Урбогенный морфолитогенез: инженерные связи и управление

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Нет сомнений, что развитие человечества в последние столетия вышло на уровень глобального преобразования, что позволило еще в 1902 г. Д.Н. Анучину выделить антропосферу, как результат этого процесса на поверхности Земли [3], В.И. Вернадскому расширить понимание влияния человека на природу до ноосферы [4], а к концу XX в. перейти к вполне определенным временным рамкам этого воздействия в форме начала новой геологической эпохи – антропоцена [19]. В то же время, вполне понятно, что антропосфера – продукт эволюции биосферы, стадия ее развития, равно как и следующий этап – ноосфера [18]. В этом контексте авторы рассматривают город в целом, как новое биосферное образование с повышенной концентрацией населения, резко дифференцированным составом биотических, биокосных и косных компонентов и весьма интенсивной их динамикой и взаимодействием, т.е. как морфодинамическую систему с характерными (присущими) только ей процессами осадконакопления, выветривания и почвообразования, химического преобразования естественных и искусственных грунтов; как природно-территориальный комплекс, структуру которого определяет сочетание водных, биогенных, морфолитогенных подсистем природного, природно-антропогенного и антропогенного свойств [2].

Главенствующую роль в функционировании природной морфолитосистемы играют процессы влагообмена (водообмена) и механического переноса минерального вещества литодинамические потоки [15]. Функционирование определяется внешними воздействиями и внутренними возможностями системы, в том числе ее морфологической структурой.

Городская территория Москвы характеризуется большой глубиной изменений природной среды под воздействием разнообразных техногенных нагрузок, интенсивного замещения природных комплексов урбокомплексами. Москва в 2012 г. за счет присоединения на юго-западе большой территории Московской области увеличилась по площади более, чем в 2 раза. И на этой огромной территории идет активное преобразование природного комплекса [1]. Здесь возникли и возникают своеобразные зоны с экстремальными экологическими условиями, с новым типом связей в экосистеме и не контролируемым режимом водообмена, в том числе под влиянием инфраструктуры метрополитена.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Геоморфологический анализ направлен на оценку и прогноз рельефообразующих процессов; взаимосвязей между рельефом и инженерными сооружениями (оценку устойчивости), а также установление оптимального уровня техногенной нагрузки на геоморфологическую систему (обеспечение устойчивости). Особое место занимают исследования связей между современным, погребенным рельефом и современными рельефообразующими процессами, с одной стороны, между архитектурным рельефом и инженерной деятельностью человека с другой [2, 9].

Основной концептуальной позицией является представление, что в целом антропогенный морфолитогенез — инженерно-управляемая совокупность процессов формирования, трансформации и адаптации рельефа и поверхностного слоя горных пород (скального или рыхлого субстрата) с заданными свойствами и морфолитодинамическими связями. Возникающая при этом антропогенно-геоморфологическая структура (система) может функционировать только при наличии системы управления, которая представляет собой совокупность мероприятий по организации и регулированию природо-преобразующей деятельности общества. В данном случае управление можно рассматривать и как “руководящую структуру” в системе природопользования и, что важнее, как механизм, регулирующий использование природных ресурсов. В этом случае можно говорить об инженерно-динамическом управлении.

Логика исследования заключается в следующем: антропогенный фактор – существенный природный (синтетический биофизикохимический) компонент – “участник” морфолитогенеза, изменяющий (корректирующий) историко-генетическую направленность развития рельефа и природных условий в целом, что позволяет определить его взаимодействие с другими агентами рельефообразования, как антропогенно-геоморфологический цикл. В данном случае “цикл” следует понимать, как совокупность явлений, процессов, определяющих кругооборот вещества и энергии в течение определенного промежутка времени. На рис. 1 показан алгоритм (последовательность) цикла формирования гео-экологических условий городской территории: изменение природного рельефа и геологической среды → создание инженерных сооружений → → трансформация экзогенного морфолитогенеза и формирование антропогенного → возникновение и формирование урбогенного ландшафта и биогеоценозов, где деятельность человека (людей-общества) — биоактивного участника формирования городской среды и литогенеза, в частности, играет важную роль.

 

Рис. 1. Схема формирования геоэкологических условий и проблем городских территорий – морфодинамической организованности.

 

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ

Прежде всего, сформулируем наше представление о правилах (структуре) модели управления. Алгоритм управления может быть представлен в следующем общем виде:

анализ → оценка → организация/конструирование → → мониторинг → регулирование и регламентация.

Анализ состояния и свойств природной геоморфологической системы направлен на выявление рисков существования инженерно-технического сооружения, как части системы, а также рисков и опасности разрушения природной компоненты – основы антропогенно-геоморфологической системы.

Оценка способности (возможности) антропогенно-геоморфологической системы выполнять определенные хозяйственные заданные функции: условий и сложности строительства; воздействия природных компонентов на инженерные сооружения и сооружений на состояние геоморфологической системы и на устойчивость антропогенно- геоморфологической системы в целом.

Организация (конструирование) и регламентация рационального взаимодействия между техногенными и природными компонентами системы: выбор оптимального варианта с целью сохранения структуры саморегуляции, создания устойчиво функционирующей антропогенно-геоморфологической системы.

Целенаправленное регулирование и предупреждение отрицательных последствий для существования антропогенно-геоморфологической системы на основе мониторинга и динамического моделирования.

Наблюдения (мониторинг) должны осуществляться специальными организациями в пределах границ антропогенно-геоморфологических систем, установленных в результате проектирования с учетом количества осадков, площади водосборов, источников загрязнения и пр. На основе свойств проектируемой антропогенно-геоморфологической системы разрабатываются инженерные водонесущие сети, и определяется режим их работы и контроля функционирования. Несмотря на проводимые наблюдения, компоненты инженерного управления далеко не всегда справляются с задачами предупреждения отрицательных последствий развития данного процесса. Прежде всего, не учитываются изменения площади водосборного бассейна из-за застройки, закрытости территории, изменения морфологических и морфометрических параметров рельефа и свойств субстрата (уплотнение, искусственное покрытие и пр.) [5, 12].

Обозначенный алгоритм управления в своих отдельных частях используется при проектировании, строительстве и функционировании инженерных сооружений и даже реализуется на законодательном уровне руководящих документов (СНиП, СП). Однако на каждом “шаге” существуют свои пробелы, недочеты, и, в целом, отсутствие связанного природно-технического пространственно-временного комплексного подхода, а в результате следуют катастрофы и спонтанные восстанавливаемые или необратимые перестройки структуры природно-антропогенной системы. Наиболее слабым звеном является неизученность парагенетически взаимосвязанных процессов, интенсивность которых определяется большим числом показателей и характеристик как природных, так и возникающих инженерных связей. В подавляющем числе случаев отсутствует и научно-обоснованная оценка ситуации и тенденций изменения состояний природных, трансформированных природно-техногенных, техногенных компонентов/элементов системы. При анализе данных мониторинга часто не хватает информации для долгосрочных прогнозов. На помощь призваны динамические модели, которые тоже частично построены на логических выводах, а не на количественных данных. Однако логика научных построений все же позволяет сделать прогностические построения и опережающее управление более убедительными. В том числе и предложить преобразования в системе мониторинга, в частности, наблюдений наиболее динамичных и наименее изученных гидрогенных связей.

Гидрогенные связи и процессы в значительной мере определяют состояние и функционирование антропогенно-геоморфологической системы, и процессы антропогенного морфолитогенеза. Они осуществляются и поверхностными, и подземными водами.

Рассмотрим лишь один тип гидрогенных связей – поверхностный (плоскостной) смыв, который является одним из звеньев оборота воды на поверхности Земли (рис. 2). С этим процессом связаны перемещения воды по поверхности, твердых и взвешенных (влекомых) наносов, химическое и биологическое загрязнение, процессы изменения морфометрических и морфологических характеристик склонов (в том числе и провоцируемые интенсивным смывом процессы эрозии, сели, оползни), формирование делювиальных отложений, но нередко и геопатогенных зон. В процессе антропогенного морфолитогенеза кроме атмосферных осадков участвуют техногенные воды: полив улиц и зеленых насаждений, технические воды. В структуру инженерного управления входят: мелиоративные и дренажные системы, водопропускные и водоотводные сооружения, системы орошения, ливневая канализация, фильтры и пруды-отстойники, механическая очистка. И технические воды, и механические загрязнители поверхности, и биохимические загрязнители грунтов остаются не учтенными в структуре мониторинга. Включение этих характеристик даже на качественном уровне в логическую модель управления позволит принять решения как об инженерных изменениях в структуру управления, так и о внедрении в практику более эффективных систем химической и биологической очистки водных потоков и делювиальных отложений. И, соответственно, поставит на повестку дня научные исследования этого процесса – антропогенного поверхностного сноса.

 

Рис. 2. Схема водообмена на урбанизированной территории: путь атмосферных осадков [2].

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Город, как природно-территориальный комплекс, сохраняет согласно закону динамического равновесия способность к саморегулированию — сохранять в процессе функционирования состояние, режимы и связи между компонентами.

Механизмы саморегулирования можно представить в схематическом виде. В каждом варианте функционирование осуществляется за счет определенной группы системных связей.

Морфологические связи. Прямые техногенные трансформации рельефа → изменения скорости и направленности геоморфологических процессов → изменения состава грунтов → косвенные изменения рельефа (восстановление равновесия) → корректирование созданного техногенного рельефа и направленности естественного развития рельефа.

Морфодинамические связи. Изменение условий рельефообразования → изменение направленности естественных рельефообразующих процессов → изменения морфолитогенеза → косвенные изменения рельефа → коррекция развития.

Морфоструктурные и морфодинамические связи. Воздействие на литогенную основу → изменение грунтов → активизация геологических процессов → косвенные изменения рельефа → изменение геоморфологических условий.

Наибольшие изменения геоморфологических условий происходят обычно в долинах рек. Здесь изменяется не только морфологический облик и морфометрические характеристики, но и направленность рельефообразующей деятельности реки: нарушается процесс формирования ее поймы и русла, что вызывает нередко катастрофические явления ниже по течению, приводит к существенному изменению гидрогеологических и геоморфологических условий.

Выравнивание поверхности, уничтожение микрорельефа, снижение уклонов, уменьшение глубины и густоты расчленения приводят к снижению энергии рельефа и упрощению структуры водосборных бассейнов. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение склонового транзита, поверхностного стока, естественной эрозии; возникают условия для перенасыщения грунта талыми, дождевыми водами, для появления новых водоносных горизонтов и суффозионно-механических просадок поверхности и провалов [12, 13, 16, 17].

Механизмы саморегулирования приводят, в конечном итоге, к преобразованию природной морфолитосистемы в урбогенную.

Важным доказательством преобразования и свидетельством перехода морфолитосистемы в другой тип является подтопление. Об этом негативном и неизбежном изменении экологических условий (в том числе и гидрогеологических) предупреждал еще полвека назад Ф.В. Котлов [7, 8].

Факты и причины, на основании которых можно говорить о переходе городской территории в гидро-био-геоморфологическую геосистему (на основе данных по Москве):

• увеличение количества осадков с 600 до 700 мм/год;
• ранее наблюдались разливы Москвы-реки и затопление поймы. В настоящее время сток реки зарегулирован, но наблюдаются разливы/затопления во время сильных ливней за счет существенной закрытости территории (асфальт и застройка) и недостаточной пропускной способности ливневой канализации;
• активизация карстово-суффозионных процессов, образование поверхностных провалов, чему способствует изменение уровня подземных вод, загрязнение водоисточников;
• увеличение площади участков со слабыми грунтами за счет распространения процессов техногенного морфолитогенеза на глубину до 20 м;
• осушение болот и их мелиорация сопровождаются появлением подтопленных участков с развитием процессов оглеения (около 45% площади города);
• на закрытой территории поверхностный смыв не наблюдается, но на открытой может быть в 10—40 раз больше естественного смыва;
• заполняются естественные и искусственные водоемы, ливневая канализация и заключенные в трубы канализированные погребенные русла малых рек;
• повышение уровня подземных вод на большей части города, увеличение обводненности грунтовой толщи способствуют активизации оплывинно-оползневых процессов;
• формирование прудов-отстойников, полей орошения — искусственных заболоченных участков с биологическим загрязнением.

Обработка данных стационарных (режимных) наблюдений уровней грунтовых вод, проведенная А.Н. Маккавеевым и Д.В. Федоровичем [10, 11], показала, что процессы, управляющие формированием многолетнего режима уровня грунтовых вод в естественных условиях, на урбанизированной территории сильно трансформированы, а именно уменьшается динамичность (размах) многолетних колебаний уровней, нивелируются сезонные ритмы. Существенное влияние на гидрогеологическую обстановку оказывают такие антропогенные процессы, как потери в коммуникационных сетях, засорение ливневой канализации в летнее время и уборка снега в зимнее. В условиях плотной застройки колебания уровней часто определяются литологическим строением четвертичных пород и наличием насыпных техногенных грунтов. На старозастроенных территориях отмечается некоторая стабилизация уровней грунтовых вод. Но точечная застройка, реновация жилья, строительство подземных сооружений метрополитена существенно изменяют гидрогеологическую ситуацию. Подтопление по-прежнему остается наиболее негативным социально-экономическим последствием урбанизации.

На основе многолетних исследований геоморфологии городских территорий, в частности Москвы, можно выделить основные признаки антропогенного морфолитогенеза урбанизированных территорий.

Формирование городской геологической среды определяется наличием нетипичных (для природной экосистемы) условий:

• мульд оседания земной поверхности, возникающих в результате комплексного влияния откачек подземных вод, статических и динамических нагрузок (от нескольких сантиметров до нескольких метров);
• новой структуры поверхностного и подземного стока, обусловленной изменением режима грунтовых вод и их физико-химических свойств, истощением подземных вод; средняя величина питания грунтовых вод за счет утечек из коммуникаций равна 200–250 мм/год, что увеличивает объем питания техногенно-погребенных рек в 2–3 раза [13];
• зон урбогенного гипергенеза с преобладающим развитием зональных процессов выветривания (выщелачивания и окисления), процессов почвообразования с нетипичными образованиями вторичных минералов, органоминеральных новообразований и зон концентрации “загрязнений” геопатогенных зон [6]. В зоне урбогенного гипергенеза происходит активизация процессов химического и физического выветривания за счет повышения агрессивности подземных вод, изменения их режима, развития суффозионно-просадочных явлений и карста, гниения органических остатков, возникновения геофизических полей, развития геопатогенной микрофлоры и возникновения геопатогенных зон;
• геопатогенных зон. Возникли новые гидрогеологические и геохимические условия за счет инфильтрации загрязненных поверхностных вод и утечек из водонесущих коммуникаций и общего повышения уровня грунтовых вод; изменился и состав грунтов за счет техногенных отложений, внедрений строительных конструкций и различных коммуникаций, а также хранилищ разного рода химических препаратов (и удобрений в том числе), которые представляют опасность для жизни людей;
• необратимых изменений геохимических и геофизических свойств грунтов на территории; интенсивная переработка природного материала и синтез новых, неприродных материалов существенно изменяют санитарно-гигиеническую обстановку среды жизни людей.

Проведенный авторами корреляционный анализ геолого-геоморфологических характеристик для наиболее урбанизированной центральной части Москвы показал, что природные зависимости частично утрачены, а мощность техногенных отложений практически не зависит от морфометрических характеристик и литологического состава четвертичных отложений [14].

Техногенная нагрузка на природную среду с каждым днем увеличивается. Полученные количественные данные все время меняются, но все равно остаются весьма значительными. О мощности воздействия на геологическую среду можно судить по глубине заложения линий метрополитена. Наибольшая плотность станции метрополитена приурочена к центральному округу Москвы. Их больше 40! Соответственно, в геологической среде множество инженерных конструкций, в том числе и водонесущих коммуникаций, которые придают толще отложений новые физико-химические, инженерные-геологические и экологические свойства природной морфолитосистемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Урбогенный морфолитогенез характеризуется комплексом процессов денудации-аккумуляции, выветривания и почвообразования, существенно отличающимися от регионального типа морфолитогенеза преобладанием органоминеральных и синтетических компонентов в геологической среде, наличием техногенных физических полей и геохимических аномалии (биохимических и физико-химических полей), а также архитектурными (инженерными) преобразованиями. Урбогенный морфолитогенез — процесс формирования и функционирования антропогенно-геоморфологической системы и урбогенного биогеоценоза.

Антропогенное (техногенное) воздействие априори рассчитано на согласованное развитие природного комплекса и созданной “второй природы”. Природный каркас ландшафта (геосистемы) используется в качестве основы для урбогенного развития и при этом частично уничтожается, преобразуется и встраивается в инженерно-строительный каркас. Интеграция природной и инженерно-строительной структуры в условиях интенсивного биогенного и техногенного воздействия определяет морфодинамическую организованность городской территории урбогенной морфолитосистемы. При этом природные процессы развиваются не только под “руководством”, но и вне зависимости от этого преобразовательно-созидательного воздействия. Можно (с определенной долей оптимизма) говорить о саморазвитии геолого-географической среды городской территории.

Геоморфологический каркас организует поверхностный и подземный сток в водосборные бассейны. Инженерно-строительный каркас и техногенные водонесущие коммуникации объединяют, загрязняют, смешивают воды разных водосборных бассейнов и геоморфологических районов, концентрируют стоки в каком-либо одном месте, не всегда связанном со структурой природных бассейнов. За счет перестройки связей и границ нередко происходит слияние разнородных геоморфологических систем, в том числе биогеоценозов; поглощение и трансформация существующих и возникновение на их месте природно-антропогенных систем с унаследованными, или чаще, “природоподобными” свойствами и структурой.

Работа выполняется по темам госзаданий ИВП РАН FMWZ-2025-0002 и ИГ РАН FMWF-2024-0005.

Об авторах

Э. А. Лихачёва

Институт географии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: likhacheva@igras.ru
Россия, Старомонетный пер., 29, Москва, 119017

И. В. Чеснокова

Институт водных проблем Российской академии наук

Email: ichesn@rambler.ru
Россия, ул. Губкина, 3, Москва, 119333

С. В. Шварев

Институт географии Российской академии наук

Email: sergeyshvarev@mail.ru
Россия, Старомонетный пер., 29, Москва, 119017

Список литературы

Дополнительные файлы