дослідження з оцінки ризику екологічного стану ГС, який розраховувався на основі моделі управління екологічною безпекою ТПГ:

СУ = Ф В П О, (1)

де, СУ - система управління; Ф - функція управління; В - часовий етап управління; П - частина керованого літосферного простору в межах ТПГ; О - організаційний рівень, - знак співставлення.

Розроблені моделі розрахунку ризику розвитку зсувних геосистем для різних типів геологічного середовища.

Розрахована екологічна безпека зсувонебезпечних територій, яка визначалась середньою за рік величиною коефіцієнтів стійкості схилу в поточний період часу (Т), які характеризують відношення сумарного опору сил зрушення вздовж будь-якої потенційної поверхні ковзання до суми рушійних сил вздовж цієї поверхні

(2)

де, С_і - опір зрушення на і-й ділянці; ф_і - дотичне напруження; Дl_і - абсолютна деформація.

Для кожного генетичного типу зсуву розрахована середня швидкість незворотних змін на прогнозний період часу Т:

ДК_сер. = f (Т) (3)

Для гірськоскладчастого типу геологічного середовища визначені регіональні закономірності розвитку зсувів, селей, ерозії. Екологічна ємність характеризує ймовірність прояву древніх зсувів об'ємом 10⁵-10⁸ тис.м³.

За генезисом це переважно структурно-пластичні, структурні асеквентні зсуви (1 випадок на 10³-10⁴ років). При активізації цих зсувів, як правило формується зсувний рельєф, який використовується для будівництва сільських населених пунктів.

Зсуви пластичного типу у межах гірськоскладчастого типу геологічного середовища визначають катастрофічну фазу свого розвитку періодом 10-11 років, відповідно до ритмічності сонячної активності. Розвиток таких зсувних геосистем (об'єм зсувних мас до 1 млн. м³) зумовлює загрозу лінійним об'єктам.

Селеві геосистеми характеризується довжиною селеносних потоків до 1,5-3 км. Середній об'єм селевих мас - 5-10 тис. м³.

Техногенно зумовлені процеси мають значний ризик катастрофічної активізації (90%) всіх випадків розвитку зсувів та селів (рис. 1).

Перехідний тип геологічного середовища (Передкарпатський передовий прогин) визначає розвиток небезпечних геологічних процесів виключно в результаті техногенної діяльності (техногенно зумовлений соляний карст).

Платформний тип геологічного середовища. У природно-історичному аспекті платформний тип геологічного середовища характеризується закономірними змінами зсувних та карстових геосистем. При цьому зсувні геосистеми приурочені до річкових долин, які інтерпретуються як системи “схил - водотік” з тенденцією до затухання ерозійної діяльності.

Аналогічно, за інтенсивністю розвитку розглядаються карстові геосистеми платформного типу геологічного середовища.

Таким чином визначені основні чинники ризику розвитку природних і техноприродних процесів на території області.

У другому розділі “Моніторинг геологічних процесів на території Львівської області” обґрунтована система моніторингу небезпечних геологічних процесів у межах техноприродних геосистем (на прикладі Львівської області). Науково та методично обґрунтовані основні функціональні підсистеми моніторингу: підсистема спостереження, підсистема створення бази даних фактографічної та картографічної інформації, підсистема моделювання, підсистема прогнозування, підсистема управління. моніторинг екологічний техногенний ризик

Підсистема спостереження базується на основі регіональних полігонів та ділянок стаціонарного дослідження НГП. На сьогоднішній час як регіональні полігони так і стаціонарні спостереження мають обмежений характер і реалізуються на основі відомчої режимної мережі. Значна роль при підготовці управлінських рішень належить системі інформаційного забезпечення моніторингу у вигляді картографічних баз даних.

Практично підсистема моделювання враховує наявний картографічний матеріал, що і зумовлює точність моделювання та достовірність прогнозування. Типова постійно діюча модель - система картографічної та фактографічної інформації відповідного масштабу, що зумовлює її адекватність досліджуваному об'єму геологічного середовища у межах відповідних техноприродних геосистем.

Комплекс регіональних моделей - складається відповідно до масштабу
1 : 200 000. Мета розробки цих моделей - прогноз регіональних змін та завчасне попередження надзвичайних ситуацій, зумовлених катастрофічним проявом НГП. На основі регіональних моделей складаються схеми районних планувань, згідно з якими реалізується перспективний розвиток області. На їх основі здійснюється прогноз умов катастрофічної активізації НГП. Для окремих типів НГП на основі методу геологічної аналогії можливий розрахунок умов катастрофічної активізації з виділенням основних чинників та періоду катастрофічного їх прояву.

Локальні моделі у системі моніторингу конструюються на основі результатів детальних досліджень у межах техноприродних геосистем з метою оптимізації техногенної діяльності для розробки схем інженерного захисту. Методичні основи конструювання техноприродних геосистем локального рівня базуються на використанні кількісних фізико-механічних та інших показників, реальних розрахункових схем та методів управління станом ТПГ. На основі локальних моделей обґрунтовують методи короткострокового прогнозу та інженерного захисту.

У третьому розділі “Регіональна та локальна оцінка стану геологічного середовища Львівської області за умовами розвитку небезпечних геологічних процесів (зсуви, карст)” викладені результати визначення регіональних і локальних закономірностей розвитку зсувів і карсту.

Для зсувонебезпечних територій Передкарпатського прогину та Східно-Європейської платформи визначені основні чинники механізму втрати міцності глинистих порід при формуванні зсувів. При зволоженні глинистих порід відбувається їх перехід з твердого у м'якопластичний стан, за рахунок збільшення міжплощинної відстані між базальними поверхнями монтморилоніту від 15А⁰ до 24А⁰. Морфологічні особливості зсувних схилів при історичному розвитку не створюють передумов для активізації за виключенням зміщення делювію у вигляді пластичних деформацій. Катастрофічне зміщення відбувається за рахунок підрізки схилу (сс. Раденичі, Долиняни, м. Судова Вишня та ін.).

У межах Карпатської гірськоскладчастої області значну роль у розвитку небезпечних геологічних процесів відіграють ослаблені зони (кут внутрішнього тертя 10° і зчеплення 0,009-0,014 МПа). Такі зони є потенційним дзеркалом ковзання більшості як древніх так і сучасних зсувів складчастих Карпат.

Вперше розрахована модель формування гігантських зсувів у межах Карпатської гірськоскладчастої області, яка полягає у втраті міцності масиву глинистих порід при його навантаженні пісковиками. На основі польових досліджень, натурних і лабораторних експериментів визначені основні механізми розвитку та катастрофічної активізації зсувів. Розраховані сценарії катастрофічної активізації зсувів для складчастих Карпат, платформного і перехідного типів геологічного середовища (рис. 1).

З урахуванням даних механізму та динаміки зсувних геосистем розрахований індивідуальний, соціальний, економічний та питомий ризики катастрофічного їх розвитку.

Усі зсуви у межах досліджуваної території відносяться до процесів 5 категорії загрози (масові жертви на обмежених площах, кількість жертв до 25 осіб), їх періодичність становить приблизно 1 зсув на 75 років (частота виникнення загрози 0,013 випадків/рік), кількість населення рівномірно розташована по всій досліджуваній території, 1000 у.о. - припустима щільність національного багатства на один км² території.

По відношенню до досліджуваних типів геологічного середовища та співвідношенні площі ураженої зсувами, кількості населення у межах зсувонебезпечної території та населення, яке може постраждати внаслідок активізації спостерігається функціональна залежність між ними з варіаціями кількості ураженого населення від 24,7 до 31,8 осіб/рік та суттєвим збільшенням ризику до 59,5 осіб/рік у межах складчастих Карпат.

Така сама залежність характерна при розрахунку ризику матеріальних втрат при катастрофічній активізації зсувів (від 0,4 до 1,0 у.о./рік) та 6,5-7,0 у.о./км² · рік.

Виконана комплексна оцінка карстонебезпечності та ризику катастрофічного розвитку карсту в результаті техногенного впливу на ділянці “Яворів - Шкло”, у зв'язку з експлуатацією сірчаних родовищ. Розроблений сценарій розрахунків ризику ураженості карстовими лійками фундаменту умовної споруди на момент до затоплення і після затоплення кар'єру. Для розрахункової моделі площа розвитку карстово-суфозійних процесів складає (S) = 50 км².

Щільність провалів на території складає:

V = N/S = 1000/50 = 20 лійок/км².

Середньобагаторічна щільність лійкоутворення (P*(С)) за 28 років (1978-2006 рр.) у межах території досліджень складає 20/28 = 0,714 лійки/км² · рік. Припустимо, що вірогідність виникнення провалів на площі у 1 км² (S_t), частину якої займає споруда за термін у 100 років складе по найбільш вірогідному варіанту становить 0,001 випадки за рік.

Геометрична вірогідність повного або часткового враження споруди з відомою площею фундаменту дорівнює:

.

Розрахункова середня частота виникнення лійок під спорудою складе:

P^*(C_h) = 0,714·0,001 = 0,714·10^-3 випадків/рік

Геометрична вірогідність враження карстово-суфозійними лійками фундаменту у випадку, якщо вони руйнують споруду, складає для лійок середнього розміру:

28,26/350 = 0,08.

Економічна вразливість (V_e(С)) споруди складе відповідно до статистичних даних 0,002-0,015.

Встановимо за допомогою прийнятих припущень та розрахунків середній повний та питомий карстовий ризики економічних втрат споруди за формулами:

R^h_e(С) = P*(С)·V_e(С)·D_e (4)

(5)

де R_e(С) - повні економічні втрати, які зумовлені загрозою карсту; - питомі економічні втрати приведені до одиниці площі.

R^h_e(C) = 0,714·0,001·0,002·1000000 = 1,43 у.о./рік,

R^h_se(C) = 1,43/1000 = 0,0014 у.о./м²·рік.

Розрахуємо ризик ураженості карстовими лійками фундаменту умовної споруди після затоплення кар'єру.

Щільність провалів на території складає:

V = N/S' = 50/50 = 1 лійка/км².

Припустимо, що розглядається такий самий період часу, що й до затоплення кар'єру тобто 28 років, тоді середньобагаторічна щільність лійкоутворення (P*(С)) в межах території досліджень складає 1/28 = 0,036 лійки/км² · рік. Припустимо, що вірогідність виникнення провалів на площі у 1 км² (S_t), частину якої займає будівля за термін у 100 років складе по найбільш вірогідному варіанту становить 0,001 випадки за рік.

Геометрична вірогідність повного або часткового враження споруди з відомою площею фундаменту дорівнює:

.

Розрахункова середня частота виникнення лійок під спорудою складе:

P^*(C_h) = 0,036·0,001 = 0,036·10^-3 випадків/рік.

Геометрична вірогідність враження карстово-суфозійними лійками фундаменту у випадку, якщо вони вражають споруду, складає для лійок середнього розміру:

7,07/350 = 0,02.

Відповідно до формул (4), (5) розраховані повні економічні втрати, які зумовлені загрозою карсту та питомі економічні втрати приведені до одиниці площі:

R^h_e(C) = 0,036·0,001·0,002·1000000 = 0,072 у.о./рік

R^h_se(C) = 0,072/1000 = 0,072•10-³ у.о./м²·рік.

Наведений порівняльний розрахунок економічного ризику від ураження карстовими лійками умовної будівлі, на періоди до затоплення та після затоплення Язівського сірчаного кар'єру, свідчить про прямопропорційну залежність грошових втрат від інтенсивності процесу карстоутворення.

У четвертому розділі “Оцінка ризику розвитку небезпечних інженерно-геологічних процесів при спорудженні гідротехнічних комплексів” розглянуті основні чинники екологічної безпеки при будівництві водосховища: інженерно-геологічні умови, умови розвитку зсувів, аналіз процесів переробки берегів та порівняльні параметри паводкового гідрологічного режиму. Визначені якісні та кількісні показники стійкості схилів при різних сценаріях техногенного впливу на водосховище.

Враховуючи значний дефіцит питної води для міст Дрогобич, Трускавець, Стебник, а також вирішення проблеми зарегулювання поверхневого стоку при паводках та покращення рекреаційних умов Львівщини, виконаний практичний та аналітичний комплекс досліджень по відновленню проекту будівництва Стрийського протиповеневого водосховища, будівництво якого було зупинене в 90 роках минулого століття у зв'язку із розвалом колишнього СРСР.

Розрахований ризик техногенно зумовленої катастрофічної активізації Ново-Кропивницького зсуву.

За розрахунковими параметрами водосховища його довжина 21 км, а об'єм 430 млн. м³.

Сценарій активізації Ново-Кропивницького зсуву полягає в різкій зміні фізико-механічних параметрів зсуву у зв'язку із переробкою берегів хвостосховища.

Розглядалися два сценарії:

1) сценарій з мінімумом зсувних деформацій у зв'язку із підтопленням язикової частини зсуву (відбувається зміщення тільки нижньої частини зсуву);

2) сценарій з катастрофічним проявом зсувних деформацій при функціонуванні водосховища (відбувається зміщення нижньої та середньої частини зсувного схилу).

Ризик розраховується за формулою

Re(H) = W P(W_n) Ve(H) de (6)

де Re(H) - повний економічний ризик втрат від небезпеки Н (дол. США/рік); W - швидкість зміщення певного об'єму зсуву (м²/рік); P(W_n) - ймовірність реалізації швидкості зміщення зсуву (долі одиниці); Ve(H) - економічна уразливість об'єкту (долі одиниці); de - вартість об'єкту.

За першим сценарієм:

Re(H) = 1000 м²/рік 0,1 0,1 40 дол. 10 000 = 100 4 10 000 = 4 000 000 дол. США

За другим сценарієм:

Re(H) = 1000 м²/рік 1 1 40 10 000 = 400 000 000 дол. США

Визначені оптимізаційні заходи інженерного захисту у вигляді протиерозійних заходів та лісомеліорації.

Науково обґрунтований позитивний результат при відновленні будівництва водосховища, виконана порівняльна характеристика з Солінським водосховищем, яке побудоване у 60 роках минулого століття в аналогічних інженерно-геологічних умовах на території Польщі.

ВИСНОВКИ

У дисертації висвітлена актуальна наукова проблема екологічної безпеки техноприродних геосистем адміністративних областей. Теоретичні та методичні дослідження виконані дисертантом з метою обґрунтування екологічної безпеки ТПГ, апробація, а також розроблені наукові і методичні основи розрахунку інженерного та екологічного ризику дають змогу зробити наступні висновки:

- проаналізовано і узагальнено фактичний матеріал щодо організації геологічного і суміжних середовищ Львівської області. Виділені гірськоскладчастий, перехідний та платформний типи геологічного середовища у межах відповідних ТПГ;

- досліджені умови і фактори розвитку небезпечних геологічних процесів та їх геодинаміка (зсуви, карст, ерозія, підтоплення);

- обґрунтовані методологічні основи оцінки екологічної безпеки геологічного середовища у зв'язку із природними та техногенно зумовленими чинниками розвитку небезпечних геологічних процесів. Визначені умови геологічного забезпечення урядової інформаційно-аналітичної системи реагування на надзвичайні ситуації регіонального рівня;

- обґрунтована система геодинамічного моніторингу, яка дозволить спостерігати, оцінювати, прогнозувати та управляти процесонебезпечними територіями, які знаходяться під впливом ендогенних та екзогенних процесів;

- визначені принципи здійснення прогнозу змін стану навколишнього середовища на основі яких в системі екологічного моніторингу розробляються методики прогнозування;

- зроблений ретроспективний аналіз процедури інженерно-геологічного районування процесонебезпечних територій на прикладах середньомасштабних картографічних моделей;

- за результатами робіт виконане районування території досліджень за розвитком зсувних і карстових процесів, за можливістю виникнення НС, в результаті активізації НГП. Проведено геологічний супровід при вивченні та ліквідації наслідків катастрофічних явищ прояву НГП, визначені умови розвитку НГП та надані рекомендації ї їх стабілізації. Особлива увага приділена зонуванню територій в місцях катастроф за ступенем придатності для господарського освоєння;

- розрахований інженерний ризик у межах зсувонебезпечних територій Львівської області;

- виконана регіональна оцінка карстонебезпечності та оцінка ризику катастрофічного розвитку карсту в результаті техногенного впливу на ділянці “Яворів - Шкло”, у зв'язку з експлуатацією сірчаних родовищ. Проведено районування ділянки за ступенем поширення небезпечних карстових явищ. Розроблені прогнозні сценарії змін стану геологічного середовища у зв'язку з затопленням Язівського сірчаного кар'єру та трансформацією гірничопромислового комплексу у рекреаційний;

- визначені прогнозні параметри трансформації гірничопромислового комплексу у рекреаційний (на прикладі Язівського родовища сірки у межах колишнього Яворівського гірничопромислового району);

- реалізовані практичний та аналітичний комплекс досліджень з відновлення проекту будівництва Стрийського протиповеневого водосховища, будівництво якого було зупинене в 90 роках минулого століття у зв'язку з розвалом колишнього СРСР;

- розглянуті основні чинники екологічної безпеки при будівництві водосховища: інженерно-геологічні умови, умови розвитку зсувів, аналіз процесів переробки берегів та порівняльні параметри паводкового гідрологічного режиму. Визначені якісні та кількісні показники стійкості схилів при різних сценаріях техногенного впливу на нього;

- науково обґрунтований позитивний результат відновлення будівництва Стрийського водосховища, виконана порівняльна характеристика з Солінським водосховищем, яке побудоване у 60 роках минулого століття в аналогічних інженерно-геологічних умовах.

Список праць опублікованих за темою дисертації

Гошовський В.С. Регіональний аналіз стану геологічного середовища та суміжних компонентів довкілля адміністративних областей (на прикладі Львівської області) / В.С. Гошовський // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. - 2007. - № 1. - С. 99-115.

Гошовський В.С. Екзогенні геологічні процеси на території Львівської області / В.С. Гошовський // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. - 2007. - № 2. - С. 347-354.

Гошовський В.С. Стан геологічного середовища і динаміка техноприродних геосистем (на прикладі Львівської області) / В.С. Гошовський // Мінеральні ресурси України. - 2007. - № 2. - С. 38-46.

Гошовський В.С. Моніторинг геологічних процесів на території Львівської області / В.С. Гошовський // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. - 2007. - № 4. - С. 212-222.

Гошовський В.С. Локальна оцінка стану техноприродних геосистем за ризиком розвитку небезпечних геологічних процесів долини р. Стрий /
В.С. Гошовський // Збірник наукових праць Українського державного геологорозвідувального інституту. - 2008. - № 1. - С. 143-147.

Экологическая и техногенная безопасность. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов: cб. научн. трудов междунар. научно-техн. конф., 09-13 июня 2008 г. / М-во з питань житл.-комун. госп., М-во регіонального розвитку будівництва України [та ін.]. - Харків, 2008. -
С. 147-159 (Особистий внесок - розроблено наукові і методичні основи оцінки екологічного ризику розвитку небезпечних геологічних процесів на локальному рівні, 60 %).