[AUTHOR NAME] 1 Сборник докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 100- летнему юбилею научной и туристско-экскурсионной деятельности в Кунгурской Ледяной пещере и 100-летию со дня рождения В.С. Лукина.- 26 – 31 мая 2014 г. - Кунгурская Ледяная пещера, Пермский край, Россия О НЕОБХОДИМОСТИ МОНИТОРИНГА БЛАГОУСТРОЕННЫХ КАРСТОВЫХ ПЕЩЕР С ЦЕЛЬЮ ИХ ОПТИМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ (НА ПРИМЕРЕ НОВОАФОНСКОЙ И ЦХАЛТУБСКОЙ ПЕЩЕР ГРУЗИИ) О.А. Ланчава 1 , К.Д. Цикаришвили 2 1 Горный Институт им. Г.А.Цулукидзе, Грузинский Технический Университет; 2 Институт Географии им. Вахушти Багратиони, Тбилисский Государственый Университет Опыт показывает, что климатический режим благоустроенных пещер, которые используются в качестве туристических объектов, существенно меняется: нарушается интенсивность естественной вентиляции, повышается среднегодовая температура и уменьшается относительная влажность пещерного воздуха, ухудшается состав воздуха. Свидетельством отмеченного является опыт подготовки к эксплуатации Новоафонской и Цхалтубской карстовых пещер и опыт их эксплуатации. В обеих пещерах наблюдаются изменения климатических параметров пещерного воздуха и возмущения физических полей окружающего горного массива, что проявляется в результате осушения массива и появления трещин высыхания на внутренней поверхности пещеры. Часть этих изменений можно было бы предотвратить при правильном выборе режима подготовки и эксплуатации пещер. Безусловно, что сооружение водоотводящей горной выработки способствует разгружению горного массива от грунтовых вод и будет вызывать общее его осушение, но с другой стороны, можно исскуственно повышать относительную влажность пещерного воздуха и тем самым уменьшить вредное влияние общего осушения на внутренней поверхности пещеры и пещерных образований. Новоафонская пещера. Депресионные съемки, проведенные до благоустроиства пещеры, показывают, что естественная вентиляция осуществлялась с помощью естественной шахты, а также многочисленных тектонических трещин и каналов. Наблюдаются контрасты температуры и давления воздуха между дневной поверхностью и внутри пещеры, что вызывает интенсивную вентиляцию. Максимум разницы в давлении доходит до 1000 Па (рис. 1). Направление естественного потока следующее: летом - в пещеру, зимой - из пещеры. Активная циркуляция воздуха до благоустроиства пещеры, главным образом, происходила с помощью естественной шахты. В сифонной дыре (0,5 Х 0,8 м), связующей вертикальную и горизонтальную системы, в теплый период года, наблюдалось нисходящее, а в холодный период - восходящее движение воздуха. Скорость воздушного потока (2,5 м/с) практически оставалась постоянной в течение суток. После эксплуатации, в данной дыре, имеет место чередование штиля и движения воздуха (рис. 2). [AUTHOR NAME] 2 На основе многочисленных стационарных наблюдений, выполненных в течение 1970-1988 гг., можно утверждать, что на воздухообмен между атмосферой и пещерным пространством и на циркуляцию пещерного воздуха заметное влияние оказывает поршневой эффект движения туристического поезда. До проходки транспортного тоннеля в Иверской горе метеорологические параметры пещерной системы (температура, относительная влажность и давление воздуха) характеризовались незначительным сезонным и суточным колебанием. В частности, температура пещерного воздуха существенно менялась лишь в вертикальной проекции пещеры. Разница между температурами зимой и летом здесь достигала 4-6 °С. В горизонтальной проекции пещеры, колебание или изменение температуры не наблюдалось. Практически мало изменялась относительная влажность воздуха. Для любого сезона температура пещерного воздуха менялась в пределах 11,8-12,8 °С, а относительная влажность 93-98 % (Таташидзе и др., 1968). После подготовки пещеры для туристических целей и начала ее эксплуатации был нарушен стабильный тепловой и влажностный режим, установленный в продолжительном геологическом периоде. Соединение подземных залов с искусственным транспортным тоннелеми пропуск через пещеру многочисленных экскурсантов вызвали повышение температуры на 2 °С, а уменьшение относительной влажности – на 5-6 %. Кроме того, во время выполнения работ по благоустройству пещеры, применение пневматического оборудования, работающего с помощью двигателей внутренного сгорания, вызвало повышение содержания двуокиси углерода (до 0,5 %), а источник питания туристического поезда «обогатил» воздух водородом (до 0,4 %) и парами серной кислоты. Под влиянием мощных прожекторов освещения на отдельных участках пещеры появились беспигментные растения, а также образовались мшистые поверхности на стенках пещеры и пещерных образований. С целью анализа влияния туристических групп на микроклимат пещеры, на высоте 2 м от почвы (у смотровой площадки «Тетри мта»), с помощью показаний максимального термометра, было установлено, что температура воздуха в течение 10 минут увеличилась на 0,8 °С. До начала эксплуатации пещеры, амплитуда суточного изменения температуры составляла 0,1- 0,2 °С, а в условиях интенсивной эксплуатации она увеличилась до 1,5 °С. В дневные часы, в течении рабочего дня, относительная влажность воздуха уменьшилась на 56 %. После 21-23 часов ночи, пещерная атмосфера возвращалась к обычному для нее ритму с точки зрения релаксации температурных и влажностных полей в пещерном воздухе (рис. 3). [AUTHOR NAME] 3 В суточном ходе температуры пещерного воздуха максимум наблюдался в полночь (летом), а минимум в полдень (зимой), что указывает на определенную инерцию проявления теплофизических процессов в подземном пространстве. Амплитуда годового изменения температуры составляла 5-6 °С. Абсолютный минимум температуры (10,8 °С) отмечался в холодный период года (Февраль), абсолютный максимум (16,0 °С) – летом (Август). Следует отметить, что интенсивная эксплуатация Новоафонской пещеры вызвала существенное изменение климатических параметров пещерного воздуха: температура в среднем увеличилась на 1 градус (максимальное увеличение до 4 °С наблюдалось в зале «Тбилиси», где показатель температуры воздуха достиг 16,5 °С), относительная влажность воздуха уменьшалась в среднем до 8 %. Существенные возмущения были наблюдаемы в температурном и влажностном полях окружающего горного массива, что проявилось в образовании новых трещин высыхания внутри пещеры. Наблюдаемые изменения микроклимата пещеры являются результатом неправильной эксплуатации, что вызвано неучетом экологических возможностей природы, в частности пещеры, и в чрезмерной нагрузке пещеры экскурсантами в увязке сооружения водоотводящей и транспортных тоннелей, вызвавшие общее осушение окружающего горного массива и изменение естественной аэродинамики пещеры. Таким образом, пещера, характеризуемая стабильным климатическим режимом, после сооружения транспортных и дренажных тоннелей, превратилась в динамическую полость, которая оказывает влияние на физические поля окружающего породного массива. В результате отмеченного, усилились процессы истощения, что способствовало: появлению трещин высыхания, осушению поверхности самой пещеры и пещерных образований, началу камнепада со стен и со сводовой части пещеры. Цхалтубская пещера. Основной причиной возникновения воздушного потока в пещере является разница в плотности атмосферного и пещерного воздуха. Для вычисления величины естественной тяги были использованы результаты спелеоклиматических сезонных и суточных наблюдений. Было установлено, что давление воздуха на поверхности и под землей претерпевает синхронные изменения. В соответствующем периоде давление атмосферного и пещерного воздуха менялось в диапазоне 99,575-100,108 кПа и 98,375-99,750 кПа. Амплитуды суточного колебания давления на поверхности и в пещере незначительно отличаются друг от друга и соответственно составляют 170-200 Па и 100-160 Па. Амплитуды декадных колебаний же практически совпадают и составляют примерно 500 -600 Па. По длине пещеры давление воздуха изменяется по следующей закономерности: начиная со входного отверстия, барометрическое давление постепенно уменьшается и минимального значения достигает гипсометрически в высоко расположенных залах, а затем неуклонно повышается. [AUTHOR NAME] 4 Максимальная величина давления зафиксирована в «Зале альпинистов», который занимает самую низкую часть пещеры. По длине разница атмосферного давления примерно составляет 400 Па. Следует отметить, что на каждый 8,5 м столба пещерного воздуха атмосферное давление изменяется на 100 Па и с помощью барометрического градиента возможно получение достоверных результатов в теплофизических расчетах. Распределение температуры воздуха по длине пещеры неодинаковое. Начальный отрезок и первый зал как бы изолированы от остальной части пещеры. В этих местах наблюдается суточное и сезонное колебания температуры воздуха, а амплитуда соответственно составляет 1,5 и 4,5 °С. Остальная часть пещеры до сифонных озер, слабо проветривается, вследствие чего, температура воздуха сравнительно высокая (14,0-14,2 °С) и суточное колебание не наблюдается. Сезонное же колебание температуры пещерного воздуха на этом участке, длина которого составляет около 650 м, наблюдается, а амплитуда составляет 0,4 °С (рис. 4). У начала подземной реки температура воздуха уменьшается до 13,6 °С и сохраняется примерно на расстояни 100 м, затем тепература повышается и по всей длине трассы остается в пределах 14,0 °С. По-видимому здесь на формирование температуры оказывает влияние подземный водный поток, который протекает до конца экскурсионной трассы. Температура воды постоянная независимо от сезона и составляет 12 °С. Дебит воды меняется от 60 л/с (Август) до 800 л/с (Апрель). Гипсометрически высоко расположенные залы «Цхалтубо» и «Кутаиси» являются исключением от общих правил. Здесь пещерный воздух характеризуется довольно высокой температурой (около 14,8 °С), которая практически не претерпевает сезонных колебаний. Таким образом, за исключением входного участка и первого зала, суточное колебание температуры пещерного воздуха практически не наблюдается (рис. 5). Свидетельством слабого воздухообмена являются также установленные наблюдениями факты: автономность температуры воздуха в отдельных залах, асимптотическое приближение температуры воздуха к температуре породного массива и практическое отсутствие сезонного колебания темп ературы пещерного воздуха. [AUTHOR NAME] 5 В зависимости от сезона, в пещере происходит либо испарение, либо конденсация водяных паров. Однако относительная влажность пещерного воздуха остается в диапазоне 97-99 %, что в среднем на 40 % больше относительной влажности поверхностного воздуха. Как и в случае температуры, суточное колебание относительной влажности наблюдалось только во входной части пещеры (рис. 6). В то время как атмосферный воздух характеризуется отчетливой изменчивостью этого параметра, амплитуда составляет примерно 12 %. После проведения работ по благоустройству пещеры, в ней изменился характер движения воздуха. Сооружение водоотводящей горной выработки увеличил расход пещерного воздуха на 12-15 %. Несмотря на это, количество воздуха все же остается малым и во всех сечениях не удается измерять скорость потока ввиду ее малости. Исследования по химическому составу воздуха показали, что он не содержит горючих и токсических газов: CH₄, H₂S, SO₂, а содержание кислорода остается в пределах нормы. Наблюдается сравнительно высокий уровень двуокиси углерода (0,5 % по объему), что не выходит за пределы, предусмотренные нормами для подземных сооружений. Расчетами определены оптимальное и максимальное числа экскурсантов, которых одновременно можно допустить в пещеру, по результатам отмеченного составлена табл. 1. Таблица 1 Количество одновременно допускаемых людей в пещеру определено на основе достаточности расхода пещерного воздуха для безопасности дыхания людей. Следует отметить, что тепло, выделенное людьми и освещением, полностью передается пещерному воздуху и вызывает п овышение его [AUTHOR NAME] 6 температуры. Расчетами установлено, к концу 8-часового рабочего дня, температура пещерного воздуха будет повышаться на 4,5-5,0 °С по всей длине пещеры. За остальной период суток данное приращение релаксируется и будет оставаться только фоновое повышение температуры в диапазоне около 0,2-0,4 °С в течение месяца. После длительной эксплуатации температурный режим пещеры существенно будет меняться, так как природа не сможет нейтрализовать отмеченный фон без вмешательства. В пещере уже нарушен естественный фон влагосодержания горного массива, что вызвано сооружением водоотводяшего тоннеля. Относительная влажность воздуха претерпела не очень существенные изменения, однако в наличии понижение уровня грунтовых вод, общее осушение полости и появление трещин высыхания на внутренной поверхности пещеры. Отмеченные обстоятельства в ближайщем будущем вызовут и существенное уменьшение относительной влажности пещерного воздуха. Следует отметить, что с точки зрения экологической вместимости пещеры количество экскурсантов, представленное в таблице 1, необходимо примерно в 8 раз уменьшить. В таком случае возмущения в физических полях в пещере и в окружающем горном массиве будут восстановлены силамы природы. С этой точки зрения вопрос вовсе не был поставлен на повестку дня, т.к. в таком случае пещера не окупила бы затрат, расходуемых на ее благоустройство. Для сохранения спелеоклиматического режима пещеры необходимы сохранение естественного характера движения воздушного потока и ликвидация приращения температуры и дефицита относительной влажности воздуха, а также сохранение температурного и влажностного полей окружающего горного массива. Рекомендуется с помощью вод подземной речки кондиционировать пещерный воздух. В результате отмеченного, будет уменьшаться температура воздуха и увеличиваться относительная влажность, что будет способствовать также сохранению естественного фона температурного и влажностного полей окружающего горного массива. Вода должна подаваться при помощи полостей в перилах ограждения смотровых площадей под давлением около 300 кПа. Распыление воды в пещерный воздух должно произойти после того, как экскурсионная группа будет перемещена на другую смотровую площадку. После определенного промежутка времени (5-8 мин) форсунки автоматически будут отключаться. Вместе с тем четные форсунки относительно оси движения воздуха должны быть наклонены под углом 30 0 , а нечетные должны иметь противоположную ориентацию, с той целью, чтобы они друг друга компенсировали с точки зрения аэродинамики воздушного потока. Расход воды для кондиционирования воздуха (около 2,8-3,0 л/c) существенного влияния не будет оказывать на водный режим речки. Во время мелководья расход воды для кондиционирования воздуха будет в пределах 5 % от общего дебита воды. Вместе с тем, неиспаренная вода самотеком будет возвращаться в речку. Необходимо отметить, что температура воды подземной речки будет изменяться лишь на 0,02 °С при снятии температурного приращения воздуха, равного 5 °С. Дело в том, что теплоемкость воды в 4 раза больше по сравнению с теплоемкостью воздуха, а массовый расход воды в 70 раз больше такового для воздуха (70 л/c и 0,7 м 3 /c). На основе представленного материала можно сделать следующие выводы: [AUTHOR NAME] 7 1. Проведение работ по благоустройству карстовых пещер следует вести с особой предусмотрительностью, так как они вызывают изменения физических полей окружающего горного массива. Отмеченные изменения являются нежелательными и соизмеримы с изменениями климатических параметров пещерного воздуха. 2. Для установления оптимальных режимов эксплуатации карстовых пещер, необходимо создание научно-исследовательского стационара при пещере, в котором систематически будут измерены микроклиматические параметры пещерного воздуха, показатели ионизации и радиоактивности воздуха, а также наличие различных газов и бактерий в нем. 3. Необходимо заострять внимание на устойчивости окружающего породного массива, на суточном и сезонном колебании дебита карстовых вод, на опасности их загрязнения. 4. По результатам наблюдений и их анализа необходимо выводить и соблюдать основные эксплуатируемые параметры карстовых пещер. Литература 1. Tatashidze Z., Gigineishvili G., Tsikarishvili K. (2007). Geographo-Hydrological Arguments On Possible Expansion of the Tskaltubo Cave System // Bulletin of the Georgian Academy of Sciences, №3, 175, p. 285-288. 2. Tatashidze Z., Tsikarishvili K., Jishkariani J., Kapanadze V. (2002). Tskaltubo cave system – the Largest karst cavite in the Imereti Region // Bulletin of the Georgian Academy of Sciences, №3, 166, p. 514-517. 3. Jishkariani J., Tatashidze Z., Tsikarishvili K., Lanchava O. (2010). Main Results of Complex Research into the Tskaltubo Cave System. // Bulletin of the Georgian Academy of Sciences, vol. 4, № 2, p. 92-95. 4. Таташидзе З.К., Джишкариани Дж.М., Цикаришвили К.Д., Капанадзе В.М., Джамришвили А.Р. Новая карстовая пещера в окрестностях Цхалтубо (Западная Грузия) // Пещеры (Межвузовский сб. научн. трудов). – Пермь, 2004. – C. 48-52.