Е.Г. Язиков, А.Ю. Шатилов
Геоэкологический мониторинг
Учебное пособие для вузов.- Томск, 2003.- 336 с.

Глава 3. Методы и организация мониторинга

3.2. Наблюдательные сети и объём работ

Площадь исследования при мониторинге  устанавливается с учетом границ  лицензируемых участков, а также промышленной территории, санитарно-защитной зоны и экологической напряженности данного района.

Основу сбора информации о геологической среде в ходе мониторинга составляют наблюдательные сети, которые призваны обеспечить всесторонний сбор достоверной информации о среде в целом и ее отдельных элементах. В зависимости от назначения в мониторинге геологической среды используют четыре основные группы наблюдений: инвентаризационные, ретроспективные, режимные и методические (Королев, 1995).

Инвентаризационные наблюдения (от слова «инвентаризация» – подсчет имеющегося в наличии на данный момент) проводятся достаточно редко, через длительный срок, для того чтобы либо оценить начальное состояние геологической среды, либо оценить многолетние изменения геологической среды. Инвентаризационные наблюдения, как правило, включают в себя набор трудоемких или дорогостоящих методов наблюдений за объектами геологической среды, которые не могут часто использоваться или входить в состав режимных наблюдений. Эти наблюдения носят характер инвентаризации на определенный период и могут проводиться либо один раз в год, либо в 2-3 года и более.

Ретроспективные наблюдения (от слова «ретроспекция» – взгляд в прошлое, обращение к прошлому) составляют второй вид натурных наблюдений, используемых в мониторинге геологической среды. По срокам и периодичности проведения ретроспективные наблюдения могут быть различными в зависимости от того, насколько велика скорость изменения того или иного элемента геологической среды.

Режимными стационарными наблюдениями называются наблюдения за динамикой процессов и явлений на наблюдательных стационарах – наблюдательных участках, точках, пунктах – в целях выявления их закономерностей и обусловленности. Они отражают определенные временные (ежегодные, сезонные, ежемесячные, суточные и др.) колебания в системе наблюдаемых объектов и процессов. Режимные наблюдения в общей методике инженерно-геологических исследований составляют определенный, самостоятельный и важный вид геологических работ, который входит как часть наблюдений и в мониторинге геологической среды.

Методические наблюдения направлены на совершенствование методов мониторинга или на создание новых. Методические наблюдения часто предшествуют режимным или ретроспективным для корректировки или уточнения программ наблюдений.

Наблюдательные сети в пределах геологической среды формируются в определенном трехмерном пространстве. В зависимости от масштаба исследований или ранга мониторинга геологической среды наблюдательные сети бывают детальные, локальные, региональные или национальные (Королев, 1995). Они охватывают определенные площади – так называемые наблюдательные полигоны соответствующего уровня. Наблюдательные полигоны могут включать всю исследуемую территорию или только ее часть. В последнем случае наблюдения ведут либо на опытных площадках, оборудованных соответствующим образом, либо на эталонных участках, геологическое строение которых отражает лишь какой-либо один характерный элемент геологической среды.

Низшей структурной единицей иерархической системы наблюдений мониторинга геологической среды является точка наблюдения – точка отбора проб грунта или почвы, родник, колодец, скважина и т.п.

Следующий уровень – наблюдательный пост (гидрогеологический, геокриологический, инженерно-геологический, геофизический и т.п.), состоящий в случае гидрогеологических наблюдений из группы поэтажно оборудованных наблюдательных скважин. Пост обычно обеспечивает какую-либо одну группу наблюдений, а в случае комплексного применения методов наблюдений (например, гидрогеологических и геофизических) перерастает в наблюдательный полигон. В пределах наблюдательного полигона оборудуется система наблюдательных скважин и экспериментальных площадок, предназначенных для изучения конкретных инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических явлений и процессов.

В зависимости от таксономического ранга наблюдательного полигона на них решаются разные задачи. Полигоны низшего ранга – детальные наблюдательные полигоны, предназначенные для решения различных узких задач сбора первичной информации на участках, типовые условия которых соответствуют опорному полигону.

Опорный полигон соответствует локальному уровню исследований и оборудуется на типовом (опорном) участке, характеризующем какую-либо таксономическую единицу инженерно-геологического типологического районирования.

Разновидностью опорных полигонов являются так называемые фоновые полигоны, или полигоны для сбора фоновой информации на территории, не затронутой техногенными воздействиями. На территории суши Земли площадь неизмененных или незначительно измененных человеком земель постоянно сокращается и сейчас составляет около 15% площади суши, 30% территории составляют частично преобразованные земли и 55% территории, интенсивно измененные и используемые человеком. На региональном уровне исследований в качестве таких участков для оценки фоновых значений показателей может использоваться существующая в России сеть биосферных заповедников и заказников, которая включена в систему глобального мониторинга природной среды. Биосферные заповедники или заказники разного ранга имеются практически во всех административных районах России.

Совокупность ряда опорных полигонов образует региональный наблюдательный полигон. Такие полигоны позволяют устанавливать наиболее общие региональные закономерности изменения геологической среды на всей территории.

Специальные наблюдательные полигоны создаются для наблюдений за какими-либо негативными процессами на различных ответственных или уникальных сооружениях. Сложность таких сооружений (например, гидроузла, АЭС и т.п.) обуславливает проведение особых защитных инженерных мероприятий и, соответственно, особых наблюдений, проводимых по специально составленной программе. В связи с этим в системе мониторинга геологической среды специальные полигоны выделяются в отдельный вид.

Опытно-методический полигон в системе мониторинга геологической среды выполняет роль испытательного. В отличие от опорных участков на опытно-методических полигонах ведется проверка и отработка всевозможных методов контроля и сбора первичной информации за элементами геологической среды или ПТС, проводятся натурные эксперименты, отрабатываются модели и т.д.

Изыскательские полигоны служат для кратковременных (на период изысканий) исследований и режимных наблюдений в системе мониторинга. Исследования на них ведутся в соответствии с действующими нормативными документами. Такие полигоны создаются на начальных стадиях формирования наблюдательной сети мониторинга, на стадиях предварительных исследований и т.п.

Комплексная реализация мониторинга геологической среды хорошо иллюстрируется В.А. Королевым (1995), который в содержание организации мониторинга включает три основных блока:

1) типологическое инженерно- геологическое районирование геологической среды рассматриваемой территории;

2) техногенные воздействия, отражаемые на карте в соответствии с их типизацией;

3) наблюдательная сеть мониторинга.

На рисунке 3.2.1 показан фрагмент схематической карты специального инженерно-геологического районирования территории, на которой предполагается создать систему мониторинга.

Рис. 3.2.1. Схематическая карта специального инженерно-геологического районирования территории (фрагмент): 1-5 – районы и подрайоны и их номера; 6 – аллювиальные отложения поймы; 7 – аллювиальные отложения I надпойменной террасы; 8 – границы районов (а) и подрайонов (б) (по В.А. Королеву, 1995)

Эта карта построена на основе базовых карт – геологической, геоморфологической, инженерно-геологической и гидрогеологической. Схематическая карта хозяйственного освоения данной территории содержит информацию о расположении всех источников техногенных воздействий и их последующего анализа с учетом оказываемых ими техногенных воздействий (рис. 3.2.2)

Рис. 3.2.2. Схематическая карта хозяйственного освоения территории (фрагмент): 1 – населенный пункт; 2 – пашня (зерновые культуры); 3 – огороды (овощные культуры); 4 – поля орошения; 5 – дороги: шоссейные (а), грунтовые (б); 6 – карьеры; 7 – водозаборы; 8 – электрифицированная железная дорога; 9 – ЛЭП; 10 – свалки ТБО; 11 – АЗС; 12 – животноводческие фермы; 13 – цементный завод (по В.А. Королеву, 1995)

На следующем этапе работ составляется схематическая карта техногенных воздействий (рис.3.2.3), на которой также содержится информация об их пространственном распространении, о зонах влияния инженерных сооружений, интенсивности воздействий (слабое, сильное и т.п.).

Рис. 3.2.3. Фрагмент карты техногенных воздействий на геологическую среду. Механическое воздействие: 1 – статическое уплотнение; 2 – виброуплотнение; 3 – рытье котлованов; 4 – создание насыпей. Электромагнитное воздействие: 5 – наводка электрических полей. Химическое загрязнение: 6 – гербицидное; 7 – углеводородное (слабое, сильное); 8 – засоление; 9 – сточными водами (слабое, сильное); 10 – цементной пылью (слабое, сильное); 11 – тяжелыми металлами; 12 – нитратное. Биологическое загрязнение: 13 – бактериологическое; 14 – микробиологическое. Гидродинамическое воздействие: 15 – откачки; 16 – границы районов (а) и подрайонов (б) (по В.А. Королеву, 1995)

Такая карта строится на основе аналитического материала, съемочных работ и специальных исследований. Для исключения перегруженности карты источники техногенных воздействий на ней не показаны, но, тем не менее, она анализируется вместе с предыдущей картой. Эта карта очень важна в системе мониторинга, поскольку позволяет выявить опасные в эколого-геологическом отношении участки. Анализ этой карты позволяет подойти к возможности оценки пространственной сети системы пунктов получения информации (СППИНФ) для целей мониторинга. Сопоставление карт районирования и техногенных воздействий позволяет выявить особенности пространственного изменения зон влияния, а значит обоснованно разместить наблюдательную сеть мониторинга.

Фрагмент карты-схемы организации наблюдательной сети мониторинга той же территории показан на рисунке 3.2.4.

Рис. 3.2.4. Фрагмент карты-схемы организации мониторинга геологической среды. Наблюдательная сеть: 1 – площадное точечное наблюдение; 2 – линейное точечное наблюдение; 3 – куст наблюдательных скважин; 4 – гидрогеологический пост; 5 – геофизический профиль; 6 – опорный участок фоновых наблюдений; 7 – наблюдательная площадка; 8 – границы районов (а) и подрайонов (б) (по В.А. Королеву, 1995)

Легенда к ней разработана на основе классификации компонентов наблюдательной сети применительно к данному масштабу картографирования. На карте-схеме также показываются участки районирования. Рассмотренный здесь в качестве примера порядок составления карты-схемы организации мониторинга геологической среды территории раскрывает лишь общую схему картографирования. Однако в каждом конкретном случае эта схема так же, как и информация, отражаемая на этих картах, может видоизменяться.

Объем работ и количество проб при мониторинге определяется сетью наблюдения. Расстояние между точками обязательного наблюдения меняется в зависимости от масштаба и площади работ. Сгущение сетки наблюдений проводится на участках с особо сложным ландшафтным строением и при наличии нескольких крупных и удаленных друг от друга загрязнителей, при различных способах поступления загрязняющих веществ от загрязнителя на изучаемую территорию и в других аналогичных случаях с особо сложными зкологическими условиями.

Следует иметь в виду, что в отдельных случаях за пределами санитарно-защитной зоны более рационально использование векторной системы опробования с учетом преобладающей   розы ветров.

Выбор природных сред в точках опробования определяется конкретной ситуацией и может быть как комплексной, так и индивидуальной.

Непосредственно геоэкологические исследования включают изучение поверхности, проходку шурфов и скважин, опробование пород, почв, вод,  биогенной массы, атмосферных осадков, снежного покрова. Шурфы предназначены для изучения полного профиля почвы, глубина их до 2-2,5 м (сечение – 1,25 м²) в зависимости от глубины залегания плотной породы или появления воды. Для изучения  коренных пород, подстилающих почвы, и вскрытия грунтовых вод рядом с шурфами проходятся  скважины глубиной до 3 метров. Такая комбинированная горно-буровая выработка может представлять собой основную точку наблюдения при мониторинге. Привязка точек наблюдения должна осуществляться приборами спутникового позиционирования (GPS).

Точки наблюдения располагаются по профилям, позволяющим выполнить комплексное опробование компонентов природной среды водоразделов, склонов и долин с изучением элементарных ландшафтов (элювиальные, трансэлювиальные, супераквальные и субаквальные), конечных бассейнов твердого и жидкого стока. Количество отбираемых проб почв и пород рассчитывается с учетом сети опробования и необходимости охарактеризовать все генетические горизонты почв, а также материнские породы и элементарные ландшафты. Все остальные природные среды отбираются в количестве необходимых для составления статистически значимых выборок и построения схем распределения загрязняющих компонентов.

Помимо профильной системы и опорных разрезов, характеризующих  его подпочвенный слой, растительность и живые популяции возможна (по мере необходимости)   проходка неглубоких (до 150 метров) и глубоких (до 500 метров и более) гидрогеологических скважин.

Неглубокие скважины необходимы для изучения экологического состояния вод первых от поверхности водоносных горизонтов как естественных элементов геологической среды. Они закладываются в различных геоморфологических условиях с тем, чтобы изучить все первые от поверхности водоносные горизонты. Глубокие скважины проходятся при отсутствии на площади пробуренных гидрогеологических скважин или невозможности повторного их опробования. Глубокие скважины позволяют охарактеризовать геохимический облик по макро- и микрокомпонентам, радиоактивным элементам подземных вод глубоких горизонтов.