Геоэкологические проблемы в карстовых регионах

Из главы: Климчук А.Б. Карст и природные полости. 
В кн.: Экологическая геология Украины (под ред. Шестопалова В.М.), Киев, Наукова думка, 2009.

Эколого-геологические проблемы приобретают особую остроту в районах развития карста в связи с высокой чувствительностью и уязвимостью их специфичной природной среды к антропогенным воздействиям. Геоэкология карста постепенно оформляется в самостоятельное научное направление (Андрейчук, 2007).

Проблемы охраны водных ресурсов. Около 25 % населения Земли, включая население многих крупных городов и обширных сельскохозяйственных районов, используют карстовые подземные воды (Ford, Williams, 2007). Карстовые коллекторы обладают, как правило, повышенной водообильностью и часто содержат подземные воды высокого качества, но обладают рядом специфических свойств, определяющих необходимость особых подходов к их использованию и охране. В их числе:

- Высокая пространственная неоднородность и анизотропия емкостных и фильтрационных свойств водовмещающих пород 
- высокая степень концентрации и локализации подземного стока;
- Очаговый характер питания и разгрузки подземных вод;
- Очень высокие скорости движения подземных вод (и, соответственно, загрязнений при их попадании в водоносную систему) – скорости добегания "метки" от очагов питания до очагов разгрузки измеряются сотнями и тысячами метров в сутки, тогда как в обычных некарстовых коллекторах они в сотни и тысячи раз ниже;
- Крайне низкая способность карстовых вод к самоочищению и рассеиванию загрязняющих веществ.

Участки и очаги поглощения поверхностного стока в эпигенном карста имеют прямую связь с очагами разгрузки (источниками и водозаборами) по системам карстовых каналов. Загрязнитель, попавший в карстовую водоносную систему через очаг поглощения в области питания в результате техногенной аварии или террористического акта, может оказаться в концентрированном виде в источнике или водозаборе, удаленном на расстояние в 5-10 км, за время в 2-5 суток. В обычных (некарстовых) водоносных системах прохождение загрязнителя на такие расстояния исчислялось бы годами или десятилетиями, а концентрация загрязнителя на выходе (источнике, водозаборе) значительно уменьшалась бы в результате рассеивания и распада. Проблема усугубляется тем, что в приложении к карстовым коллекторам традиционные гидрогеологические методы установления направлений и скоростей движения подземных вод (расчетные методы, моделирование и др.) являются неэффективными, а стандартные подходы и требования к определению охранных зон источников (водозаборов) – неадекватными. Действующие до настоящего времени водоохранные нормативы практически не учитывают карстовую природу подземных водоносных систем. Единственным надежным и эффективным методом определения реальных контуров питающих площадей карстовых источников, структуры и динамики подземного стока в карстовых районах, является трассирование подземных вод, которое должно осуществляться в обязательном и систематическом порядке.

В большинстве стран мира специфика карстовых территорий и уязвимость их ресурсов подземных вод хорошо осознана водохозяйственными и природоохранными агенствами, центральными и местными органами власти. Это получило отражение в нормативно-законодательной базе и управленческой и хозяйственной практике. При этом систематическое трассирование подземных вод принято и широко используется в качестве основного инструмента для решения проблем управления водными ресурсами карста и их охраны. Во многих странах (в частности, в США и большинстве стран Западной Европы) проведение тестов по трассированию подземных вод является нормативным требованием определения водоохранных зон подземных источников и водозаборов в карстовых районах, оценок и зонирования уязвимости и защищенности подземных водоносных горизонтов, оценок и мониторинга воздействий объектов на окружающую среду, а также разработки планов реагирования в случаях техногенных аварий и предотвращения терактов. В карстовых районах действуют постоянные программы систематических работ по трассированию подземных вод, финансируемые национальными природоохранными службами, местными властями и водохозяйственными агенствами. В зонах высокой уязвимости карстовых вод действуют жесткие нормативные требования по выявлению методами трассирования параметров гидравлических связей площадок и трасс объектов, потенциально производящих загрязнители, с подземными водоносными системами, источниками и водозаборами. В течение последних десятилетий в странах Евросоюза интенсивно разрабатываются и внедряются в практику специфические методы оценки и картирования уязвимости подземных вод в карстовых регионах (ЕPIK, Doerfliger et al., 1999; DRASTIC, Aller et al., 1987; PI, Goldscheider et al., 2000: Германский метод, Holting et al., 1995; Ирландский метод, Daly and Drew, 1999; Словенский метод, Ravbar and Goldscheider, 2007), которые постепенно сближаются в единую Европейскую методологию (Daly et al, 2002).

Обычным источниками загрязнения в карстовых районах являются местные мусорники и скотомогильники, часто устраиваемые в карстовых воронках, утечки из септических емкостей, сточных канализаций, хранилищ горюче-смазочных материалов. Особую проблему составляют индустриальные отходы и стоки, стоки от животноводческих ферм и смыв минеральных удобрений с полей и необорудованных мест хранения.

Случаи загрязнения карстовых вод установлены во многих регионах Украины, особенно в Подольско-Буковинской, Западно-Полесской, Причерноморско-Азовской, Равнинно-Крымской карстовых областях.

Деградация почв. Способность карстовых дренажных систем принимать и транспортировать взвешенные частицы обусловливает опасность деградации и потери почвенного покрова. Корневые системы лесной, кустарниковой и травянистой растительности удерживают почву от смыва.и удаления через карстовые поглотители. Под воздействием лесоразработок, выпаса скота и распашки угодий могут происходить необратимые потери почв.

Деградация почвенного покрова отмечалась на многих карстовых массивах (яйлах) Горно-Крымской карстовой области под воздействием интенсивного выпаса скота, на обширных территориях Подольско-Буковинской карстовой области - под воздействием распашки земель. Для предотвращения негативных последствий вокруг всех карстовых воронок должны быть охранные зоны, не подлежащие распашке, что практически не соблюдается.

Карстовые и суффозионно-карстовые проседания и провалы. Карст серьезно усложняет хозяйственную деятельность, в частности из-за трудно прогнозируемого по времени и месту развития провально-просадочных деформаций. По оценкам Д. Форда и П. Уильямса (Ford and Williams, 1989)  общая стоимость противокарстовых превентивных мер или восстановительиых работ на карстовых территориях Земли достигала нескольких миллиардов долларов в год на уровень восьмидесятых годов прошлого столетия. К настоящему времени потери в денежном исчислении возрасли, вероятно, на порядок.

Хозяйственная деятельность часто активизирует карстовый процесс. Если в 1960-х гг. в Украине было известно 109 провально-просадочных деформаций поверхности, возникших в связи с хозяйственным освоением территории (Донбасс, Горный Крым, Полесье), то в начале 1980-х гг. только в пределах 10 участков высокой техногенной нагрузки насчитывалось более 2000 таких деформаций (Иванов, 1982). Это сопровождается разрушением различных сооружений, разрывами коммуникаций, осложнениями в эксплуатации горных выработок, деградацией водных ресурсов, утечками из водохранилищ и каналов, потерями сельскохозяйственных угодий.
Наиболее развиты деформации в районах, где закарстованные породы залегают под неконсолидированным покровом в районах закрытого и полуоткрытого карста. Причины и механизмы их развития разные. К локальным простым воздействиям относится увеличение нагрузки и техногенное снижение поверхности (выемка горных пород). Такие воздействия могут вызвать провалы кровли полостей или деформации, связанные с дифференциальным уплотнением рыхлого покрова, залегающего на неравномерной поверхности за карстованных пород.

Сложные воздействия связаны с изменением условий водоообмена и уровня подземных вод. Воздействия, увеличивающие гидравлические градиенты и водообмен в системе, усиливают интенсивность растворения и размыв заполнителя полостей,  вызывая образование провалов. Таким образом, и увеличение объема питания (инфильтрации), и водоотбор из системы ведут к усилению провально-просадочных процессов.

Увеличение объема питания и его локализация (фокусировка) происходят при перепланировке поверхности, асфальтировании, застройке, устройстве градирен, дренажных систем, утечках из водохранилищ, каналов и трубопроводов. Локализованная инфильтрация в рыхлом покрове усиливает суффозионный вынос материала в полости подстилающих карстующихся пород. Твердые покрытия и сооружения действуют как защитный покров, часто позволяющий развиваться крупным пустотам в рыхлом материале прежде чем происходит провал. Основная причина развития суффозионно-карстовых деформаций - снижение уровня вод и интенсификация водообмена под воздействием избыточного водоотбора или водоотлива при горных работах. Особенно опасны ситуации, когда уровень подземных вод смешается из неконсолидированного покрова в закарстованную толщу. В районах интенсивной техногенной нагрузки отмеченные два фактора (снижение уровня вод и концентрация стока) часто совпадают. Провально-просадочные деформации под воздействием этих факторов распространены на многих участках Подольско-Буковинской, Западно-Полесской, Северо-Восточной, Донбасской и Равнинно-Крымской карстовых областей.

Изменения водообмена и активизация карста под воздействием горных работ. В условиях карста горные работы вызывают особенно глубокие и обширные изменения водообмена и негативные последствия. В зоне сочленения юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы с Предкарпатским краевым прогибом в 70-90 гг. прошлого столетия в больших масштабах проводилась добыча самородной серы, гипса, глин и других полезных ископаемых в условиях карбонатно-сульфатного карста в неогеновых отложениях. В естественно-исторической обстановке в карбонатно-сульфатной миоценовой толще преобладают напорные воды с замедленной циркуляцией. Для обеспечения открытых горных работ проводился интенсивный водоотлив, суточный объем которого достигал 100 тыс. м3/сут (Язовское серное месторождение) и даже 288 тыс. м3/сут (Николаевский карьер глин). При этом пьезометрическая или уровенная поверхность подземных вод снижалась на десятки метров (до 90 м на Язовском месторождении), очаги разгрузки превращались в очаги питания, происходил перехват поверхностного стока (доля поглощенных речных вод здесь достигала 25 % водоотлива), формирувались обширные депрессионные воронки площадью до 100 км2 (Язовское месторождение) и даже до 400 км2 (Кривское месторождение гипса), резко увеличивалась скорость движения подземных вод (до 2,5 км/сут на Язовском и до 10,2 км/сут на Николаевском месторождении). В результате резкой активизации водообмена, в который вовлекались поверхностные воды и воды смежных водоносных горизонтов, возрастала агрессивность подземных вод, увеличивалась проницаемость карстующихся  пород за счет коррозионного расширения трещин и полостей и вымывания из них заполнителя, происходило провалообразование с нарушением покровной толщи и деформациями земной поверхности, разрушением сооружений и коммуникаций. Интенсивность растворения сульфатных пород подземными водами, составляющая 0,2—0,4 мг/(сут-см2) в естественно-исторических условиях, достигала 1,3 мг/(сут-см2) (Язовское месторождение) и даже 28,2 мг/(сут-см2) (Николаевское месторождение) в условиях техногенной активизации карста (Климчук, Аксем, 1995). Обширные и разнообразные негативные последствия такого интенсивного воздействия на геологическую среду заставляли разрабатывать и осуществлять сложные и дорогостоящие противокарстовые мероприятия (Язовское месторождение), которые не давали ожидаемого эффекта ввиду применения неадекватных концептуальных моделей карстовых систем. Так, на Язовском серном месторождении проектировалась и частично реализовывалась многокилометровая противофильтрационная завеса с шагом бурения в 100 м, призванная затампонировать вскрываемые в гипсах полости и перекрыть поток подземных вод по гипсам к карьеру. При этом не учитывалась гипогенная природа закарстования в гипсах, питание карстовых систем в которых происходит от водообильного подгипсового горизонта с трещинно-поровой проницаемостью, а сами эти системы обеспечивают совершенную гидравлическую связь подгипсового и надгипсового водоносных горизонтов на площадях своего развития. К настоящему времени разработка ряда карьеров прекращена (серные месторождения, Николаевское месторождение глин).

Катастрофическая активизация соляного карста с массированным провалообразованием происходит в результате дренажа надсолевых вод и рассолов на Калушском месторождении калийных солей (Предкарпатье) и на Солотвинском месторождении каменной соли (Закарпатская карстовая область), добыче соли подземными выработками и рассолпромыслами в Бахмутской котловине (Донбасская карстовая область).

База Библиокарст

  1. Автор
    Неверное значение
  2. Название
    Invalid Input
  3. Год
    Invalid Input
  4. Ключевое слово
    Invalid Input
  5. Тип издания
    Invalid Input