2.15. Инженерно-геологические процессы на территории населенных пунктов
На территории городов, особенно крупных, существенно меняется вся природная обстановка, вследствие чего может происходить как активизация или затухание естественных геологических процессов, так и протекание процессов, встречающихся только на территории городов.
Естественные процессы. Большая часть естественных инженерно-геологических процессов на территории городов активизируется. Это касается в первую очередь склоновых, эрозионных и карстово-суффозионных процессов. Причиной служит инженерное освоение территорий – подрезка склонов, нарушение или уничтожение растительности и почвенно-дернового покрова, сотрясения от работы техники, откачка подземных вод.
В тех случаях, когда выполняются мероприятия по противодействию и предупреждению неблагоприятных геологических процессов, их удается полностью приостановить или существенно замедлить.
Вместе с тем следует иметь в виду, что если прекратить выполнение защитных мероприятий, неблагоприятные процессы могут возобновиться.
Пример 1. На правом берегу Москвы-реки на склоне Воробьевых гор всегда имел место активный оползневой процесс. Здесь отмечались оползневые швы на местности, трещины на дорожках, «пьяный» лес. В 1950-х годах территория начала осваиваться. Были выполнены противооползневые мероприятия – проведены ливнестоки, вдоль берега была сделана насыпь, построена набережная и проложена дренажная галерея для осушения склона. Оползни стабилизировались и на возведенных здесь сооружениях оползневых деформаций не наблюдается.
Антропогенное изменение рельефа и накопление техногенных отложений – два тесно связанных между собой процесса. Изменение рельефа на территории городов происходит в основном за счет его искусственного выравнивания (планирования), так как это удобнее при освоении новых площадей. Планирование рельефа осуществляется за счет срезки возвышений рельефа, засыпки пониженных участков, ликвидации неудобных склонов и обрывов, взятии в коллектор малых рек и т.п.
Инженерно-геологические условия при этом изменяются минимум дважды – за счет обнажения свежих пород при срезке возвышений и за счет накопления новых грунтов в прежних понижениях (рис. 2.39).
Искусственные грунты принято называть техногенными. Они могут быть весьма разнообразного состава – от грунтов, взятых при срезке с сопредельных возвышений, до совершенно иных, завезенных из других мест, материалов.
Еще один путь к созданию искусственного рельефа за счет накопления больших масс техногенных отложений – это складирование больших масс бытовых, промышленных и строительных отходов в виде целых гор высотой в десятки и протяженностью в сотни метров.
Рис. 2.39. Искусственное выравнивание рельефа
(перемещенным и завезенным грунтам присваивается индекс техногенных отложений – tgQIV, а) – первоначальный рельеф; б) - выровненный рельеф)
Такие горы уже во множестве появились вблизи крупных городов, и рост их все время продолжается и ускоряется. Работа по утилизации отходов, о которой много говорится в последние десятилетия, явно не успевает за процессом их накопления.
Итак, процесс антропогенного изменения рельефа сопровождается процессом накопления техногенных отложений – грунтов или различных отходов на новом месте.
Среди техногенных отложений можно выделить несколько самостоятельных видов.
1. Насыпные и намывные грунты. Насыпные – это грунты, специально перемещенные с места на место бульдозером, скрепером или привезенные самосвалом. Намывные грунты – это пески, перемещенные земснарядом, - установкой, передающей по трубе мощный поток воды вместе с песком. Насыпные и намывные грунты обладают уже не такими свойствами, как были у них же в естественном залегании. Они отличаются более рыхлым сложением большей пористостью, сжимаемостью и меньшими прочностными характеристиками.
2. Шлаки, шламы, золы и прочие промышленные отходы обычно не используются в качестве специально привезенных насыпных материалов. Чаще всего эти виды отходов складируются вблизи соответствующих производств, и по прошествии определенного времени постепенно оказываются в зоне инженерного освоения.
3. Бытовые отходы. Обычно складируются на специально организованных полигонах, на которых постепенно вырастают многометровые горы мусора. После закрытия полигона поверхность и склоны горы мусора выравнивают, закрывают слоем глинистого грунта и засаживают растительностью.
4. Строительные отходы. Нередко используются в качестве насыпного материала для засыпки понижений рельефа. Значительная часть строительных отходов складируется на полигонах вместе с бытовыми отходами.
Таким образом, на территории населенных пунктов с одной стороны происходит целенаправленный процесс изменения рельефа в соответствии с градостроительными планами, а с другой стороны – изменение рельефа происходит как сопутствующий результат накопления техногенных отложений.
Накопление значительных масс различных отходов и мусора вызывает серьезную тревогу у специалистов, связанных с экологией и санитарией.
В бытовых и промышленных отходах начинаются и идут процессы разложения, растворения и миграции имеющихся и вновь возникающих веществ в окружающую среду – в воздух, почвы, поверхностные и подземные воды. На развитие этих процессов уходят многие годы. В их результате происходит изменение фоновых содержаний сотен компонентов в природных водах и почвах, что приводит к нежелательному воздействию на здоровье людей, проживающих на данной территории. Так экологически чистая территория становится экологически грязной.
Загрязнение природной среды. На территории городов имеют место все виды загрязнения окружающей среды – воздуха, воды, почв, ландшафта.
Загрязнения воздуха. Главный источник загрязнения – выхлопные газы, пыль и другие продукты сгорания автомобильного топлива. В большинстве городов этот источник загрязнений в разы превосходит выбросы из других источников – от работы предприятий промышленности, энергетики, отопления жилых домов. Многие загрязнители воздуха, такие как пыль, сажа, копоть, окись свинца, далее постепенно оседают на окружающей площади, приводя к общему загрязнению ландшафта.
Парниковый эффект. Предполагается, что он является следствием незначительного изменения состава атмосферного воздуха, являющееся по сути дела его загрязнением. Днем солнечные лучи, согревающие землю, находятся преимущественно в видимой части спектра. Ночью нагретая поверхность земли излучает энергию в околоземное пространство в невидимом для человеческого глаза инфракрасном диапазоне. В естественных природных условиях многолетний тепловой баланс поверхности земли является нулевым – то есть сколько солнечной энергии поступает днем, столько и уносит с собой ночью инфракрасное излучение.
Суть действия любого парника состоит в том, что он строится из таких материалов, которые пропускают видимые солнечные лучи, но задерживают инфракрасное излучение.
На земле роль парникового материала выполняют окись и двуокись углерода – СО и СО2, которые принято называть парниковыми газами. Содержание в атмосфере обоих газов мало – составляет незначительные доли процента.
В результате активного сжигания топлива в последние десятилетия содержание парниковых газов в атмосфере несколько увеличилось, одновременно по всему земному шару произошло незначительное повышение температуры.
Исследователи, занимающиеся глобальными проблемами климата, склонны считать эти два явления связанными между собой. Причиной называют парниковый эффект и предсказывают дальнейшее глобальное потепление. Косвенным подтверждением правильности этих суждений является то, что глобальное потепление было предсказано несколько десятилетий назад еще до того, как оно началось.
Загрязнения поверхностных и подземных вод очень широко распространены на территории городов. Загрязнения обычно так сильны, что делают невозможным использовать речные, грунтовые и близкие к поверхности межпластовые воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Источники загрязнения поверхностных и подземных вод примерно одни и те же – промышленные и бытовые стоки, стоки животноводства, смытые минеральные и органические удобрения.
Загрязнение почв обычно незаметно, так как для его установления требуется проведение комплекса химических анализов. Источники загрязнения почв – это оседание загрязнителей из воздуха, чрезмерное употребление химических удобрений и ядохимикатов, сброс в почву сыпучих отходов, слив технических жидкостей и т.п.
Загрязнение почв приводит к уменьшению разнообразия растительного покрова и интенсивному росту лишь отдельных видов растительности. Овощи, фрукты, ягоды и грибы, выросшие в таких условиях, могут накапливать в себе опасные для здоровья людей загрязнители.
Данное обстоятельство создает непростую проблему для использования земель на приусадебных участках в малых городах и земель, расположенных вблизи автомобильных дорог аэродромов и промышленных предприятий.
Замусоривание территорий. В последние годы этот процесс удалось приостановить в крупных населенных пунктах, но он активно развивается на загородных территориях. Местами аккумуляции мусора, в основном бытовых отходов, являются площадки и полосы отчуждения близ автомобильных дорог. Нередки сбросы отходов мелких производств.
Причиной является отсутствие или плохая организация системы удаления мусора, а также безответственное поведение местного и приезжего населения. Процессы разложения отходов, особенно пластика и материалов, содержащих редкие элементы и тяжелые металлы, приводят к общему ухудшению экологической обстановки. Очевидно, что борьба с замусориванием территорий является важнейшей задачей уже сейчас и невозможна без коренной перестройки общественного сознания.
Изменение уровня грунтовых вод. На территории городов и крупных промышленных предприятий возможно как повышение или понижение уровня грунтовых вод (УГВ), так и сохранение его в естественном состоянии. Изменения УГВ связаны с различными видами инженерной и водохозяйственной деятельности.
Повышение уровня грунтовых вод возможно по следующим причинам.
1. В результате подпора грунтовых вод, вызванного подъемом уровня воды в реках. Действительно, многие крупные города расположены по берегам рек. В ряде случаев с целью решения вопросов судоходства, водоснабжения, энергетики, привлекательности архитектурного облика на реках сооружаются плотины, уровень воды повышается, сток регулируется, создаются условия для подпора и повышения уровня грунтовых вод. Подробнее данный вопрос рассмотрен в разделе «Процессы, связанные с эксплуатацией водохранилищ».
2. Повышение уровня грунтовых вод в результате утечек и прочих потерь используемой воды. Значительные утечки возможны из инженерных сетей – водопровода, канализации, ливнестоков. Возможны потери воды на предприятиях, использующих воду в технологическом цикле, особенно при наличии отстойников. Во всех отмеченных случаях повышение уровня грунтовых вод происходит на площадях со сложившейся застройкой и имеет мозаичное распространение.
3. Повышение УГВ в связи с орошением приусадебных участков. Этот процесс наблюдается в городах южной части нашей страны, в зоне недостаточного увлажнения. В малых городах этой зоны большую часть застройки представляют индивидуальные дома, имеющие приусадебные участки, на которых местное население традиционно занимается выращиванием овощей, фруктов, цветов и т.п. необходимое при этом орошение приводит к подъему уровня грунтовых вод, охватывающему значительные площади. В связи с ростом цен на воду и постепенной установкой счетчиков во всех домохозяйствах следует ожидать уменьшения потерь оросительных вод и сокращения масштабов рассматриваемого процесса.
Понижение уровня грунтовых вод. Данный процесс может происходить по следующим причинам.
1. За счет организации поверхностного стока и уменьшения инфильтрационного питания. На территории крупных городов правильным считается наиболее быстрое удаление вод атмосферных осадков – дождей, талых вод и вывоз снега. Вода и снег препятствуют движению транспорта и пешеходов, работе коммунальных служб, мешают поддержанию города в чистоте. Для удаления дождевых и талых вод в городах строятся ливневые канализации, кюветы вдоль дорог, а самим дорогам, тротуарам и площадям придается необходимый уклон для максимально быстрого сброса всей воды в ближайший водоток. Удаленная с поверхности вода уже не принимает участия в инфильтрационном питании подземных вод.
Лучшей организации поверхностного стока способствует также все возрастающая заасфальтированная площадь и все возрастающая суммарная площадь зданий и сооружений, по которой тоже нет инфильтрационного питания. Значительно снижено значение еще одного источника питания подземных вод – в городах сглажен рельеф, засыпаны многие овраги и понижения рельефа, в которых ранее застаивались поверхностные воды, в городских парках ликвидированы болотистые участки.
В последние годы в крупных городах начали собрать и вывозить снег, выпавший на проезжую часть дорог, площадей и тротуары. Собранный снег, который раньше просто отбрасывался на ближайшие газоны, теперь отправляется на снегоплавильные пункты, где он подогревается, тает, и вода сбрасывается в реки, чем исключается еще один источник инфильтрационного питания.
2. Понижение уровня грунтовых вод за счет подземного строительства в городах. Механизм снижения уровня грунтовых вод в связи с подземным строительством рассматривается в разделе «Процессы, связанные со строительством и эксплуатацией подземных сооружений».
Отметим, что в городах имеются и функционируют следующие виды подземных сооружений – метрополитен, автомобильные тоннели, подземные пешеходные переходы, глубокие подвалы и подземные этажи, стоянки, гаражи, предприятия торговли, трассы коммуникаций, оформленные в виде небольших, но весьма протяженных тоннелей. Все названные сооружения имеют дренажные системы, предохраняющие их от проникновения подземных вод. С помощью насосов дренажные системы активно сбрасывают собранную воду в ближайшие водотоки, снижая уровень грунтовых вод. В итоге, в отдельных частях крупных городов, УГВ может быть снижен на несколько метров, что следует считать существенным изменением естественных условий и необходимо учитывать при дальнейшем строительстве и использовании территорий.
Пример. 1. После строительства метро в центре Москвы произошло сильное снижение уровня грунтовых вод. В результате этого в зоне аэрации оказались деревянные свайные фундаменты зданий, выстроенных ранее ХХ века. Через несколько лет после осушения сваи начали гнить и некоторые здания старой застройки стали давать неравномерную осадку и трескаться. Работы по укреплению стен и оснований аварийных зданий продолжались до середины 1970-х годов.