metod_ecology_Birukova
.pdfинженерно-геологическое расчленение разреза на глубину предполагаемой сферы взаимодействия сооружения с горными породами, с выделением инженерно-геологических подразделений (элементов) от ранга формаций до литологических типов и видов горных пород в соответствии с нормативными документами;
картографирование выделенных инженерно-геологических подразделений;
определение свойств горных пород с цепью получения обобщенных показателей для каждого стратиграфо-генетического комплекса и деформационных характеристик пород, выполняющих основание проектируемых сооружений;
выполнение, типизация и картографирование техногенных пород и антропогенных образований;
определение состава, свойств, закономерностей изменчивости всех выделенных стратиграфо-генетических комплексов пород, и в первую очередь техногенных.
Для всех выделенных инженерно-геологических подразделений особое внимание уделяется изучению пород с неблагоприятными или техногенно-измененными свойствами (плывуны, просадочные, засоленные, набухающие и т.п.). В криолитозоне дополнительно изучают суммарную льдистость, влажность минеральных прослоек, влажность за счет льда-цемента, объемную массу скелета мерзлых пород, их теплофизические свойства.
Информация об эндогенных геологических процессах необходима для получения характеристик современной блочной тектоники (макро- и мезоблоки, направленность их современных вертикальных движений при наличии ранее проведенных наблюдений, величины абсолютных поднятий и опускании блоков), а в сейсмически опасных районах — региональной и локальной сейсмичности территории. Эндогенные процессы изучаются по литературным
ифондовым материалам, путем дешифрирования КС и АФС, а также в процессе проведения полевых работ с использованием геофизических и других методов.
При изучении экзогенных геологических процессов должны быть решены следующие задачи:
выявлены территории, предрасположенные к развитию различных процессов, оценена пораженность этими процессами;
изучены природные и техногенные факторы, определяющие возникновения и активность процессов;
41
выявлены особенности проявления процессов (форма проявлений, глубина зоны развития, породы, с которыми связано развитие процессов);
выполнен анализ катастрофических проявлений процессов
ифакторов их обуславливающих;
установлена взаимосвязь разных видов процессов между собой и эндогенными геологическими процессами, то есть выявлены комплексы парагенетически связанных процессов;
определено воздействие процессов на существующие
ипроектируемые здания и сооружения, а также эффективности средозащитных мероприятий.
Изучение процессов проводится путем дешифрирования КС
иАФС с выполнением аэровизуальных, геофизических, мониторинговых и других работ.
Всостав геоэкологических исследований входят: изучение тех-
ногенных объектов, геохимические исследования, радиометрические исследования.
При выполнении геоэкологических исследований должны быть изучены:
промышленные и сельскохозяйственные предприятия как источники экологической опасности, а также полигоны захоронения отходов, отстойники, промышленные стоки и т.д.;
виды, состав, объемы потребляемого сырья, отходы и содержание в них токсичных веществ;
места систематических выбросов токсичных веществ промышленными предприятиями в атмосферу, поверхностные воды
иподземные воды;
виды, состав, количество удобрений и ядохимикатов, их использование сельхозпредприятиями.
При геохимических исследованиях в рамках геоэкологических работ изучаются:
закономерности распределения токсичных нормируемых веществ в почвах, породах зоны аэрации, подземных водах, а также донных отложений водотоков и водоемов;
загрязнение подземных вод должно изучаться в случае отсутствия материалов по гидрогеологической съемке;
концентрация тяжелых металлов в растениях как индикаторах загрязнения геологической среды на локальных участках;
взаимосвязь загрязнения почв, пород зоны аэрации с загрязнением подземных и поверхностных вод.
42
Зона картографирования охватывает систему почвы-породы зоны аэрации, а в водоемах — современные донные осадки.
Радиометрические исследования проводятся в обязательном порядке. При этом изучается:
фоновые значения гамма-активности основных типов пород, залегающих в при поверхностной зоне;
аномалии радиационного фона, которые могут быть закартографированы в масштабе 1 : 200000;
защитная роль зоны аэрации (мощность, фильтрационные свойства, сорбционные способности);
инфильтрационное питание подземных вод;
условия латерального привноса загрязнения по водоносным пластам от выявления источников загрязнения.
По результатам инженерно-геологической съемки составляются карты различного содержания и назначения.
Пенетрационные методы изучения горных пород широко используются при инженерно-геологических изысканиях и исследованиях. Различают два вида пенетрации (зондирование): динамическое зондирование (забивные зонды) и статическое зондирование (задавливаемые зонды).
Пенетрационные методы позволяют решать следующие задачи:
детальное расчленение геологического разреза на слои илинзы литологического состава;
выделение в разрезе маломощных ослабленных прослоев;
определение относительной плотности пород;
определение плотности и модуля деформации песчаных разностей пород;
определение консистенции глинистых отложений.
Как отмечал Н.В. Коломенский, в зависимости от задач исследований, определяющих глубину зондирования, применяются:
установки глубинного зондирования (до глубины нескольких десятков метров);
плотномеры и ударники различных систем для мелкого зондирования (до глубины 1—2 м).
Кратко рассмотрим сущность каждого из выделенных видов зондирования.
Динамическое зондирование заключается в измерении сопротивления породы при забивке в нее свободно падающим молотом стального конуса. При забивке конуса определяют число ударов, необходимых для погружения зонда на определенную глубину. Это
43
число является условным измерителем динамического сопротивления пород внедрению в них конуса.
Результаты динамического зондирования часто используются в качестве моделирования забивки свай.
При статическом зондировании наконечник задавливается в горную породу. Это позволяет увеличить скорость задавливания и вести автоматическую регистрацию результатов.
Установки статического зондирования снабжены каротажным устройством, позволяющим производить гамма-каротаж, нейтронный каротаж и другие. Такое комбинирование методов позволяет значительно расширить круг решаемых задач. Например, возможно определять уровень подземных (грунтовых) вод, объемный вес и влажность пород и т.д.
Внастоящее время пенетрационные методы широко используются при инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканиях, и проведении специальных геоэкологических исследований.
Винженерной геологии применяются следующие методы оценки территории или массивов горных пород: косвенный, метод приближенного геологического подобия, вероятностно-статис- тические, типизации и механико-математические. С помощью этих методов осуществляется систематизация материала, выполняется оценка состояния территорий и массивов горных пород, составляются прогнозы экзогенных геологических процессов.
Последние десятилетия сформировалось новое направления в инженерной геологии — создание и ведение автоматизированных информационных систем (АИС). Эти системы реализуются на ЭВМ и позволяют оперативно решать большой комплекс задач: от хранения и оперативного получения первичной информации до математического моделирования и прогнозирования экзогенных геологических процессов, и выдаче рекомендаций по их нейтрализации. АИС рассматриваются как основные подсистемы целевых мониторингов. Например, мониторинг экзогенных геологических процессов, мониторинг берегов водохранилищ и другие. Методологические основы этого направления изложены в трудах И.С. Комарова, В.Н. Экзарьяна и других ученых. В целом инженерно-геологические методы позволяют получать информацию о состоянии фунтов и экзогенных геологических процессов, обрабатывать эту информацию и на базе АИС составлять и перманентно вести математические прогнозные модели изменения геологической среды, которая определяет в значительной степени геоэкологические условия территории.
44
Вопросы для проработки темы
Цель проведения и основные задачи выполнения инженерногеологической съемки.
С какой целью проводятся климатические исследования? Опишите состав гидрологической информации.
Для чего выполняются почвенно-ботанические исследования? Какие инженерно-геологические задачи решает изучение гео-
лого-тектонических условий?
Цель проведения и состав информации в геоморфологических исследованиях.
Какие характеристики подземных вод изучаются при проведении гидрогеологических работ?
Основные задачи инженерно-геологических исследований? Какие виды работ входят в состав геоэкологических исследо-
ваний.
Географические методы
При выполнении экологических исследований используется большой комплекс географических методов.
Основным методом географии является метод описаний. Географическое описание, во-первых — один из результатов исходного этапа географического анализа территории, этапа сбора фактического материала и его первичного или эмпирического обобщения. Во-вторых, географическое описание территории — результат обобщения приведенных ранее исследований, причем ученых не одного поколения. Описание призвано отвечать на три вопроса: «Где расположено?», «На что похоже?», «Каков смысл географического явления?».
Одной из первых форм географических описаний было эмпирическое, дававшее характеристику окружающего мира. Характерным примером такого описания являются землеописания путешественников.
Современные методы географического описания могут быть комплексными и целевыми (проблемными). К комплексным мето-
дам относятся ландшафтные описания местности и экологогеографические описания территории.
Исходя из целей изучения объекта (территории), которые обуславливают принципы и способы отбора информации, выделяются целевые описания.
45
Кроме этого, принято различать описание элементарного при-
родно-территориального комплекса (географической фации) и фи- зико-географическое описание территории разного уровня (региона, провинции, ландшафта и т.д.).
Географическая фация как элементарный природно-террито-
риальный комплекс занимает один элемент микроформы рельефа, имеющий идентичное геолого-гидрогеологическое строение и характеризующийся однородностью микроклиматических условий. В пределах географической фации размещается одна растительная ассоциация на элементарной почвенной разности. Таким образом, географическая фация является генетически однородным элементом географического описания. Примером фаций могут служить понижения поверхности высокой поймы, сложенные супесчаными иловатыми суглинками и покрытые влажнотравно-злаковыми лугами на дерново-глеевых почвах.
Физико-географическое описание ландшафта значительно отличается от описания географической фации. Ландшафт это относительно однородный в генетическом отношении комплекс, представляющий собой закономерное сочетание более мелких при- родно-территориальных комплексов. Следовательно, в описании ландшафта должна отражаться неоднородность территории, а само описание в отличие от фации имеет меньшую «детальность».
Кроме ландшафтных описаний существуют комплексные эко- лого-географические и экономико-географические описания территории, например конкретного территориально-промышленного комплекса. Такое описание построено на целостном системном изучении объекта и отражает его наиболее характерные особенности, как строения, так и функционирования.
Сравнительно-описательный метод, который широко приме-
няется для выявления и описания районов-аналогов. Метод является основой районирования территории и выполнения различных прогнозно-диагностических задач экологической направленности.
В настоящее время практически для всех методов географических описаний разработано формализованное представление данных, позволяющее хранить и обрабатывать материалы на ЭВМ, а также сопоставлять данные исследований, выполненных разными специалистами в разное время.
Формализация географических описаний позволяет использовать их результаты для моделирования и прогнозирования изменений, происходящих с природно-территориальными комплексами и
46
другими объектами географической науки. Полученные прогнозы являются базой для любых экологических исследований.
При проведении экологических исследований широко исполь-
зуются гидрометеорологические методы. Гидрометеорология — раздел географической науки изучающий атмосферу и гидросферу, их состав, свойства и протекающие в них физико-химические процессы. Кроме изучения процессов и явлений, происходящих в гидросфере и атмосфере, в задачи гидрометеорологии входит установление закономерностей и прогнозирование их развития, а также определение возможностей управления ими.
Основными задачами гидрометеорологических исследований являются:
наблюдения за состоянием природной среды;
обеспечение народного хозяйства информацией о текущем
иожидаемом состоянии природной среды, прогнозами возникновения опасных гидрометеорологических явлений и уровней загрязнения окружающей среды;
проведение работ по активному воздействию на гидрометеорологические процессы иявлениявинтересахнародного хозяйства;
учет количества вод и ведение водного кадастра;
создание фонда данных о состоянии природной среды. Гидрометеорологическая информация включает данные о коли-
чественных характеристиках окружающей природной среды, например: температура воздуха, воды, почвы, скорость ветра у земли и на высоте, уровни воды рек, морей и др. На практике используется два вида гидрометеорологической информации. Первый вид — это полученные в результате непосредственных измерений значения параметров среды, необходимые при эксплуатации народнохозяйственных объектов и составлении гидрометеорологических прогнозов, а также прогностические характеристики, используемые в процессе управления предприятиями. Второй вид — это вычисленные по данным наблюдений характеристики природной среды, необходимые при народнохозяйственном планировании и прогнозировании.
Опорная сеть гидрометеорологических станций служит основной базой для дачи прогнозов погоды, гидрологических прогнозов и др. Наблюдения на опорной сети ведутся постоянно. Гидрометеорологические станции дают информацию: о скорости и направлении ветра; гидрологическом режиме поверхностных водоемов, температуре воды, воздуха, почвы, глубинах водоемов, скоростей течения и колебания уровня воды.
47
Рассмотрим методы и технические средства, используемые в гидрометеорологии для получения основных характеристик параметров природной среды, необходимых при проведении геоэкологических исследований.
Методы и средства измерения параметров ветра. При про-
изводстве приземных метеорологических наблюдений измеряются: средняя скорость ветра, как правило, за 10 минут; максимальное значение за этот же интервал времени (скорость ветра при порывах); направление ветра; максимальная скорость ветра между сроками. Направление ветра усредняется современными приборами за 10 минут, а при отсутствии этих приборов определяется визуально — по непосредственному наблюдению его изменения, поэтому осреднение направления производится за 2 минуты. Если на станции нет прибора с автоматическим осреднением скорости ветра за 10 минут, то и скорость ветра приходится усреднять по непосредственным наблюдениям за ее изменением. Такое осреднение применяется при определении скорости и направления ветра по флюгеру.
Для измерения скорости ветра применяются приборы, основанные на преобразовании энергии ветрового потока в механическое вращение различного рода вертушек, ветровых колес или воздушных винтов и определении скорости вращения этих агрегатов — такого рода устройства для измерения скорости ветра называются вращательными анемометрами.
Анемометры обычно подразделяют на анемометры с вертикальной осью вращения и анемометры с горизонтальной осью вращения. К этой же группе приборов относятся термоанемометры, акустические (ультразвуковые) анемометры, ионизационные анемометры и другие, каждый из которых основан на воздействие ветра на температуру нагретого тела, скорость распределения звука или перенос ионизированных частиц. Все эти приборы измеряют скорость воздушного потока.
Другую группу приборов составляют устройства, измеряющие силовые воздействия воздушного потока на различные тела: пластины, шары, цилиндры и другие. За этими устройствами не установилось какого-либо обобщенного названия, но они принципиально отличаются от анемометров тем, что в результате измерения непосредственно получается сила ветра, которая зависит от плотности воздуха. К таким приборам относится флюгер Вильда, широко применявшейся на сети.
К этой группе примыкают и приборы, измеряющие непосредственно динамическое давление ветрового потока. Они составляют
48
группу манометрических ветроизмерительных приборов. Прибором такого типа является ураганомер.
Для измерения направления ветра в большинстве случаев применяются различные флюгарки, вращающиеся вокруг вертикальной оси и устанавливающиеся в потоке под воздействием ветра на ее хвостовую часть.
В отдельных случаях (на полевых посадочных площадках для сельскохозяйственной авиации) употребляется ветровой конус. Материя натягивается широким конусом на металлическое кольцо, которое свободно вращается по вертикальной оси. Наполняясь ветром, конус поворачивается по потоку. Флюгер дает возможность измерять среднюю скорость ветра до 20—40 м/с, максимальные порывы и направление ветра, максимальные значения скорости ветра и характеристику его порывистости.
Анемометры и флюгеры устанавливаются на метеорологической площадке, в северной ее части. На всех наблюдательных станциях принята единая высота установки: датчик приборов располагается на высоте 10—12 м от поверхности земли. Приборы ориентируются на географический север.
Производство наблюдений по флюгеру достаточно хорошо известно и сложности не представляет. Единственно, что надо помнить и соблюдать — это необходимость строгого учета времени наблюдений: 2 минуты — за направлением ветра и 2 минуты — за скоростью. Что касается анемометра, то при измерениях надо быть особенно внимательным. Первое, что надо выполнять — это как можно точнее соблюдать установленное время измерений ветра в срок: средняя и максимальная скорость в интервале 15—5 минут до срока, то есть от 45 до 55 минут предшествующего часа, направление отсчитывается после возвращения с метеоплощадки. Затем, результаты измерений параметров ветра записываются в книжке наблюдений.
Измерение температур воды, воздуха, почвы. Прибором для измерения температуры воды является родниковый термометр, шарик которого защищается набивкой из материала с малой теплопроводностью. Такой термометр воспринимает температуру воды, в которую опущен, в течение 2—3 минут; после того как термометр вынут из воды, температура не изменяется в течение некоторого промежутка времени, вполне достаточного для производства отсчетов. Деление шкалы водных термометров 0,2 или 0,5 градуса.
Приборов для измерения температур воздуха и почв достаточно много, однако наибольшее применение имеют:
49
жидкостные термометры, действие которых основано на измерении объема жидкости при изменении температуры;
деформационные термометры, действие которых основано на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры:
термометры сопротивления, действие которых основано на изменении электропроводности тел с изменением температуры;
термоэлектрические термометры, действие которых основано на изменении электродвижущей силы термоэлементов при изменении разности температур спаев.
В практике наибольшее применение имеют стеклянные жидкостные термометры. При изменении температуры жидкостным термометром производится наблюдение видимого изменения положения мениска жидкости в капилляре термометра, который соединен с резервуаром. При изменении температуры изменяется объем жидкости. Но с изменением температуры термометра изменяется также и объем резервуара термометра. Эти изменения действуют противоположно друг другу. При повышении температуры объем жидкости в резервуаре увеличивается и уровень ее в капилляре повышается, но расширение самого резервуара несколько уменьшает увеличение объема жидкости. Наблюдаемое изменение уровня жидкости в капилляре термометра отражает разность изменений объемов жидкости и резервуара.
Термометр принимает температуру среды не мгновенно: он обладает некоторой инертностью. Возможная точность отсчета по шкале термометра определяется его чувствительностью к изменению температуры среды. Чем больше чувствительность термометра, тем больше точность отсчета по шкале. Характеристикой чувствительности является длина в миллиметрах одного градуса шкалы.
Жидкостные термометры бывают следующие:
термометр психометрический ртутный — используется для определения температуры и влажности воздуха;
термометр спиртовой низкоградусный — используется для определения температуры воздуха ниже 35° С;
термометр ртутный метеорологический — используется для измерения температуры поверхности почвы или снежного покрова.
Промеры глубин имеют целью выяснение рельефа дна и встречающихся в русле препятствий для судоходства: перекатов, мелей и т.п.
50