Моделювання рівнів ґрунтових вод у долинах малих річок м. Києва із застосуванням геоінформаційних технологій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання рівнів ґрунтових вод у долинах малих річок м. Києва із застосуванням геоінформаційних технологій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Внаслідок активізації процесів урбанізації, утворення агломерацій та збільшення площі міст надзвичайно збільшилося антропогенне навантаження на території. Наслідком є зміна балансу підземних вод та підвищення поверхні ґрунтових вод. Коливання поверхні ґрунтових вод викликає зміну властивостей порід верхньої частини літосфери (переважно знижується їх стійкість); геодинамічних умов (активізуються або виникають геологічні процеси); гідрогеологічних умов, а саме взаємозв'язку між ґрунтовими та напірними водоносними горизонтами. Погіршується якість підземних вод, активізуються пливунні, суфозійні і карстові процеси, підвищується агресивність води до бетону, відбувається засолення ґрунтів зони аерації; змінюються інженерно-сейсмологічні умови. Відбувається також погіршення умов виробничої діяльності і проживання людей (погіршується санітарно-епідеміологічний стан). Гідродинамічні зміни під впливом урбанізації полягають головним чином в зменшенні глибини залягання ґрунтових вод і збільшенні потужності їх горизонту.

Містобудівна діяльність докорінно змінила природне геологічне середовище та гідрогеологічні умови території міста Києва. В результаті діяльності людини утворені техногенні форми рельєфу і потужний шар техногенних відкладів. Значний антропогенний вплив призвів до змін руслового режиму малих річок (їх русла каналізовані, область живлення знаходиться під забудовою), які через їх велику кількість, є одним із важливих геоморфологічних елементів м. Києва. Проте, гідродинамічні умови і геофільтраційні процеси в заплавах малих річок та прилеглих до них територій мало вивченні з точки зору формування рівнів ґрунтових вод на території міста. Вивчення зміни гідродинамічних умов вимагає створення системи моніторингу з урахуванням необхідності виконання комплексних спостережень за підземними водами, змінами інженерно-геологічних умов, сейсмічності, розвитку екзогенних геологічних процесів тощо. При цьому під час організації та ведення спостережень, у першу чергу, повинні враховуватися чинники, які викликають прояв та активізацію небезпечних процесів. Система моніторингу, яка б відповідала таким вимогам, у м. Києві відсутня.

Найбільш ефективним методом вивчення динаміки рівнів ґрунтових вод є математичне моделювання геофільтрації. Побудова математичних моделей токів підземних вод взагалі і особливо для територій, що зазнають значного техногенного навантаження, є однією з важливих задач сучасних гідрогеологічних досліджень. Проте для створення таких моделей з метою встановлення закономірностей змін рівнів ґрунтових вод на території м. Києва необхідний аналіз великого об`єму вихідних даних різної тематики і створення набору результуючих матеріалів оцінювального характеру. Для території міста задача значно ускладнюється неповнотою, неточністю та безсистемністю наявної гідрогеологічної і гідрологічної інформації, а також проблематичністю виконання нових системних гідрогеологічних досліджень в масштабах 1:10000 й крупніше. До того ж для щільно забудованих територій є характерною невизначеність даних про втрати з інженерних водних комунікацій, а також порушення природної гідрогеологічної ситуації внаслідок забудови, ремонтів, зміни режиму стоку з поверхні землі і вертикального вологопереносу. Тому вирішення задачі збереження, узагальнення, накопичення та аналіз наявної різнорідної та просторово невпорядкованої інформації доцільно здійснювати із застосуванням сучасних геоінформаційних технологій (ГІС-технологій). Використання засобів просторового аналізу та інтеграція ГІС з системами математичного моделювання геофільтрації суттєво розширюють можливості дослідження динаміки рівнів ґрунтових вод в заплавах малих річок та прилеглих до них територій м. Києва.

В наш час процеси антропогенної трансформації довкілля в м. Києві продовжуються - освоюються території, які досі вважались важкодоступними у зв'язку з розчленованим рельєфом і високим рівнем ґрунтових вод; тому задача дослідження динаміки рівнів ґрунтових вод в долинах малих річок м. Києва та на прилеглих до них територіях є актуальною. Найбільш крупною з малих річок в межах м. Києва є Либідь.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Тема дисертації визначилася програмою наукових досліджень в рамках науково-дослідних держбюджетних тем «Створення макету геоінформаційної системи для забезпечення моніторингу геологічного середовища території Київської агломерації (05БП-049-01)», «Розробка новітніх технологій гідрогеологічних та інженерно-геологічних досліджень при вирішенні раціонального використання корисних копалин (01БФ049-03)», «Моніторинг та прогнозна оцінка стану природних систем та природно-техногенних комплексів на основі моделювання геологічних процесів (08БП049-01)» Міністерства освіти та науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення основних закономірностей формування і дослідження динаміки рівнів ґрунтових вод в долинах малих річок (на прикладі р. Либідь) на базі спільного використання ГІС-технологій і математичного моделювання геофільтрації.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі.

1. Провести аналіз сучасного стану системи моніторингу підземних вод у заплаві річки Либідь та прилеглої до неї території Києва; створити фактографічну базу даних по рівнях ґрунтових вод на ГІС-основі.

2. Адаптувати методику спільного застосування геоінформаційних систем та математичного моделювання геофільтрації до вивчення динаміки рівнів ґрунтових вод у заплавах малих річок та прилеглих до них території.

3. Створити математичну модель потоку ґрунтових вод у заплаві річки Либідь на прилеглої до неї території.

4. Встановити основні закономірності формування, дослідити динаміку рівнів ґрунтових вод у заплаві річки Либідь та прилеглої до неї території.

Об'єктом досліджень є ґрунтові води в заплаві р. Либідь та прилеглої до неї території м. Києва.

Предметом досліджень є процес зміни рівнів ґрунтових вод у долині р. Либідь в часі під впливом природних і штучних факторів; фактори, що формують тут гідродинамічний режим ґрунтових вод.

Методика досліджень базується на застосуванні географічних інформаційних систем для аналізу різнорідної невпорядкованої та заздалегідь не взаємопов'язаної вихідної інформації; комплексному використанні математичного моделювання геофільтрації та засобів просторового ГІС-аналізу для встановлення закономірностей зміни рівнів ґрунтових вод у часі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці наукових засад застосування геоінформаційних технологій в дослідженнях гідродинамічних процесів в долинах малих річок. З цих позицій:

– вперше на ГІС-основі створена фактографічна база даних по рівнях ґрунтових вод у долині річки Либідь за період 1950-2000 рр.;

– знайшла суттєвий розвиток методика спільного використання ГІС-технологій та математичного моделювання геофільтрації при вивченні динаміки рівнів ґрунтових вод у долинах малих річок та прилеглих до них територій м. Києва;

– вперше створена математична модель потоку ґрунтових вод у долині річки Либідь;

– вперше встановлені основні закономірності формування, досліджена динаміка рівнів ґрунтових вод у долині річки Либідь та прилеглої до неї території.

Практичне значення і впровадження одержаних результатів.

Практичне врахування встановлених закономірностей формування ґрунтових вод і змін їх рівнів у долині річки Либідь дозволить запобігти розвитку негативних геологічних процесів при інженерному освоєнні згаданої території на стадії проектування.

Практичне значення результатів роботи полягає також у можливості використання розроблених методичних підходів й прийомів для вивчення ґрунтових вод у заплавах та прилеглих до них територій інших малих річок м. Києва; при створенні систем та при обробці даних локального моніторингу підземних вод на урбанізованих територіях.

Отримані результати використовуються автором і співробітниками кафедри гідрогеології та інженерної геології при викладанні студентам-гідрогеологам спеціальних дисциплін «ГІС в геології» та «Гідрогеологічне моделювання».

Особистий внесок здобувача. Отримані автором результати, що наведені в дисертаційній роботі, достатньою мірою висвітлені в наукових виданнях. Основні результати, які винесено на захист, отримані здобувачем особисто. Особистий внесок здобувача в основні роботи, виконані у співавторстві, визначаються наступним чином. В роботах [1, 3, 6] автору належить проведення, обробка та аналіз експериментальних досліджень, в роботах [2, 4, 8] - обґрунтування математичної моделі. В роботі [9] автору належить узагальнення отриманих даних та підготовка висновків. В роботі [5] автором особисто виконано більшість розрахунків і побудов, проведено аналіз результатів досліджень. Аналіз результатів моделювання та більшість теоретичних побудов виконані разом із науковим керівником.

Апробація результатів досліджень. Результати досліджень доповідались на: VI, VІІІ Міжнародній науковій конференції «Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища» (Київ, 2005, 2007), Всеукраїнській науковій конференції «Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища» (Київ, 2006), на Міжнародній науково-практичній конференції «І-й Всеукраїнський з'їзд екологів» (Вінниця, Вінницький національний технічний університет, 2006 р.), VIII міжнародній конференції «Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти» (Київ, 2009), науковому семінарі кафедри гідрогеології та інженерної геології геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних наукових джерел. Роботу виконано на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Київського національного університету імені Тараса Шевченка, де здобувачем отримані основні результати теоретичних досліджень, отримані результати математичного моделювання.

Автор висловлює глибоку подяку науковому керівникові кандидату геолого-мінералогічних наук, доценту Кошлякову О.Є. за допомогу та підтримку у написанні роботи. Автор вдячний всім своїм вчителям, колегам та співавторам наукових праць.

Зміст роботи

геоінформаційний ґрунтовий заплава річка

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, зв'язок дослідження з науковими програмами, планами, темами. Вказано мету та задачі, які необхідно розв'язати в ході виконання роботи, викладена наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, описаний особистий внесок здобувача, наведені дані апробації дисертаційної роботи, наведена її структура.

В першому розділі проаналізований сучасний стан вивченості підземних вод, зокрема ґрунтових вод у заплавах малих річок м. Києва. Підземні води - важливий компонент геологічного середовища, що динамічно змінюється під впливом зовнішнього навантаження і активно впливає на інші його компоненти. Ґрунтові води є найбільш чутливим і рухливим компонентом самої верхньої частини літосферного простору. Еколого-геологічні умови території, зокрема міської агломерації (підтоплення, зсувна небезпека, стійкість інженерних споруд і комунікацій, придатність території для будівництва, тощо), визначаються, переважно, існуючим станом системи ґрунтових вод та тенденціями зміни такого стану.

Дослідження підземних вод на територіях міст є актуальним та поширеним. Виконуються вони різними відомствами і мають на меті, зокрема, оцінку впливу техногенезу на природне геологічне середовище та екологічну ситуацію в містах. В багатьох випадках ці спостереження спрямовані на вивчення окремих проблем, таких як підтоплення міст або вплив експлуатації водозаборів на підземні води. Іноді дослідження мають комплексний характер і спрямовані на вивчення та вирішення одночасно проблем як гідрогеологічного, так і інженерно-геологічного спрямування, таких як активізація карстово-суфозійних і зсувних процесів, підтоплення та осідання земної поверхні, забруднення підземних вод тощо. Задачі вивчення режиму підземних вод в межах міст з часом змінюються, ускладнюються і стають більш різноманітними. Це визначається наявністю на урбанізованих територіях чисельних різнонаправлених штучних факторів, що впливають на стан підземних вод.

Інженерне освоєння будь-яких територій викликає порушення природних умов живлення, циркуляції та розвантаження підземних вод, тобто порушення умов природного водообігу. Перші відомості про зміну гідрогеологічних умов у м. Києві під впливом діяльності людини з'явилися наприкінці ХІХ ст. (Синцов І.Ф., 1894). Пізніше з'являються роботи про деформацію житлових будинків внаслідок коливання рівнів ґрунтових вод, які набули розвитку після прокладення водопровідно-каналізаційних систем та втрат води з них (Михєєв Б.М., 1930). Згодом з'являються узагальнення даних про коливання рівнів ґрунтових вод та теорії руху підземних вод під спорудами (Гіринський Н.К., 1959). Коноплянцев А.А. та Ковалевський В.С. (1963) запропонували класифікацію штучного режиму залежно від формування ґрунтових вод. Виникає необхідність виконувати прогнозування режиму ґрунтових вод, районування території за глибиною залягання рівнів ґрунтових вод, створювати більш густу мережу спостережень за їх станом. (Абрамов С.К. (1978), Сенокосов В.П. (1973)).

Питанню зміни гідрогеологічних умов м. Києва в результаті діяльності людини приділена значна увага в роботі Ф.Ф. Котлова, І.А. Брашниної та Скрягіної І. К. (1967). Цю роботу можна вважати однією з перших, де виконані узагальнення і розгляд основних факторів, що впливають на гідрогеологічні умови, наведені відомості про гідродинамічні напори основних водоносних горизонтів та зміну хімічного складу підземних вод, зроблено висновок про зміну рівнів ґрунтових вод в результаті водовідбору. Вказано про наявність територій з критичною глибиною залягання ґрунтових вод. Коноплянцев А.А. в 1979 р. рекомендує виконати районування території за умовами формування ґрунтових вод, створити більш густу спостережувальну мережу за підземними водами і службу, яка повинна слідкувати за зміною природних умов на забудованих територіях. В 1980 році була створена гідрогеологічна карта масштабу1:50000 Київського промислового регіону (Лаврик В.Ф., Шестопалова О.М., та ін.), а в 1983 р. створено гідродинамічну прогнозну карту території м. Києва масштабу 1:10000 (Павловець І.М., Кошляков О.Є та ін.). В наш час АТ КИЇВПРОЕКТ складено план-схему підтоплених та заплавних територій в рамках Комплексної програми ліквідації наслідків підтоплень території м. Києва на період 2004-2010 років.

В результаті вивчення, аналізу та узагальнення робіт попередніх дослідників (Котлов Ф.А., Шестопалов В.М., Яковлєв Є.О., Рудько Г.І., Адаменко О.М., Борщевський М.Є., Бабко В.Д., Звєрєв В.П., Курбатова А.С, Цейко О.Б.) можна виділити основні фактори впливу на підземну гідросферу, що призводять до підвищення рівнів ґрунтових вод на міських територіях:

- побудова дамб в руслах річок, що окрім прямого підпору води в руслі і підвищення рівня в прирусловій частині долини, знижує швидкість річного стоку і призводить до кольматації і зниження дренуючої здатності русла;

- велика питома вага в міському водообороті вод, що залучаються зовні, тобто з поверхневих джерел, розміщених за межами міста;

- зменшення об`ємів відбору води з недостатньо захищених підземних джерел на території міста і відповідний підйом рівнів;

- значні втрати з інженерних водних систем (водопровід та каналізація);

- порушення режиму вологості в зоні аерації за рахунок асфальтового покриття і забудов, що зменшує випаровування і сприяє утворенню конденсату;

- баражний вплив підземних споруд, що викликає підйом рівня ґрунтових вод на локальних ділянках;

- нерегульовані поливи газонів;

- порушення поверхневого стоку на забудованих ділянках.

Все це викликає наступні негативні наслідки:

- нерівномірне просідання ґрунтів с наступною деформацією конструкцій споруд;

- зниження міцнісних характеристик ґрунтів і виникнення та розвиток зсувних процесів на схилах та укосах;

- зміна хімічного складу ґрунтів (засолення) та підземних вод;

- вимокання кореневої системи дерев;

- збільшення корозійної активності ґрунтів і ґрунтових вод по відношенню до бетону та металу;

- зниження експлуатаційної здатності заглиблених частин споруд при їх затоплені ґрунтовими водами;

- погіршення санітарно-гігієнічних умов за рахунок прискорення процесів розкладання та процесів перенесення інфекцій;

- зниження інфільтраційної здатності ґрунтової товщі і заболочування території;

- розвиток суфозійних процесів;

- розвиток процесів підтоплення.

Проблема зміни рівнів ґрунтових вод є дуже актуальною для м. Києва. Підйом рівня ґрунтових вод спостерігається не тільки на території прилягаючих до Дніпра районів - на Подолі, Оболоні, Лівобережжі в цілому. Він має помітний прояв також в долинах малих річок на території міста (Либіді, Нивки, тощо), русла яких частково поховані в закритих підземних комунікаціях, частково в штучних бетонованих ложах. Для долин малих річок м. Києва характерним є густе і глибоке ерозійне розчленування. На сьогодні значний антропогенний вплив призвів до змін руслового режиму цих річок і, як наслідок, зміни гідродинамічних умов.

Водообміні процеси підземних і поверхневих вод в долинах малих річок носять дуже складний гідродинамічний характер і відіграють вирішальну роль у формуванні рівнів ґрунтових вод на територіях міських агломерацій. З метою виявлення факторів формування рівнів ґрунтових вод на забудованих територіях, виділення ділянок, де рівень ґрунтових вод досягнув критичних позначок (або це можливо протягом найближчого часу), організації захисних заходів та прогнозування зміни рівнів ґрунтових вод необхідно створити систему моніторингу стану підземної гідросфери.

Моніторинг як система, що вирішує багатопараметричні задачі, зазвичай існує самостійно, при цьому виконується різними відомствами і службами і знаходить відображення в базах даних ГІС у вигляді окремих документів, які характеризують стан елементів підземного середовища на визначений період або термін спостережень. Для територій, де відбуваються техногенні порушення геологічного середовища та режиму підземних вод, необхідні специфічні підходи та методи проведення моніторингу підземної гідросфери.

На сьогодні в м. Києві відсутня єдина централізована система моніторингу підземних вод, головною задачею якої була б оперативна оцінка існуючого стану ґрунтових вод та прогнозування його змін з метою своєчасного запобігання негативним (іноді катастрофічним) еколо-геологічним явищам та процесам. Функціонування такої системи дозволило б значно поліпшити екологічно обґрунтоване планування розвитку і реконструкції території міста та його інженерної інфраструктури, суттєво зменшити витрати на запобігання або ліквідацію негативних еколого-геологічних явищ. Так в долині річки Либідь розташовано лише дві свердловини для спостереження за режимом ґрунтових вод, наявна кількість гідрогеологічних свердловин є недостатньо для побудови кондиційної крупномасштабної карти рівнів ґрунтових вод. Отже існуюча система режимних спостережень за динамікою рівнів ґрунтових вод в долинах малих річок не дозволяє на кількісному рівні встановити закономірності зміни рівнів та фактори формування режиму ґрунтових вод. Створення ідеальної обґрунтованої системи моніторингу неможливе також і з економічної точки зору.

Проте, отримати уяву про будову геофільтраційного середовища з метою оцінки існуючого стану ґрунтових вод та прогнозування змін, можна шляхом використання наявних фондових матеріалів по геологічним, гідрогеологічним та інженерно-геологічним свердловинам. У багатьох випадках геолого-гідрогеологічні умови в межах розташування окремих об`єктів добре вивченні, що в певній мірі зменшує необхідну кількість пунктів гідрогеологічних спостережень. В першу чергу доцільно створити інформаційну базу, яка б дозволила в подальшому виконати науково-обґрунтовану інвентаризацію наявних даних, обробити їх, синтезувати, проаналізувати і використати для відтворення поверхні рівнів ґрунтових вод.

В другому розділі наведено формулювання загальних положень методики спільного застосування геоінформаційних систем та математичного моделювання фільтрації ґрунтових вод у долинах малих річок з метою отримання достовірних даних про положення рівня ґрунтових вод на різні моменти часу і подальшого ГІС - аналізу.

Умови формування рівнів ґрунтових вод та чинники, які можуть викликати коливання рівнів, визначають основні напрямки і завдання вивчення цього процесу. Не зважаючи на збільшення площ територій з високим заляганням рівнів ґрунтових вод, до цього часу не розроблена методика моделювання розвитку таких процесів для урбанізованих територій, яка дозволяє відтворити поле гідродинамічних напорів (рівнів ґрунтових вод) та враховувати фактори формування потоку ґрунтових вод. Існуюча методика моделювання не придатна для крупномасштабних досліджень.

Аналіз і прогноз режиму підземних вод на щільно забудованих територіях ускладнений неповнотою і неточністю гідрогеологічної та гідрологічної інформації. Тут додаються невизначеність даних про втрати з водонесучих комунікацій, а також порушення природної гідрогеологічної ситуації внаслідок забудови, ремонтів, зміни режиму стоку з поверхні землі і вертикального вологопереносу. Крім того ускладнюються розрахункові схеми, які повинні враховувати різномасштабність об`єктів, особливості режиму фільтрації, а також складність здійснення природоохоронних заходів на забудованих територіях. Зазвичай, вихідна інформація являє собою розрізнені і недостатньо систематизовані дані. Тому, першочерговим завданням є створення геоінформаційної бази даних, яка б дозволила в подальшому виконувати науково-обґрунтовану інвентаризацію наявних даних і не тільки зберігати інформацію, але й обробляти її, синтезувати, аналізувати та приймати управлінські рішення.

Організаційна структура бази даних при оцінці зміни рівнів ґрунтових вод на території міст повинна передбачати вирішення таких задач:

– оцінка сучасного стану території;

– оцінка інтенсивності техногенного навантаження на природно-територіальні і природно-господарські комплекси даної території;

– організація контролю за динамікою стану підземних вод (моніторинг);

– розробка рекомендацій для системи управління і планування заходів з ліквідації наслідків та запобігання розвитку негативних процесів.

В ідеалі геоінформаційна система повинна в автоматичному режимі порівнювати дані про стан ґрунтових вод на територіях підтоплення з існуючими нормами і видавати споживачу результати в оперативному режимі (Демерс М.Н, 1999).

Рівні підземних вод можуть бути відображені як інформаційні шари ГІС: природна поверхня підземних вод та сучасна, яка сформувалася під впливом техногенних факторів. В геоінформаційних системах процес відтворення поверхні гідродинамічних напорів виконується в такому порядку:

ВИХІДНІ ДАНІ (точки спостережень) - ІНТЕРПОЛЯЦІЯ (гідроізогіпси) - ПОВЕРХНЯ ГІДРОДИНАМІЧНИХ НАПОРІВ.

З огляду на те, що кількість точок спостережень зазвичай недостатня для коректного відтворення достовірної поверхні ґрунтових вод за допомогою ГІС (в масштабі 1:10000 і крупніше), необхідно застосовувати інші підходи, крім інтерполяції.

Тому для відтворення поверхні ґрунтових вод пропонується застосування методів математичного детермінованого моделювання геофільтрації, в результаті яких можливо визначити положення поверхні ґрунтових вод на території. Крім того, використання методів математичного моделювання геофільтрації дозволяє також встановити фактори формування ґрунтових вод і виявити основні закономірності їх зміни під дією техногенного впливу.

Зазвичай детерміновані геофільтраційні моделі будують для певної гідродинамічної системи ґрунтових вод, розглядаючи таку систему в цілому, з врахуванням встановлених зв'язків між її елементами (Гавич І.К., 1982). Тому ці моделі мають найбільшу прогностичну здатність (відповідно, й точність). Взагалі для побудови моделі, що буде в достатній мірі відповідати реальним гідрогеологічним умовам певної території, необхідна велика кількість різноманітної геологічної, геофізичної, гідрогеологічної інформації, як просторово розподіленої, так і у вигляді режимних спостережень. Крім того, необхідна гідрологічна та метеорологічна інформація, а також, при врахуванні антропогенного фактору - кількісні дані про чинники, що негативно впливають на гідрогеологічні умови досліджуваної території. Детерміновані моделі для свого коректного використання вимагають досить високої забезпеченості вихідною інформацією, зокрема даними про фільтраційні та ємнісні властивості гірських порід. В дійсності отримання такої інформації пов'язано з виконанням великого комплексу спеціальних польових і лабораторних досліджень (Іщук О.І., Коржнев М.М., Кошляков О.Є., 2003). Проте наявна кількість спостережних та дослідних гідрогеологічних свердловин в долині р. Либідь досить обмежена і не є достатньою для визначення геофільтраційних параметрів. Створення нової системи свердловини для спостереженням за рівнями ґрунтових вод або з метою уточнення гідрогеологічних параметрів в умовах міста практично неможливо (забудованість території, наявність заповідних та охоронних територій, підземні комунікації, тощо). Застосування в таких умовах класичного підходу до математичного моделювання створення вихідної схеми, епігнозне моделювання, прогнозне моделювання, з метою відтворення поверхні гідродинамічних напорів (ПАРАМЕТРИ ТА КРАЙОВІ УМОВИ - МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ - ПОВЕРХНЯ ГІДРОДИНАМІЧНИХ НАПОРІВ) вимагає адаптації.

Відомо, що урбанізовані території характеризуються наявністю великого об'єму геологічної інформації, яка була отримана в результаті інженерних вишукувань протягом тривалого часу. Більшість цієї інформації невпорядкована та заздалегідь не взаємопов'язана і до того ж отримана у просторово невпорядкованих точках спостережень.

Тому, на першому етапі моделювання з метою гідрогеологічної схематизації доцільно використати інформаційну базу вихідних даних на основі ГІС. При цьому здійснювати підготовку картографічної інформації (карти-схеми крупного масштабу) на електронній основі у вигляді відповідних шарів. Зокрема схематичних карт гідроізогіпс створених за допомогою ГІС. Це дозволить отримати вихідні гідрогеологічні моделі території, які будуть враховувати різнорідні наявні дані, без необхідності проведення додаткових гідрогеологічних вишукувань.

Вдосконалення моделі необхідно виконувати на етапі епігнозного моделювання (Гавич І.К., 1982). В якості еталонних даних при епігнозному моделюванні використовувати інформацію про положення рівня ґрунтових вод в інженерно-геологічних свердловинах, яке було зафіксоване при виконанні різного роду вишукувань. Збіжність модельних та натурних даних по рівнях ґрунтових вод у точках спостережень, а також схожість загальної тенденції руху ґрунтових вод у точках спостережень на модельних та схематичних картах гідроізогіпс, отриманих за допомогою ГІС, свідчитимуть про відповідність створених математичних геофільтраційних моделей реальним природним умовам.

В третьому розділі описано геолого-гідрогеологічні умови та математичну модель потоку ґрунтових вод у долині річки Либідь для відтворення поверхні ґрунтових вод. Відповідно до існуючої на сьогодні плану-схеми підтоплених та заплавних територій виконаної в рамках Комплексної програми ліквідації наслідків підтоплень території м. Києва на період 2004-2010 року (АТ Київпроект) територія досліджень належить до підтоплених територій. Долина р. Либідь являється тією частиною території Києва, в якій і в наш час продовжуються забудови. Тому, необхідно і доцільно більш детально простежити і вивчити зміни, що тут відбуваються в цілому і в гідрогеологічному відношенні зокрема. Виконаний аналіз вихідних даних, схематичних рівнів ґрунтових вод за допомогою ГІС підтвердили необхідність математичного моделювання рівнів ґрунтових вод в долині річки Либідь.

Для відтворення поверхні ґрунтових вод та можливості подальшого прогнозування рівнів ґрунтових вод в долині річки Либідь та прилеглої території необхідно узагальнений наявний багато-чисельний фактичний матеріал по гідрогеологічним умова з урахуванням фільтраційних характеристик порід в зоні поширення ґрунтових вод та в зоні аерації. Створена гідрогеологічна модель відображає досліджуваний гідрогеологічний об'єкт і дає можливість при його вивчені отримати нову інформацію.

Долина річки Либідь та її притоки (річки Сирець, Хрещатик, джерела Совський та Голосіївський) розчленовують лесову рівнину на багато великих та малих лесових останців, що має значний вплив на формування сучасного рельєфу, гідрогеологічних та геологічних умов території досліджень (Борщевський М.Є., 1972). В долині Либіді можна виділити, крім заплави, дві надзаплавні чітко виражені акумулятивні тераси і одну, яка виражена не досить чітко.

По річці Либідь контури ІІ-ої надзаплавної тераси в процесі забудови зазнали великих змін, тому збереглась вона окремими останцями в районі Лисої гори, Автостради, Деміївки, вул. Сковороди, між Звіринецьким яром і вул. Тімірязєва. Висота тераси над руслом річки коливається в межах 25-33 м. поверхня її еродована, похило піднімається в бік вододільної рівнини і досить поступово зливається з її схилами. ІІ надзаплавна тераса р. Либідь вкрита товщею лесовидних суглинків, рідше супісків, з численними, особливо в нижній товщі, проверстками і лінзами дрібнозернистих пісків. Потужність суглинків в районі вул. Сковороди сягає 17 м. Верствувата суглиниста товща, умови залягання і текстурні особливості не залишають сумніву щодо її алювіального, озерно-алювіального походження, залягає на сірувато-жовтих, місцями вохристих, дрібнозернистих, черствуватих пісках із прошарками супісків, а в нижніх частинах товщі - із скупченням гравію та гальки базального горизонту. Нижній піщаний горизонт алювію ІІ надзаплавної тераси має потужність 4-15 м. Корінне ложе тераси складене переважно пісками харківської світи палеогену, поверхня яких носить на собі сліди глибоких ерозійних розмивів.

Значний інтерес представляє рівень І надзаплавної тераси річки Либідь. Він в рельєфі долини виявлений не завжди чітко, проте можна зазначити ділянки, де численними свердловинами встановлено алювіальні товщі І надзаплавної тераси, а в певних місцях тераса морфологічно простежується в будові долини. Це ділянка між Лисою горою і Саперно-Слобідською вулицею, що заходить у бік Голосіївського струмка, район Центрального автовокзалу. На лівобережжі р. Либідь І надзаплавна тераса відбита в рельєфі починаючи з площі Перемоги, вздовж вул. Саксаганського до НСК «Олімпійський», де зливається з пригирловою частиною Хрещатицької балки. Поверхня І надзаплавної тераси річки Либідь похилена в бік русла, спланована. Висота її над урізом води в руслі коливається від 7-8,5 м (біля автовокзалу) до 13,5 м (на перетині вулиць Велика Васильківська і Федорова). На окремих ділянках висота тераси досягає 10-12 м. Середня її ширина 50-100 м. І надзаплавна тераса прислонена до корінних схилів долини, і лише на ділянці від Лисої гори до вул. Голосіївської вона межує з ІІ надзаплавною терасою. Складена І надзаплавна тераса р. Либідь піщано-суглинистою товщею алювію. Це переважно темно-сірі, сірі, жовтувато-сірі дрібнозернисті піски з прошарками та лінзами супісків і суглинків. У розширених ділянок тераси в товщі алювію спостерігаються тонкошаруваті суглинки, очевидно озерного типу. Потужність алювію сягає 21,4 м. (район площі Перемоги). Алювіальна товща І надзаплавної тераси Либіді підстилається мергелем київської світи палеогену. В будові долин на переважній більшості ділянок І надзаплавна тераса виражена не чітко. Уступ її до заплави пологий, задернований. Поверхня тераси похилена в бік русла, рівнина. Зрідка вона розчленована неглибокими короткими ярами, а подекуди порізана балками, що відкриваються своїми пригирловими частинами на заплаву.

Рельєф заплави р. Либідь істотно змінений діяльністю людини. Значні ділянки вкриті водами штучних ставків. Складена заплава товщею сучасного алювію. Корінне ложе, що займає найбільш низьке положення у поперечному профілі, складене мергелястою товщею київської світи палеогену. Алювій заплави, потужність якого сягає 15-20 м, розділяється на дві верстви: нижню - з переважаючим літологічними різновидностями різнозернистих пісків, у тому числі і гравійних з уламками і галькою осадових і кристалічних порід у базальному горизонті, і верхню - піщано-суглинисту. Остання представлена дрібн - і тонкозернистими, глинистими, мулистими пісками і суглинками та супісками з лінзами торфу і мулу. Товща суглинків і пісків збагачена органічними рештками. У товщі алювію заплави р. Либідь фіксується два прошарки торфовища. Наявність торфовищ в алювіальних відкладах заплави р. Либідь вказує на складність умов їх формування.

У цілому русло річки спрямлене, закріплене бетоном, тобто каналізоване. Довжина таких ділянок становить 95% (Вишневський В.І, 2005). Штучний канал, в який «закута» річка, здебільшого має прямокутну форму. Ширина цього каналу змінюється від 4 до 10 м, а висота не перевищує 2-3 м, що дозволяє захищати прилеглу територію від затоплень та розмивів. По дну цього каналу прокладений вужчий канал глибиною 0,8 м і шириною від 1,2 м у верхів`ях до 3,5 м у гирловій ділянці

Ця частина каналу забезпечує меженний стік, і її можна назвати руслом. Частина дна широкого каналу виконує функції низької заплави і частково затоплюється при зливовому стоці.

В долині р. Либідь ґрунтові води утворюють єдиний алювіальний водоносний горизонт. Води даного горизонту не захищені від забруднення з поверхні землі (Руденко Ю.Ф., Нікіташ О.П., 2004). Водовмісними породами є дрібнозернисті, тонко-дрібнозернисті і дрібно-тонкозернисті піски, нерідко з прошарками суглинків. Підземні води горизонту мають скрізь вільну поверхню. Статичні рівні залягають на глибинах 2-4 м, у середньому 3 м. Амплітуда сезонних коливань рівня ґрунтових вод складає 0,3-0,7 м. У гідродинамічному відношенні води горизонту являють собою ґрунтові потоки, що спрямовані вздовж русел річок, із гідравлічними ухилами від 0,02-0,03 у верхів'ях до 0,002-0,005 у середній і нижній течіях річок.

В подальшому ця інформація використовувалась для гідрогеологічної схематизації та створення відповідної вихідної гідрогеологічної моделі. Для реалізації математичної геофільтраційної моделі використаний програмний комплекс PMWIN, призначений для числового розв'язання диференціальних рівнянь геофільтрації. Спеціально розроблена балансова кінцево-різницева схема забезпечує високу точність і стійкість розв'язання, в тому числі для безнапірних потоків підземних вод.

Потік грунтовых вод, в долині р. Либідь, розглядається як безнапірний. Живлення потоку відбувається за рахунок інфільтрації атмосферних опадів та техногенної складової, що являє собою втрати з водогосподарських комунікацій міста, житлових масивів та промислових підприємств, розташованих на даній території. Інфільтрація атмосферних опадів на забудованих територіях різко відрізняється від природної, яка складає 0,00033 м³/доб. Величина інтенсивності інфільтраційного живлення ґрунтових вод задавалася по площі диференційовано від 0,00017 до 0,00048 м³/доб на 1 м² площі в залежності від геоморфологічних особливостей території, літологічного складу покриваючих порід, щільності та характеру забудови, наявності штучного покриття та водних мереж. Встановлено, що головним фактором, який викликає збільшення величини живлення ґрунтового потоку, є втрати з водних інженерних мереж.

За фільтраційними властивостями область фільтрації розглядається у вигляді шматково-однорідного середовища. Вихідні значення розрахункових гідрогеологічних параметрів ґрунтового водоносного горизонту прийняті в результаті аналізу даних попередніх гідрогеологічних досліджень та інженерно-геологічних вишукувань. На основі близькості літолого-фаціального складу, геоморфологічних та гідрогеологічних умов виділено однорідні у фільтраційному відношенні зони. Коефіцієнти фільтрації алювіальних відкладів складають 3,0 - 7,0 м/добу.

Для забезпечення розв'язання рівняння фільтрації та відтворення поверхні ґрунтових вод територія досліджень була покрита сіткою з розміром блоку 1010 м. При вказаному розмірі блоків виявилось можливим досить детально відобразити вододіл та долину річки. На контурах моделі в межах вододілів та на контурах, які перетинають долину річки вибранні за лініями току, задані граничні умови ІІ роду (q=0), по річці у середині області фільтрації (внутрішні межі) граничні умови ІІІ роду () зі змінними в часі рівнями. Гранична умова ІІІ роду враховує фільтраційний опір замулених руслових відкладів ложа річки. Для урахування бокового притоку з іншого водоносного горизонту, як складової живлення потоку ґрунтових вод, по межі розвантаження було задано граничну умову ІІ роду. Для подолання проблеми невизначеності умов на бічних межах моделі, що пов'язано з браком вихідної інформації, виділена умовна область, за межі якої вплив процесу формування потоку практично не поширюється, і бічну межу штучно віддалено від об'єкта моделювання. Це дало можливість досягти мінімальної розбіжності між модельними та природними рівнями. В результаті коригування вихідних даних досягнуто розбіжність між модельними та природними рівнями ґрунтових вод, яка коливається в межах 0,1 м.

Таким чином створені геофільтраційні моделі території станом на 1950, 1980 та 2000 роки дозволили отримати достовірні поверхні рівня ґрунтових вод (карти гідроізогіпс) в долині р. Либідь на згадані моменти часу, які були включенні в інформаційну базу даних для подальшого ГІС-аналізу, у вигляді ізолінійних TIN - файлів.

У четвертому розділі викладені методика та результати дослідження рівнів ґрунтових вод у долині річки Либідь та прилеглої до неї території за допомогою ГІС-аналізу.

Для цього застосована географічна інформаційна система ArcVIEW та модуль Speshial Analisis (Map calculator). Вихідними даними для ГІС - аналізу слугували шари поверхонь рівнів грунтових вод, станом на 1950, 1980 і 2000 роки, та шар поверхні рельєфу, що зберігаються у створеній геоінформаційній базі у вигляді ізолінійних TIN - файлів.

Згадані шари перетворювалися в TIN - поверхні, потім в GRID - поверхні (растровий формат) таким чином, щоб GRID - сітки поверхонь були ідентичними.

Далі виконувався порівняльний картографічний аналіз поверхонь рівнів ґрунтових вод на згадані моменти часу, розраховувалися глибини залягання поверхні ґрунтових вод, виконувалося районування території за ступенем підтоплення (рис. 1) та інформаційний аналіз карт підтоплення.

Доведено, що особливості формування рівнів ґрунтових вод в долині річки Либідь та їх динаміка цілковито залежать від ступеню антропогенного впливу в межах території долини. Режим річки Либідь цілком змінено під впливом урбанізації, область живлення річки знаходиться під суцільною забудовою, змінюється поверхневий стік, а русло річки практично по всій довжині спрямлене і замкнене у відкритий залізобетонний лоток або в підземний тунель.

При інформаційному аналізі карт встановлювалась кореляція (взаємна відповідність) явищ, що показанні на схематичних картах підтоплення на різні періоди часу. Інформаційний аналіз базується на використанні основної функції теорії інформації - ентропії Н (Берлянт А.М, 1988). Для деякого картографічного зображення ентропія Н(А) розраховується як сума добутків відносної частоти зустрічі окремих гідрогеологічних ареалів (у нашому випадку площ підтоплення) на логарифм за основою два цієї відносної частоти: . Функція Н(А) завжди позитивна або дорівнює нулю. Н(А)=0, якщо на карті показано лише один ареал (район), тобто маємо повну однорідність зображення. Зі збільшенням кількості ареалів функція Н(А) безперервно зростає і досягає максимуму при рівності відносних частот. На основі ентропії картографічного зображення розраховувалася відносна ентропія, потім коефіцієнт взаємної відповідності.

Коефіцієнт взаємної відповідності К(АВ) характеризує кореляцію зображених на картах гідрогеологічних явищ. Значення К(АВ) лежать в інтервалі від 0 (повна невідповідність контурів явищ) до 100% (повна відповідність). Для долини р. Либідь в межах досліджуваної території були отримані наступні значення коефіцієнтів взаємної відповідності для схематичних карт підтоплення: 1950-1980 рр. - К(АВ) = 29%; 1980-2000 рр. - К(АВ) = 42%. В результаті інформаційного аналізу карт та аналізу динаміки розвитку підтоплення для територій долини р. Либідь можна зробити висновки про наступне. Найбільш значні зміни рівнів ґрунтових вод спостерігаються за період 1950, 1980 рр. (коефіцієнт взаємної відповідності карт дорівнює лише 29%, отже зміни складають 71%). Це пов'язано з активізацією антропогенного впливу (суцільна забудова, реконструкція залізниці, каналізація русла) на цій території і відповідно, як наслідок, підняття рівнів ґрунтових вод. Після 1980 року площа ділянок з критичною глибиною залягання ґрунтових вод з часом зменшилася (коефіцієнт взаємної відповідності для періодів часу 1950, 2000 рр. складає 76%, зміни складають 24%), а площі підтоплення для періоду 2000 року майже співпадають з територією підтоплень в 1980 р. Це відбулося внаслідок поступової адаптації система ґрунтових вод в долині р. Либідь до зовнішнього антропогенного втручання, і рівні ґрунтових вод зазнали менших коливань.

Крім того, в результаті дослідження отримана модель, яку в подальшому можна використати для прогнозування динаміки рівнів ґрунтових вод в залежності від дії зовнішніх чинників та розробки ефективних заходів щодо запобігання підтопленню території. Практичне врахування встановлених закономірностей змін рівнів ґрунтових вод в заплаві річки Либідь та прилеглої до неї території дозволить запобігти розвитку негативних геологічних процесів при інженерному освоєнні згаданої території на стадії проектування. Розроблена методика може бути застосована для створення геофільтраційних моделей ґрунтових потоків долин малих річок міста Києва та в інших аналогічних гідрогеологічних умовах.

В результаті виконаних досліджень та аналізу отриманих результатів можна зробити наступні висновки:

1. Існуюча система моніторингу підземних вод м. Києва не дозволяє виявити закономірності зміни рівнів та фактори формування режиму ґрунтових вод у заплавах малих річок та прилеглих до них територій. В той самий час для згаданих територій накопичився великий об'єм невпорядкованої та заздалегідь не взаємопов'язаної гідрогеологічної вихідної інформації. Проте, її ефективне використання є можливим лише за умови застосування геоінформаційних систем.

2. Запропонована методика спільного застосування геоінформаційних систем та математичного моделювання фільтрації ґрунтових вод у заплавах малих річок та на прилеглих до них територій. На першому етапі створюється геоінформаційна база вихідних даних. База використовується на наступному етапі для створення вихідної гідрогеологічної моделі. На третьому етапі - стадії епігнозного моделювання - створюється модель фільтрації, яка дозволяє отримати поверхні ґрунтових вод на різні моменти часу. Крім того, модель фільтрації дозоляє визначити головні закономірності руху ґрунтових вод на даній території, встановити значення геофільтраційних параметрів, закономірності розповсюдження по площі величини інфільтраційного живлення.

Отримані поверхні рівнів ґрунтових вод у вигляді ізолінійних TIN - файлів вносяться до загальної інформаційної бази для подальшого ГІС - аналізу.

3. Створена математична детермінована модель потоку ґрунтових вод у заплаві річки Либідь та прилеглої до неї території. Вона враховує особливості геологічної будови території, техногенне навантаження і може бути застосована для моделювання ґрунтових вод, в залежності від дії зовнішніх чинників та розробці ефективних заходів щодо запобігання підтопленню території.

4. ГІС - аналіз отриманих поверхонь ґрунтових вод на різні моменти часу та поверхні рельєфу разом з інформаційним аналізом карт підтоплень дозволив встановити, що основною причиною змін рівнів ґрунтових вод в долині р. Либідь протягом 1950-2000 років є антропогенне втручання (режим цієї річки цілковито змінено, область живлення річки знаходиться під суцільною забудовою а русло річки практично по всій довжині спрямлене і замкнене у відкритий залізобетонний лоток або в підземний тунель). Найбільш значні коливання рівнів ґрунтових вод спостерігаються за період 1950,1980 рр. (коефіцієнт взаємної відповідності карт підтоплених територій дорівнює лише 29%, отже зміни становлять 71%). Ймовірно це пов'язано з активізацією антропогенного впливу (реконструкція залізниці, каналізація русла) в ці роки на території і відповідно, як наслідок, підняття рівнів ґрунтових вод. З часом площа ділянок з критичною глибиною залягання ґрунтових вод зменшилася (коефіцієнт взаємної відповідності для періодів часу 1950, 2000 рр. складає 76%, зміни становлять лише 24%), площі підтоплення для періоду 2000 року майже співпадають з територією підтоплень в 1980 р. Це відбувається внаслідок поступової адаптації системи ґрунтових вод в долині р. Либідь до зовнішнього антропогенного втручання, і рівні ґрунтових вод зазнають менших коливань. З огляду на те, що на сьогодні процеси забудови в долині річки Либідь тривають, а межі підземної забудови збільшилися, можна очікувати значних змін системи ґрунтових вод в майбутньому.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Аналіз динаміки рівнів ґрунтових вод лівобережжя м. Києва із застосуванням геоінформаційних технологій./ [Кошляков О.Є., Мокієнко В.І., Кошлякова І.Є., Диняк О.В.]. - Вісник Київського національного університету «Геологія». - Київ. - Випуск 39. - 2005. - с. 63-65.

2. Кошляков О.Є. Особливості математичного моделювання потоків ґрунтових вод в долинах малих річок м. Києва/ О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Вісник Київського національного університету «Геологія». - Київ. - Випуск 42. - 2007 - с. 110-113.

3. Кошляков О.Є. Досвід застосування геоінформаційних технологій для вивчення процесу підтоплення територій долин малих річок м. Києва/ О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - №1. - с25-30.

4. Кошляков О.Є. Вивчення динаміки розвитку процесу підтоплення в долині р. Либідь із використанням інформаційного аналізу карт/ О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Вісник Київського національного університету «Геологія». - Київ. - Випуск 44. - 2008 - с. 45-49.

5. Вивчення процесу підтоплення території долин малих річок м. Києва із застосуванням геоінформаційних технологій: зб. матеріалів Міжнародної науково-практичної конференції [«Перший Всеукраїнський з'їзд екологів»], (Вінниця - 3-6 жовтня 2006 р.) - УНІВЕРСУМ-Вінниця: 2006. - с 162-165.

6. Кошляков О.Є. Вивчення процесу підтоплення території м. Києва із застосуванням ГІС технологій та ПДГМ/ О.Є. Кошляков, В.І. Мокієнко, І.Є. Кошлякова, О.В. Диняк // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища: VI міжнар. наук. конф.: матеріали. - К.: ВПЦ «Київський університет», 2005. - С. 202-203.

7. Кошляков О.Є. Математичне моделювання потоків ґрунтових вод в долинах малих річок. / О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища: VІІ міжнар. наук. конф.: матеріали. - К: ВПЦ «Київський університет», 2006. - с. 267-269.

8. Кошляков О.Є. Вивчення процесу підтоплення території долин малих річок м. Києва із застосуванням геоінформаційних технологій/ О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Перший всеукраїнський з'їзд екологів: матеріали міжн. наук.-практ. Конф. - УНІВЕРСУМ-Вінниця: 2006 - с 96-97

9. Кошляков О.Є. Особливості вивчення процесів підтоплення територій долин малих річок м. Києва / О.Є. Кошляков, О.В. Диняк // Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища: VІІІ Міжнар. наук. конф. - К: ВПЦ «Київський університет», 2007. - с. 210-212.

Размещено на Allbest.ru