Екологічна безпека техноприродних геосистем (наукові та методичні основи)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО

ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

УДК 502.7 + 55 (477.8)

ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА ТЕХНОПРИРОДНИХ ГЕОСИСТЕМ

(НАУКОВІ ТА МЕТОДИЧНІ ОСНОВИ)

21.06.01 - Екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Рудько Георгій Ілліч

Сімферополь - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державній комісії України по запасах корисних копалин

Науковий консультант: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Адаменко Олег Максимович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, заві-дувач кафедри екології; науково-дослідний інститут техногенно-екологічної безпеки та природних ресурсів, директор (м. Івано-Франківськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, віце-президент Українсько-нафтогазової академії ЯремІЙчук Роман Семенович, факультет нафтогазових технологій Національної академії природоохоронного і курортного будівництва і Національного технічного університету нафти і газу, декан (м. Сімферополь); доктор технічних наук, професор Черваньов Ігор Григорович, кафедра географічного моніторингу та охорони довкілля Харківського Національного університету ім. Каразіна, завідувач кафедри (м. Харків); доктор технічних наук, професор Мальований Мирослав Степанович, кафедра екології та охорони навколишнього середовища Національного університету "Львівська політехніка", завідувач кафедри (м. Львів)

Провідна установа: Національний гірничий університет (м.Дніпропетровськ)

Захист дисертації відбудеться 24.06.2005 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 52.079.03 в Національній академії природоохоронного і курортного будівництва, за адресою: 95000 м. Сімферополь, вул. Київська, 181

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національної академії приро-доохоронного і курортного будівництва, за адресою: 95000 м. Сімферополь, вул. Київська, 181

Автореферат розісланий 20.05.2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент О.І. Пашенцев

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В техногені, тобто в період коли діяльність людини є вирішальним фактором в процесі трансформації геологічного і суміжних середовищ, на чільне місце виходять методологічні засади екологічної безпеки в межах системи „людина - геологічне середовище”. Загальна тенденція розвитку цивілізації тільки загострює проблему боротьби за ресурсний потенціал геологічного і суміжних середовищ.

Виходячи з вищевикладеного об'єктом наукового дослідження є геологічне та суміжні середовища в межах техноприродних геосистем (ТПГ) з точки зору чинників, які характеризують ресурсний потенціал території з метою розробки технічних рішень для впровадження оптимізаційних заходів.

Як об'єкт дослідження геологічне середовище в межах ТПГ розглядається з позицій наступних основних ресурсних функцій.

1. Ресурсної, як мінеральної основи біосфери (ландшафтного комплексу літосферного простору). Кожен ландшафтний комплекс має свою міру вартості, яка змінюється в залежності від ресурсних, економічних та екологічних чинників.

2. Ресурсної, як корисних копалин для забезпечення сировинно-енергетичних проблем суспільства. Геологічне середовище є основним постачальником енергетичних ресурсів. Кожен тип корисних копалин має відповідну цінову вартість, включаючи чинники екологічної безпеки, яка характеризує рентабельність розробки родовища.

3. Ресурсної, як літосферного простору для будівництва інженерних споруд і комунікацій. З використанням геологічного простору, як ресурсу пов'язана значна кількість аварій і катастроф, обумовлених природними та техноприродними геологічними процесами.

Будь-який тип літосферного простору має свою вартість, яка характеризується відношенням ринкової вартості геологічного середовища до затрат на безпечне функціонування техноприродної геосистеми. В Україні проблема екологічної безпеки техноприродних геосистем має надзвичайно велике значення, оскільки функціонування ТПГ в межах колишнього СРСР було орієнтовано на екстенсивне виробництво із відповідною його технологією. В перехідний період економіки, в незалежній Україні, наукова основа екологічної безпеки ТПГ розроблена вкрай недостатньо, що і обумовило мету роботи.

Предметом наукового дослідження є екологічна безпека техноприродних геосистем, яка досягається шляхом реалізації методологічних принципів, технологічних засобів та технічних рішень в межах цих систем, з позицій керованого контролю геологічними процесами: геодинамічними, ландшафтно-геохімічними, гідрогеологічними, радіологічними та геофізичними.

Екологічна безпека техноприродної геосистеми - це такий її стан в межах розрахункового періоду, який забезпечує функціонування системи в режимі, що виключає порушення гомеостазису. Такими властивостями характеризується будь-яка з геологічних систем: людина-геологічне середовище (техногенний об'єкт - геологічне середовище), які розглядалися нами як техноприродні геосистеми різного об'єму, функціонального призначення та оптимального періоду функціонування.

Якщо стан техноприродної системи параметризувати до головних її чинників, то вона набуде такого вигляду:

(1)

де, Кб - коефіцієнт екологічної безпеки; W Рес - вартість ресурсного потенціалу, в рамках відповідного часу (t); V - об'єм геологічного простору, який є просторовою складовою частиною геосистеми; P - природна організація геологічного середовища (тип геологічного середовища); T - техногенний вплив на геологічне середовище; ГП - геологічні процеси в межах геосистеми та її стан в умовах оптимального функціонування; КС - чинники критичного стану геосистеми; V (P) - об'єм геологічного середовища, який знаходиться в межах природної організації геосистеми; V (Т) - об'єм геологічного середовища, який знаходиться в межах впливу техногенної складової геосистеми; Рес. - ресурсний потенціал геологічного і суміжних середовищ.

У територіальному відношенні екологічна безпека геологічного середовища (ГС) може бути розрахована в межах техноприродних геосистем територіально-адміністративних комплексів: (країна, область, район); функціонально-виробничих комплексів (гірничопромислові, нафтогазові, гідротехнічні, енергетичні та інші), промислово-міські агломерації (ПМА), і т. п.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота носить науково-узагальнюючий характер і є науковим узагальненням робіт, пов'язаних з тематиками Геологічної служби України, де автор був науковим керівником, відповідальним виконавцем та досліджував теми: "Аналіз і узагальнення матеріалів еколого-геологічних досліджень з метою адаптації методики робіт стосовно умов території діяльності державного геологічного підприємства "Західукргеологія" (тема У-97-87/6); "Підготовка вихідних матеріалів для розробки автоматизованих баз даних хімічного складу підземних вод" (тема 39-91-41/26); "Складання гідрогеодинамічних карт масштабу 1:200 000 по території Львівської, Тернопільської, Івано-Франківської та Чернівецької областей" (тема 39-87-65/82); "Розробка автоматизованих баз даних по забрудненню підземних вод" (У-94-42/27); "Розробка автоматизованих баз даних по геохімії ґрунтів і порід" (У-94-74/16); "Оптимізація мережі та методики спостережень за режимом підземних вод в межах території діяльності ДГП "Західукргеологія" шляхом дешифрування космоаерознімків" (тема У-94-72/11); "Створення баз даних карстонебезпечних та зсувонебезпечних зон України" (тема 1213.15-97); "Оцінка екологічного стану геологічного середовища Червоноградського гірничодобувного району і умов водопостачання населенню"; "Оцінка екологічного стану довкілля Стинавського нафтового родовища та розробка рекомендацій щодо природоохоронних заходів"; "Картування зсувонебезпечних територій та складання великомасштабних картосхем зсувних процесів у Львівській області з виділенням найбільш небезпечних ділянок”. Автор виконував наукові тематики Міністерства освіти і науки України, в тому числі в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу: "Розробка наукових основ екологічної оцінки та впровадження нетрадиційних джерел енергії в Карпатському регіоні" (тема Д-47/1); "Наукові і методичні основи прогнозу геодинамічних процесів безконтактним методом природного імпульсивного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) на об'єкти нафтогазового комплексу" (тема Д-47/2). У Львівському національному університеті ім. І. Франка: „ Наукові і методичні основи регіонального екологічного моніторингу геологічного і суміжних середовищ Львівської області”; „Наукові і методичні основи екологічної безпеки геологічного і суміжних середовищ”. За тематикою інституту геологічних наук НАН України дисертант був науковим керівником і відповідальним виконавцем тематик: „Розробка системи протипаводкового захисту на території Закарпатської області”; „Захист автомобільних доріг України від зсувів і селів”; „Активізація небезпечних геологічних явищ у Закарпатті як наслідок екстремальних паводків”, а також Міністерства з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи тема: „Розробка комплексної цільової програми протизсувних заходів на території України”, та інші.

Мета роботи і задачі дослідження: методологія вирішення важливої наукової проблеми шляхом розробки та наукового обґрунтування екологічної безпеки техноприродних геосистем в межах відповідних типів геологічного середовища для вирішення оптимізаційних завдань технічного та технологічного напрямків.

Обґрунтувати наукові та методичні основи екологічної безпеки техноприродних геосистем в межах геологічного та суміжних середовищ.

Розробити методологію оцінки екологічної ємності геологічного середовища для різних його типів в межах техноприродних геосистем.

Розробити методологію оцінки екологічної безпеки регіональних техноприродних геосистем.

Науково обґрунтувати екологічну безпеку техноприродних геосистем “людина -геологічне середовище” в умовах екологічних аварій і катастроф.

Науково обґрунтувати та практично реалізувати детерміновані моделі стану системи “людина - геологічне середовище” з точки зору оцінки здоров'я населення при взаємодії з техногенно порушеним геологічним середовищем.

На захист виносяться наступні основні положення:

Екологічна безпека геологічного і суміжних середовищ в межах техноприродних геосистем обумовлена типом ГС, механізмом та інтенсивністю розвитку природних і техноприродних геологічних процесів (геодинамічних, ландшафтно-геохімічних, гідрогеологічних, радіоекологічних, геофізичних), які визначають екологічну ємність та стійкість геологічного середовища до техногенних навантажень.

Екологічна безпека геологічного і суміжних середовищ техноприродних геосистем регіонального рівня полягає в науковому обґрунтуванні та реалізації технічних рішень розглянутих в роботі на прикладах гідроресурсів та небезпечних геодинамічних процесах в межах Карпатського регіону України.

Екологічна безпека людини в межах техноприродних геосистем гірничопромислового і нафтогазового комплексу визначається інтенсивністю трансформації стану геологічного середовища в якому відповідні техноприродні процеси обумовлюють спеціалізацію масового захворювання. Це потребує обґрунтування і реалізації техніко-технологічних оптимізаційних рішень по ліквідації негативних факторів впливу на здоров'я людини та довкілля.

Наукова новизна роботи. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в дисертації вперше:

Виконане наукове узагальнення по розробці методології екологічної безпеки техноприродних геосистем (ТПГ) для різних типів геологічного середовища.

Науково обґрунтована екологічна ємність геологічного середовища в межах ТПГ та виконана оцінка екологічних функцій геологічного середовища.

Розроблені наукові основи екологічної безпеки геологічного і суміжних середовищ в межах техноприродних геосистем регіонального рівня.

Науково обґрунтована система екологічної безпеки ТПГ з критичним екологічним станом.

Визначені чинники екологічної безпеки геологічного і суміжних середовищ, як інструмент контролю здоров'я населення та розроблені стратегічні і практичні заходи щодо прийняття технічних рішень по ліквідації небезпечних ситуацій в межах різних типів ГС.

Розроблені наукові основи розрахунку екологічної безпеки та визначення оптимізаційних заходів в межах окремих гірничопромислових та нафтогазових комплексів, платформних і перехідних типів геологічного середовища.

Визначені механізми масового захворювання населення в межах вугільних та сірчаних гірничопромислових комплексів та запропоновані оптимізаційні заходи по виключенню негативного впливу на організм людини небезпечних геологічних процесів.

У дисертаційній роботі отримані наступні результати:

Обґрунтована методологія екологічної безпеки для різних типів геологічного і суміжних середовищ в межах ТПГ.

Розроблені наукові основи оцінки природних і техноприродних ризиків стану ТПГ для обґрунтування оптимізаційних рішень.

Розрахована екологічна специфіка техноприродних геосистем в межах геологічного середовища для різних його типів, обґрунтоване та розкрите поняття “екологічна ємність геологічного середовища”, розглянуті динамічні чинники трансформації геологічного середовища у просторі та часі, механізм і дію його екологічних функцій для розробки і прийняття технічних рішень.

Розроблений науковий підхід до керованого контролю при розвитку екологічних кризових явищ у зв'язку з природними та техногенними процесами, що обумовлюють екологічні аварії та катастрофи. Визначені наукові і технологічні засади виходу із кризового стану.

Складені детерміновані моделі екологічних функцій геологічного середовища в межах техноприродних геосистем різного масштабу, стадії розвитку та цільового призначення з метою реалізації стратегії, тактики, технології та методів технічної оптимізації ТПГ.

Достовірність отриманих автором результатів та висновків підтверджується при реалізації розроблених заходів на практиці.

Практична значимість роботи:

- за результатами виконаних досліджень дисертантом в співавторстві вперше для України та країн СНД видано підручники для вузів "Екологічна геологія", "Екологічне картування", "Екологічний моніторинг геологічного середовища" та ін. Всі перераховані вище підручники мають монографічний характер;

- результати проведених наукових розробок використано для обґрунтування методики державного екологічного картування та концепції екологічної безпеки геологічного середовища. З практичного погляду методологію дисертанта використано під час ліквідації наслідків катастрофічної повені та розвитку зсувів, селів і інших небезпечних геологічних процесів у Закарпатті та Передкарпатті у 1998-1999 p.p.

детерміновані моделі захворюваності населення в зв'язку з впливом екологічних функцій геологічного середовища використано як лікарями, так і органами районних адміністрацій Червоноградського та Яворівського районів та ін., а також для розробки управлінських рішень по ліквідації критичного екологічного стану;

результати комплексних досліджень екологічного стану геологічного і суміжних середовищ Долинського адміністративного району Івано-Франківської області стали основою схеми районного планування та екологічної безпеки;

- результати комплексного дослідження умов екологічно безпечного використання гідроресурсів Карпатського регіону взято за практичну основу відновлення малої гідроенергетики;

- результати крупномасштабного картографування зсувонебезпечних територій використано на рівні обласного управління комунального господарства у Львівській області;

- результати крупномасштабних робіт по оцінці наслідків землетрусу у Вірменії, дозволили практично реалізувати моделі екологічної безпеки сейсмонебезпечних територій техноприродних геосистем м.м. Гюмрі, Діліжан, Спітак та ін.;

- результати практичних робіт в республіці Таджикистан дозволили реалізувати моделі природних небезпек по розвитку сейсмогенних зсувів в межах басейнів p.p. Сурхоб і Вахш, та визначити ступінь екологічної безпеки в межах техноприродних геосистем Нурекської та Рогунської ГЕС;

- результати дисертаційної роботи використано під час викладання дисциплін на геологічному факультеті Львівського національного університету ім. І.Франка ("Моніторинг геологічного середовища", "Охорона та раціональне використання надр", "Техногенно-екологічна безпека та районування геологічного середовища території України", "Моделювання стану навколишнього геологічного середовища", "Розрахунок ризику розвитку геологічних процесів") та на інженерно-екологічному факультеті Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу ("Геолого-екологічне картографування", "Моделювання та прогнозування стану довкілля", "Екологічна геологія", "Екологічна геоморфологія").

Дисертант розробив курс лекцій по основам інженерної та екологічної геології в Київському національному транспортному університеті, та видав по цьому курсу підручник "Основи загальної інженерної та екологічної геології" (в співавторстві з Гамеляком І.П.). Дисертантом розроблено курс лекцій по техногенно-екологічній безпеці і моделюванню та прогнозуванню стану довкілля в Державному екологічному інституті Міністерства екології та охорони навколишнього природного середовища, та виданий підручник "Екологічна безпека і охорона довкілля" (за редакцією проф. Бондаря О.І. та проф. Рудька Г.І.).

В рамках навчальних програм Київського національного університету ім. Т.Шевченка дисертантом розроблені курси лекцій "Гідрогеохімія", "Екологічна гідрогеологія", "Науковий експеримент та методологія його планування".

Основні положення дисертаційної роботи взяті за основу методики екологічної оцінки родовищ корисних копалин Державною комісією України по запасах корисних копалин при їх затвердженні.

Фактичний матеріал, покладений в основу дисертаційної роботи - це самостійно отримані результати наукових узагальнень, методичних розробок, польових досліджень автора в межах різних техноприродних геосистем і типів геологічного середовища колишнього СРСР (Східноєвропейська платформа, Карпатська, Кримська, Кавказька та Памірська гірсько-складчасті області, Алтай, Казахстан та інші), великого об'єму лабораторних досліджень, обробки фактичного матеріалу за допомогою геоінформаційних технологій та фактографічних і картографічних автоматизованих баз даних.

Особистий внесок здобувача. Формування ідеї, мети та задач досліджень, а також розробка теоретичних положень здійснені здобувачем особисто. Експериментальні та прикладні дослідження, їх впровадження проводилися за безпосередньою участю та науковим керівництвом дисертанта. Автору належить ідея, планування та виконання польових експериментальних та лабораторних досліджень, обґрунтування висновків. Практичні рішення щодо управління екологічною безпекою розроблені здобувачем особисто.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались більш ніж на 30 міжнародних та всеукраїнських наукових симпозіумах, семінарах, конференціях. Основні з них: міжнародна науково-практична конференція “Інженерно-геологічне забезпечення надрокористування та охорони навколишнього природного середовища”, Перм, Росія, 1997 рік; міжнародна наукова конференція “Екологічна геологія та раціональне надрокористування. Становлення наукового напрямку та освіти”, Санкт-Петербург, Росія, 1997 рік; міжнародна наукова конференція “Еволюція інженерно-геологічних умов Землі в епоху техногенезу”, Москва, Росія, 1997 рік; "Проблеми техноприродних аварій та катастроф у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів (прогноз, керований контроль, моніторинг, інженерний захист процесонебезпечних територій та інше)", Київ, Україна, 1997 рік; міжнародна конференція “Нормативно-правові аспекти оцінки і прогнозу екологічного стану довкілля адміністративних областей та районів України”, Алушта, Крим, 1997 рік; міжнародна наукова конференція “Аналіз та оцінка природних ризиків у будівництві”, Москва, Росія, 1997 рік; міжнародна науково-технічна конференція “Кризовий та передкризовий стан довкілля як результат техногенного впливу на геологічне середовище і геоморфосферу”, Львів, Україна, 1998 рік. Матеріали дисертаційної роботи неодноразово доповідалися на робочих нарадах Державної геологічної служби України, в обласних адміністраціях Львівської, Івано-Франківської та Чернівецької областей, в Міністерстві з питань надзвичайних ситуацій та захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, в Західному центрі обробки аерокосмічної інформації та екологічного моніторингу та інших установах в період 1999-2004 р.р.

Результати виконаних досліджень доповідались в Угорщині (Державний геологічний інститут), Польщі (Жешувська політехніка, Краківська гірнича академія), в республіці Білорусь та республіці Молдова.

Публікації. Результати дисертації опубліковано у чотирнадцяти монографіях (одна одноосібна), п'яти брошурах (одна одноосібна), 35 статтях у наукових виданнях (8 одноосібних), 21 тезах доповідей (14 одноосібних). Всього по темі дисертації опубліковано 80 робіт.

Структура та об'єм роботи. Дисертація об'ємом 466 стор., 289 стор. тексту, список літературних джерел, який складає 316 назв, 111 рисунків, 7 таблиць, 15 додатків.

техноприродний геосистема геологічний

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми, сформовані мета й задачі дослідження, наведена наукова новизна і практична значимість, а також результати апробації і реалізації основних положень роботи.

Робота складається з трьох частин. Частина перша присвячена науковим основам техногенно-екологічної безпеки геологічного середовища.

Загальний стан екологічної безпеки в Україні є складним. Широке різноманіття чинників природного і антропогенного характеру спричиняють в подальшому ускладнення її стану. Це в значній мірі впливає на довкілля та призводить до погіршення умов життєдіяльності людей. Наведені обставини обумовлюють нагальну потребу комплексного вивчення та розв'язання проблеми екологічної безпеки техноприродних геосистем.

Основи загальної концепції екологічної безпеки викладені у роботах М.Ф.Реймерса, В.І.Данілова-Данільяна, К.Ф.Фролова, В.О.Бокова, А.О.Бикова, Р.М.Кларка, М.Н.Мойсеєва та інших вчених. В останній час поглиблюються та деталізуються знання з різних наукових напрямків: техніко-економічного (Б.М.Данилишин, О.М.Трофимчук, А.Г.Шапар, Є.О.Яковлєв, В.Р.Лозанський, І.А.Шеренков, А.В.Гриценко, І.П.Крайнов, В.М.Шестопалов, М.С.Мальований, А.Б.Горстко та інші), природничого (Г.О.Білявський, І.Г.Черваньов, В.І.Осипов, О.Л.Рагозін, С.К.Шойгу, Є.С.Дзекцер, А.Б.Качинський, Є.О.Яковлєв, О.М.Адаменко, В.Я.Шевчук, В.М.Шестопалов, І.Пригожин, В.А.Котляревський, А.В.Забегаєва, А.В.Лущик, Я.М.Семчук). Екологічна безпека держави розглядається як складова національної безпеки (А.Б.Качинський, В.О.Косовцев та інші). Слід відмітити системно-динамічну концепцію, яка базується на уявленні про інтегровану безпеку (С.І.Дорогунцов, О.М.Ральчук).

В першому розділі "Фундаментальні властивості геологічного середовища та геосистеми" розглянуті фундаментальні властивості геологічного середовища; науково обґрунтовані техноприродні геосистеми, досліджені їхні властивості та виконана типізація; розкрита процедура конструювання та визначені головні властивості техноприродних геосистем; детально розглянуті техноприродні геосистеми геологічної спеціалізації; визначений екологічний аспект взаємодії людини, інженерних споруд і геологічного середовища; в науковому плані досліджені гірничопромислові комплекси, як техноприродні геосистеми.

Наукові основи екологічної безпеки ТПГ базуються на наступних положеннях.

Якщо формалізувати екологічну ємність геологічного середовища в межах ТПГ до рівня алгоритму, то вона може бути описана відношенням:

, (2)

де, Е - ємність геологічного середовища; [V] - об'єм геологічного середовища (ГС); [LS] - літолого-стратиграфічні комплекси геологічного середовища; [t] - тектонічна організація геологічного середовища; [P] - природні умови і фактори стану геологічного середовища; [T] - техногенні умови і фактори стану геологічного середовища; [Heod] - геодинамічні процеси; [Heox] - геохімічні процеси; [Hidro] - гідрогеологічні процеси; [Rad] - радіоекологічні процеси; [Heof] - геофізичні процеси; RP - рівновага системи.

Екологічна ємність геологічного середовища в межах ТПГ визначає його стійкість до впливу природних і антропогенних чинників. Стійкість геологічного середовища може бути формалізована до наступного алгоритму:

(3)

де, СГС - стійкість геологічного середовища; [ПУП] - природні умови геологічних процесів; [ТУП] - техногенні умови геологічних процесів; [ПСГС] - природна стійкість геологічного середовища; [ТЗСГС] - техногенно зумовлена стійкість геологічного середовища.

Екологічна безпека ГС в межах ТПГ визначається такими групами чинників: ризик техногенних аварій та катастроф; ризик впливу на організм забрудненого повітря; ризик впливу на організм забрудненої води; ризик матеріальних втрат при розвитку небезпечних геологічних процесів; ризик негативного впливу на організм ландшафтно-геохімічних, геофізичних та радіоекологічних процесів.

Розрахунок екологічної безпеки ГС в межах ТПГ зведено до матричної основи, яка реалізується наступними процедурами:

Розрахунок екологічної безпеки ГС в межах ТПГ		екологічне районування ОВНС екоаудит		розрахунок ризику техногенного впливу на природні і технічні об'єкти та здоров'я населення різних чинників	(4)

Результат оцінки ризику екологічного стану ГС в межах ТПГ полягає в розробці моделі управління екологічною безпекою ТПГ:

СУ = Ф В П О, (5)

де, СУ - система управління; Ф - функція управління; В - часовий етап управління; П - частина керованого літосферного простору в межах ТПГ; О - організаційний рівень, - знак співставлення.

В другому розділі "Функціонування гірничопромислових та нафтогазових комплексів як техноприродних геосистем" висвітлена функціональна структура техноприродних геосистем, складені алгоритми техноприродних геосистем гірничопромислових та нафтогазових комплексів на стадії конструювання і оптимального функціонування та гірничопромислових комплексів (ГПК) як техноприродних геосистем на стадії ліквідації.

Під ГПК, як техноприродною геосистемою, приймали динамічну сукупність техногенних об'єктів та процесів, спрямованих на видобуток твердих корисних копалин, нафти і газу із надр та їх переробку, які постійно впливають на довкілля і знаходяться під дією його техногенних змін.

Техноприродну геосистему можна описати співвідношенням:

S = {X, Q}, (6)

де, X = {x₁, x₂, …, x_n} множина елементів х_і системи S. Через Q позначена множина закономірностей змін елементів х_і, їх взаємодія між собою і з навколишнім середовищем, тобто вона представляє собою сукупність залежностей, які зв'язують елементи x_i системи S. Можна умовно розділити техноприродну геосистему S на природну Z і техногенну W підсистеми із своїми підсистемами, елементами та зв'язками:

S = ZQW. (7)

ТПГ проходить в своєму розвитку закономірні етапи накопичення антропогенних змін в межах геологічного і суміжних середовищ. Між техногенним об'єктом та довкіллям відбувається взаємодія протилежних процесів: потоку техногенного впливу та реактивних функцій захисту (як міри природного самовідновлення ГС). По умовах накопичення антропогенних змін в системі, в результаті техногенезу відбувається зниження замкнутих функцій природної організації ГС, до межі гомеостазису за результатами чого в деякий момент часу наступає екстремальна ситуація - порушення екологічної рівноваги в локальному або регіональному масштабі. Взаємна протилежність в монотонній зміні функцій дозволяє співставляти їх з відповідними монотонними функціями: екологічної безпеки - Р(t) та екологічної небезпеки - F(t) = 1 - P(t).

Реальна ТПГ при функціонуванні базується на процесах енерго - масообміну, які слід розглядати з точки зору формуючого техногенного потоку Щ різнохарактерних впливів на природні об'єкти, так і протидіючого екологічно реактивного потоку R зі сторони таких об'єктів (A, В, С, Д...) , які обумовлюють в кінцевому результаті (як результат взаємодії протилежних потоків) рівень антропогенної зміни е властивостей природних об'єктів, по своїй сукупності їх одиничних параметрів . Таким чином, енерго-масообмін виступає в цьому випадку як фізичне середовище, через яке проходить неперервна діалектична взаємодія всіх трьох категорій стану геосистеми Щ, R, е. Крім того, енерго-масообмін як з'єднувач цих категорій елементів, обумовлює можливість їх вираження в одній системі одиниць фізичних величин.

За результатами цих досліджень розроблена наукова база для технічних заходів на стадії оптимального функціонування та стадії ліквідації, для якої аксіоматичним є намагання відновити доексплуатаційні екологічні функції геологічного і суміжних середовищ в межах ТПГ. На прикладі гірничопромислових та нафтогазових комплексів Західного регіону України науково і методично обґрунтовані ці дії, які для ТПГ або вже частково реалізовані, або знаходяться на стадії реалізації.

В третьому розділі "Стан геологічного та суміжних середовищ в межах гірничих комплексів Західного регіону України" розглянуті регіональні проблеми мінерально-сировинної бази ТПГ Західних областей України. Визначено, що оптимальним управлінським рішенням, щодо відновлення екологічної рівноваги в межах таких регіональних ТПГ, як гірничопромислові провінції є відновлення в допустимих межах природної рівноваги.

В четвертому розділі "Геодинамічні функції геологічного середовища та його екологічна ємність (на прикладі Східноєвропейської платформи та областей альпійської складчастості Євразії)" розглянуті основні положення механізму формування та розвитку геодинамічних процесів в межах платформного та гірськоскладчастого типів геологічного і суміжних середовищ з позицій екологічної ємності техноприродних геосистем. Науково обґрунтовані, для кожного типу геологічного середовища відповідна екологічна ємність, яка і є пріоритетним інструментом регулювання техногенного навантаження. Стійкість геологічного середовища до техногенних порушень та екологічна ємність ГС в межах ТПГ є основним інструментом екологічних функцій літосферного простору.

Екологічна безпека зсувонебезпечних територій визначається середньою за рік величиною коефіцієнтів стійкості зсуву в поточний період часу (Т), які характеризують відношення сумарного опору зрушенню вздовж будь-якої потенційної поверхні ковзання до суми рушійних сил вздовж цієї поверхні

, (8)

де, С_і - опір зрушення на і-й ділянці; ф_і - дотикова напруження; Дl_і - абсолютна деформація.

Для кожного генетичного типу зсуву розрахована середня швидкість незворотніх змін на прогнозний період часу Т:

ДК_сер. = f (Т), (9)

Наступною процедурою є визначення залежності амплітуди А коливань коефіцієнту стійкості схилу від показників F відповідних факторів:

, (10)

За цим показником розраховують максимальну амплітуду А_max за період часу Т.

Екологічна безпека геологічного середовища в межах сейсмонебезпечних ТПГ гірськоскладчастого типу визначається за функцією ризику Н (t), як доповнення функції безпеки S (t) до одиниці

Н (t) = 1- S(t), (11)

S (t) = Р {v (ф) Щ_s, ф [0, t]}, (12)

де, S (t) - вірогідність випадкової події, яка визначається тим, що в інтервалі [0, t] не виникає умов, які приводять до руйнування; v - вектор якості в теорії надійності; Щ_s - границя безпеки, яка визначає допустимі параметри граничного стану ТПГ.

Детально досліджено розвиток геодинамічних процесів та розраховано екологічну ємність геологічного середовища на прикладі Малого Кавказу та Паміру.

Для регіону Малого Кавказу (на прикладі 2223 зсувів різних типів, масштабів і активності, які займають площу 50985 га) питання екологічної безпеки ТПГ вирішуються в двох аспектах:

- регіональне сейсмічне районування з урахуванням максимальної сили сейсмічного поштовху (відповідно до масштабу 1:200 000).

- локальне мікросейсмічне районування території відповідно до масштабу 1:2 000 - 1:10000.

За результатами дослідження геодинамічних умов Паміру (на прикладі зони зчленування південного Тянь-Шаню та Паміру) розроблена методика оцінки інженерного ризику таких гірських областей, яка передбачає складання спеціалізованих еколого-геологічних карт масштабу 1:100 000, доповнених еколого-геологічними картами масштабу 1:25 000 і 1:10 000. Розробка комплексних схем інженерного захисту сейсмоактивних районів ґрунтується на інженерно-геологічній типізації та районуванні територій, розрахунковій оцінці стійкості схилів при різному сейсмічному впливі, врахуванні результатів прогнозу розвитку сейсмогенних зсувів.

В п'ятому розділі "Геодинаміка Карпатського регіону як чинник формування екологічних функцій геологічного середовища" розроблено принципово нову геодинамічну модель з точки зору формування екологічних функцій літосфери, їх змін в просторі та часі як в природному стані, так і під впливом техногенних факторів. Обґрунтовано комплексну зональність, яка проявляється міграцією вуглеводнів і води, і характеризує зміну напружено-деформованого стану порід у результаті розвитку Карпатської гірськоскладчастої області. Напрямок міграції - до платформи.

Встановлені основні зони, які контролюють міграційні процеси. При цьому в районах розвитку соляної моласи міграційні процеси флюїдів і газів обмежені завдяки потужному екранові соляних і глинистих порід. На ділянках, де такі екрани не існують, формується чітко виражена зональність "нафта - газ - вода - сірка". Запропонована модель характеризує особливості нагромадження стронцію та умови сірконосності території, що дало змогу трансформувати результати для розрахунку екологічної безпеки геологічного середовища в межах ТПГ.

В шостому розділі "Гідрохімічні умови стану геологічного середовища та технологія створення моделей гідрохімії підземних вод" викладені результати досліджень гідрохімічних параметрів стану геологічного середовища та чинники режиму й охорони підземної гідросфери на прикладі Західного регіону України.

Гідрохімічні умови підземної гідросфери геологічного середовища контролюються гідрохімічною зональністю та тектоносферними процесами. Розглянуто головні параметри гідрохімічної зональності для різних типів геологічного середовища (на прикладі Карпатського регіону України). За результатами виконаних досліджень складено базу даних з гідрохімії порід, а також серію гідрохімічних карт, які характеризують динаміку хімічного стану підземних вод. Проаналізовані гідрохімічні чинники підземної гідросфери з погляду оцінки результатів техногенного забруднення та впливу питної води на здоров'я населення.

В сьомому розділі "Гідродинамічні умови геологічного середовища. Оцінка ресурсів та забруднення підземної гідросфери (на прикладі Карпатського регіону). Екологічна безпека підземної гідросфери" розглянуті умови формування ґрунтових та підземних вод; виконана типізація території за умовами формування режиму підземних вод; рекомендації щодо розвитку режимної спостережної мережі та методики спостережень в умовах виділених спеціалізованих гідрогеорежимних районів; проведена екологічна оцінка забруднення підземної гідросфери, яка включає особливості техногенного впливу на підземну гідросферу в межах Передкарпатської соленосної провінції, в межах Передкарпатської нафтогазоносної провінції, звалищ відходів промислово-міських агломерацій, об'єктів агропромислового комплексу; виконаний екологічний контроль підземної гідросфери та управління ресурсами підземних вод за допомогою постійно діючої моделі; визначені медико-екологічні параметри підземної гідросфери - як чинник здоров'я населення.

Створені регіональні моделі режиму і хімізму підземних вод з метою їх регіональної екологічної оцінки при використанні для питного водопостачання. Для екологічно проблемних об'єктів створенні детерміновані моделі впливу відповідного хімічного типу води на організм людини.

В восьмому розділі "Ландшафтно-геохімічні умови стану геологічного середовища та технологія створення фактографічних і картографічних моделей геохімії ґрунтів і порід" обґрунтована технологія оцінки екологічної безпеки геохімічних процесів; виконано комплексне ландшафтне районування; реалізована прогнозна оцінка стану ландшафтів на основі визначення геохімічної спеціалізації ландшафту та його динаміки, досліджена екологічна геохімія ландшафту; проведено визначення геохімічних бар'єрів; обґрунтована методологія складання ландшафтно-геохімічних карт; визначені радіоекологічні умови геологічного середовища. При цьому інтенсивність міграції елементів в межах ландшафтної призми визначається шляхом порівняння їх кларків для площ (ландшафтів), де повторно проводилося опробування порід. Міграційна здатність елементів Р розрахована за формулою:

, (13)

де, Р_х - кількість елемента х в природному середовищі В; В_х - кількість елемента х, що перейшла в рухомий стан за проміжок часу t.

Були визначені асоціації хімічних елементів в ґрунтах. Для кожної асоціації хімічних елементів вираховувалось значення сумарного показника забруднення Z _c за формулою:

(14)

де, С_і - значення вмісту i-го елементу в точці опробування; Сф_і - значення фонового вмісту i-го елементу в ґрунті по планшету; n - кількість елементів в парагенетичних асоціаціях.

За результатами перерахованих вище геохімічних досліджень розроблено методику складання геохімічних карт та картографічних і фактографічних баз даних з геохімії порід і ґрунтів. Реалізація інформаційної системи дає змогу отримати для будь-якого типу геологічного середовища фактографічну та картографічну інформацію по геохімічних процесах, по ступеню екологічної безпеки ТПГ ландшафтних геосистеми.

Досліджені радіоекологічні умови ТПГ геологічного середовища з деталізацією 41 природної та техноприродних аномалій, особливо в зонах Західного Чорнобильського сліду.

Друга частина дисертації: "Екологічна безпека геологічного і суміжних середовищ в межах техноприродних геосистем регіонального рівня".

В дев'ятому розділі "Екологічна безпека геологічного середовища та проблема оптимального використання гідроресурсів Карпатського регіону України" розглянуті наукові і методичні основи басейнової концепції раціонального природокористування (у контексті оптимального використання гідроресурсів та екологічної безпеки ТПГ геологічного і суміжних середовищ).

На основі басейнової концепції раціонального природокористування розглянуті технологічні аспекти оптимального використання гідроресурсів Карпатських рік та визначені перспективні ділянки для гідротехнічного будівництва.

Обґрунтовані вихідні принципи, розраховано басейнову ієрархію довкілля, визначено найінформативніші параметри гідроекологічної ситуації у Карпатському регіоні, визначені оптимальні технічні рішення для регіону з мінімально необхідним переліком розрахункових даних для моделювання передпроектних рекомендацій щодо розміщення гідроенергетичних споруд. Виділені перспективні ділянки для гідротехнічного будівництва (на прикладі малих ГЕС). Введено поняття еколого-геологічного та еколого-гідрологічного потенціалів з точки зору екологічної безпеки території щодо гідротехнічного будівництва малих ГЕС. Безгребельні міні- і мікро ГЕС (гірляндні, рукавні, консольні) є малоконцентрованими джерелами енергії, які не спричиняють у природному середовищі серйозних змін і тому вважаються екологічно безпечними установками.

Енергія ріки визначається кількістю води, яка в ній протікає і падінням, або нахилом ріки. Потенційні запаси гідравлічної потужності визначаються за формулою:

N = 9,81 Q Н, (15)

де, Q - середня багаторічна витрата води; Н - падіння між створами, м.

Потужність малої гідростанції визначається за формулою:

N = 9,81 Q H n , (16)

де, n - відношення потужності, яка віддається гідростанцією до потужності потоку, який підведений до неї з ріки, тобто коефіцієнт корисної дії гідростанції.

Для попереднього визначення потужності малої ГЕС можна приймати її коефіцієнт корисної дії від 0,65 до 0,70.

Введено поняття еколого-геологічного та еколого-гідрологічного потенціалів з точки зору екологічної безпеки території щодо гідротехнічного будівництва малих ГЕС.

В десятому розділі "Екологічна безпека геологічного середовища у зв'язку з катастрофічним розвитком геологічних процесів Карпатського регіону України (на прикладі Закарпатської та Чернівецької областей)" розглянуті умови і фактори екологічної безпеки ТПГ розвитку зсувів у межах території Закарпатської області, локальні закономірності катастрофічного розвитку зсувів у межах Закарпатської області.

Для території, яка постраждала від катастрофічної активізації небезпечних геологічних процесів у 1998-1999 р.р. розроблені науково-методологічні засади оцінки стану зсувних геосистем на території Карпатського регіону, виконана загальна характеристика основних просторово-часових закономірностей розвитку зсувів, обґрунтована система моніторингу зсувонебезпечних територій на регіональному, місцевому та об'єктовому рівнях і виконано прогнозування зсувного процесу та визначені технічні рішення по інженерному захисту.

Визначені підходи щодо запобігання та реагування на катастрофічний розвиток зсувів.

Розроблена методика дозволяє реалізувати процедуру оцінки просторово-часових закономірностей розвитку небезпечних геологічних процесів (на прикладі зсувів) та її використання для створення інформаційно-аналітичних комплексів стану зсувонебезпечних територій.

В одинадцятому розділі "Катастрофічна активізація в с.Костинці Сторожинецького району Чернівецької області та першочергові заходи з ліквідації його наслідків" викладені наукові та методичні основи комплексної оцінки типового катастрофічного зсуву.

Механізм зсуву в с.Костинці типовий для механізму великої групи зсувів, які неодноразово мали місце в межах території Прут-Сиретського межиріччя (Червона Діброва, Верхні Станівці, Старі Бросківці та інші). Підготовчий період катастрофічної активізації зсуву відбувався принаймні протягом трьох років, які співпадають із надлишковим зволоженням, пік якого спостерігався 18 квітня 1999 р. Рівні ґрунтових вод у цей час піднялися на 1,5-3,5 м, що призвело до збільшення ваги порід перезволоженого схилу на 2,5-3,0 млн.т. Задовільне дренування підземних вод призвело до формування критичних параметрів зміщення зсувних мас при площі зсуву 2 км² і попередньо визначеній потужності зсувних мас до 30-35 м у верхній частині та 10-15 м у нижній частині при середній швидкості руху 60-80 м/добу (на деяких ділянках переміщення склало 100-120 м/добу), що і обумовило руйнування всіх житлових споруд у межах його активної частини. Об'єм зсувних відкладів при катастрофічній активізації - 18-25 млн.т.

З метою визначення екологічної безпеки зсувної ТПГ розроблена технологія моделювання зсувного процесу. Основні показники моделі - це рельєф місцевості з точністю до 2 м, отриманий з карти масштабу 1:10 000, а також кількісна інформація та дані візуальних спостережень про величини зміщень та потужність зсувних відкладів. На підставі цієї інформації побудована трьохмірна модель, яка відтворює перебіг подій як серію поетапних змін реалістичного тривимірного зображення, а також у вигляді комп'ютерної анімації. Геологічне середовище розглядалось нами як двухмірна модель.

Вхідними даними для побудови рельєфу є горизонталі топографічної карти та аерофотознімки Методологія полягає у перетворенні растрового зображення горизонтальних (чорних на білому фоні, як правило, двокольорове зображення) у зображення, що містить 256 градацій сірого кольору (grayscale image), де кожний відтінок відповідає певній висоті. Зображення горизонталей також заміщуються. Реалістичне зображення створюється як послідовна деформація трьохмірної призми, побудованої на основі рельєфу і інженерно-геологічних елементів техноприродної системи.

В комплексі з рельєфом, для відтворення механізму зсуву використана морфометрична карта зсувної ділянки, на яку нанесені основні зони деформацій, стінки зриву різних порядків, тріщини і т.п. Для відтворення вертикальних деформацій використовується подібна схема, але у вигляді горизонталей наносяться зміни висот - додатні (підняття) і від'ємні (пониження) окремо.

Для проведення описаних трансформацій (перетворення рельєфу по висотам в трьохмірну систему, яка відтворює перебіг деформацій) розроблено спеціальне програмне забезпечення.

Результати поетапного накладення деформацій - показано відтворення рельєфу зсувної ділянки у с. Костинці до та після катастрофічного зсуву 18-20 квітня 1999 р. Запропонована методика дозволяє реалізувати динамічне моделювання зсувного процесу з метою розробки управлінських рішень.

В дванадцятому розділі "Методичні основи екологічної безпеки техноприродних геосистем від зсувонебезпечних територій" розглянуті методологічні основи інженерного захисту техноприродних геосистем від зсувів.

Методологія інженерного захисту базується на основі детального вивченням опорних ділянок. На цих ділянках визначаються умови і фактори розвитку небезпечних геологічних процесів на основі чого і розраховуються заходи інженерного захисту.

Основні засади реалізації захисних заходів базуються на обґрунтованості стратегічних підходів з метою стабілізації зсувного процесу та виключення деформацій і руйнування інженерних споруд та комунікацій.

Розглянуті дві групи протизсувних заходів - превентивні та активні.

В рамках превентивних заходів найбільш оптимальним є перенесення об'єкту будівництва на територію, яка знаходиться під впливом потенційного або існуючого зсуву.

Якщо перенесення ділянки будівництва неможливе, розраховуються варіанти інженерного захисту, згідно наступних дій превентивного характеру:

- заборона підрізки зсувних схилів і проведення робіт по створенню виїмок на них;

- заборона будівництва на схилах інженерних споруд, ставків, водоймищ та інших об'єктів із значним водоспоживанням без виконання конструкторських заходів, які б повністю виключали втрату води в зсувні маси;

- обмеження швидкості руху залізничних потягів в зоні, яка примикає до зсувної ділянки;