Размещено на http://www.allbest.ru/

Экодиагностика опасных геоэкологических ситуаций при хозяйственном освоении криолитозоны

Б.И. Кочуров,

Л.И. Зотова,

Н.В. Тумель

Проблема кризисных экологических ситуации - одна из наиболее сложных и актуальных в теоретической и прикладной географии. Разработка методических приемов оценки «кризисности», напряженности мерзлотно-экологических ситуаций, особенно в районах нефтегазопромыслового освоения занимает важную нишу в геоэкологических исследованиях криолитозоны.

Специфика формирования острых экологических ситуаций в криолитозоне

Как известно, экологическое состояние территории определяется соотношением антропогенных нагрузок и возможностями ландшафтов им противостоять. Если внешняя нагрузка превышает порог устойчивости ландшафта - возникает неблагоприятная экологическая ситуация. В нормативным документах Минприроды РФ по охране природы по Б. И. Кочурову [1] определена пятиступенчатая градация экологических ситуаций: относительно удовлетворительная, напряженная, критическая, кризисная и катастрофическая. Критерии их выявления - утрата природных ресурсов и невозможность их восстановления в криолитозоне следует дополнять степенью проявления криогенных и дефляционных процессов в связи с изменениями теплового и влажностного режимов литогенной основы ландшафта. Применительно к криолитозоне они могут быть охарактеризованы следующим образом.

Относительно удовлетворительная ситуация имеет место, когда ландшафты мало подвергаются антропогенным воздействиям и экстремальным природным процессам. Типичный пример - стравливание пастбищ при превышении пастбищных нагрузок. При этом наблюдается незначительное увеличение глубины протаивания из-за уничтожения растительности, криогенные процессы практически отсутствуют. После прекращения использования территории кормовые угодья восстанавливаются, а сезонное протаивание стабилизируется.

Напряженная ситуация может иметь место при проведении геолого-съемочных работ на предпроектных стадиях освоения месторождений. Незначительные изменения поверхностного увлажнения, температурного и влажностного режима почвогрунтов отражается на состоянии биоты и изменении мощности деятельного слоя. Например, на плоскобугристых мерзлых торфяниках в местах проезда гусеничного транспорта температура почвогрунтов повышается на 0, 2-0, 5 С, но не переходит через 0 С, глубина сезонного протаивания и промерзания увеличивается на 10-30%. Это приводит изменению естественного соотношения дренированных и заболоченных участков, появлению мелких термокарстовых озерков, к незначительному увеличению площадей, занятых лугово-болотной растительностью. В редкостойных кедрово-сосновых лесах на песчаных подзолах уничтожается лишайниковый покров по транспортным колеям, появляются признаки иссушения, до 50% увеличивается глубина сезонного промерзания.

Таким образом, на этой стадии глубина протаивания или промерзания изменяется локально, слабо активизируется неглубокий сезонный термокарст, возникают отдельные термоэрозионные промоины, оживляется солифлюкция и несколько увеличивается площадное пучение [2]. В целом, развитие криогенных процессов можно оценить как умеренное.

Критическая ситуация наиболее типична для временных поселков после 5-10 лет эксплуатации. Диагностируется следующими физиономичными чертами: изменением мезо- и микрорельефа из-за активизации криогенных процессов (термокарста, термоэрозии, солифлюкции, пучения); значительным сокращением и угнетением лесных массивовв таежной зоне; увеличением дефляционных площадей в пределах дренированных ландшафтов, что приводит к формированию своеобразных «песчано-пустынных» бедлендов; увеличением топяных площадей в пределах верховых и переходных болот; деградацией пойменных комплексов (а значит, снижением популяций промысловых животных, птиц, рыб). На этом этапе происходит некоторое усложнение ландшафтной структуры за счет массового появления техногенно нарушенных ландшафтов.

Изменение мерзлотной ситуации на предкризисной стадии заключается в появлении глубоких термоэрозионных оврагов и термокарстовых просадок, повсеместном заболачивании, образовании участков с разжиженным грунтом и пр. При этом отмечается значительное развитие криогенных процессов. После снятия нагрузок в течение 5-20 лет биота самовосстанавливается, а криогенные процессы затухают, хотя их последствия в виде вновь сформированного мезорельефа сохраняются [2].

Кризисная ситуация (КЭС) возникает при добыче полезных ископаемых, при эксплуатации линейных сооружений и пр. в сложных природных условиях, где устойчивость геокомплексов мала. В этом случае наблюдаются опасные изменения в состоянии наземных и водных экосистем, ландшафта в целом и его мерзлотно-литогенной основы в частности. С последней связаны аварии инженерных сооружений, в первую очередь - аварии трубопроводов на Европейском Севере и в Западной Сибири Причинами КЭС служат также радиоактивное и нефтепромышленное загрязнение, в результате складывается неблагоприятная медико-эпидемиологическая обстановка, опасная для здоровья человека. Интенсивность, разнообразие и выраженность в рельефе определяют активное развитие криогенных процессов.

В криолитозоне стадия КЭС диагностируется понижением контрастности геосистем, резким обеднением ландшафтной структуры, что выражается в распространении субдоминантных, второстепенных природных комплексов. Так, в Надым- Пуровском междуречье Западной Сибири стадия КЭС диагностируется доминированием всего двух типов ландшафтов: болотно-озерной топяной равнины (вместо продуктивных плоскобугристых торфяников) и песчаных опустыненных бедлэндов (на месте дренированных залесенных площадей), а, как известно, пониженная контрастность геосистем снижает их устойчивость к нарушениям [3].

При этом стадия КЭС предполагает зависимость их диагностики от таксономического ранга природных комплексов. Так, предкризисная и кризисная стадии геоэкологических ситуаций характерны для природных комплексов локального уровня ранга фаций и урочищ. На региональном уровне (типы местности, типы ландшафтов), как правило, фиксируется стадия лишь первичных признаков КЭС. Однако, продолжительная эксплуатация месторождений, густая их сеть и тенденция к дальнейшему слиянию, неизбежно приводят к тому, что кризисное состояние геосистем локальных площадей переходит на региональный уровень.

Катастрофическая ситуация характеризуется глубокими и необратимыми изменениями природной среды, утратой природных ресурсов, ухудшением здоровья людей. В криолитозоне подобные ситуации возникают в радиусе действия горно-обогатительных комбинатов, при открытой добыче полезных ископаемых, вокруг факелов на нефте- и газопромыслах.

Таким образом, первые четыре категории экологических ситуаций (относительно удовлетворительная, напряженная, критическая, кризисная) из возможных пяти, которые имеют обратимый характер, после уменьшения техногенных воздействий и проведения соответствующих природоохранных мероприятий, можно рассматривать в качестве стадий формирования кризисных экологических ситуаций.

Таблица 1. Типичные экзогенные процессы на Ямбургском месторождении на разных стадиях формирования КЭС

На примере Ямбургского газоконденсатного месторождения, расположенного в юго-западной части Тазовского полуострова в субарктической природной зоне в области практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород показан спектр типичных криогенных процессов (табл.1). Каждая ситуация характеризуется определенным набором экзогенных процессов разной интенсивности.

Типичные процессы на стадии КЭС (табл.1): в торфяниках - вытаивание жильных льдов, глубокий термокарст по полигонально-жильным льдам, просадка торфяных блоков, интенсивная термоэрозия по трещинам, вытаивание льдов на буграх пучения и превращение их в озера. В полигонально-валиковых болотах - прогрессирующее заболачивание, термокарст, сезонное и многолетнее пучение. В тундрах на льдистых и сильнольдистых пылеватых песках при снятии напочвенных покровов активизируется морозобойное растрескивание, по трещинам - термоэрозия, а также развивается интенсивная дефляция с образованием котловин выдувания.

экологический мерзлота криолитозона картографирование

Рис. 1. Типы геоэкологических ситуаций в зависимости от стадий освоения и интенсивности проявления криогенных процессов

График (рис. 1) дает представление о примерной продолжительности существования геоэкологических ситуаций (а, следовательно, и о степени активизации криогенных процессов) в зависимости от этапов освоения территории. Относительно удовлетворительная и напряженная ситуации длятся от 3-5 до 10 лет в соответствии со временем, когда идут изыскательские и строительные работы. Критическая и кризисная ситуации возникают в период эксплуатации месторождения. Дальнейшее разрушение природного комплекса и активизация процессов происходят в первые 5-10 лет промышленной добычи углеводородов. Затем наступает их постепенное затухание как по естественным причинам, так и в связи с принятием мер инженерного и мелиоративного характера.

После выработки нефтегазовых ресурсов и прекращения промышленной эксплуатации территории наступает период релаксации природы, но, разумеется, не до ее исходного естественного состояния. Срок затухания криогенных процессов без природоохранных мероприятий определяется как скоростью восстановления растительного покрова, так и истощением запасов льда, то есть зависит от льдистости пород. По данным мониторинговых наблюдений на трассе газопровода Надым-Пунга [4] и на Уренгойском ГКМ [5] затухание процессов в торфяниках лесотундровой зоны Западной Сибири составляет от 8 до 15 лет. В целом, самовосстановление геокомплексов в этой природной зоне занимает не менее 15-20 лет.

Таким образом, развитие опасных геоэкологических ситуаций в ландшафтах криолитозоны проявляется прежде всего в активизации криогенных процессов и радикальных изменениях биотической составляющей природного комплекса. Универсальная причина их возникновения - нарушение наиболее динамичного компонента ландшафта - растительного покрова, изменения которого носят обратимый характер. В свою очередь, изменения литокриогенной основы ландшафта практически не обратимы и часто приводят к коренной перестройке их структуры, формируя КЭС. У каждого геокомплекса, помимо нарушения биотической составляющей, имеется ряд своих причин, усугубляющих экологическую обстановку. Это и мерзлотные процессы, и дефляция, и пожароопасность.

Например, в зоне островной мерзлоты на северном склоне Сибирских Увалов, в пределах плоскобугристых мерзлых торфяников криогенные процессы (термокарст и пучение) являются частой причиной возникновения аварий на трубопроводах. КЭС в этом случае усугубляется не только механической трансформацией природного комплекса, но и его химическим загрязнением. В пределах дренированных приречных залесенных ландшафтов, представляющих ценные охотничье-промысловые угодья, основной причиной КЭС являются иссушение и пожары. На болотных не мерзлых ландшафтах усугубляют экологическую ситуацию подпор грунтовых вод линейными коммуникациями, а также разработка карьеров гидронамывным способом, вследствие чего увеличивается площадь травяных топей. В результате гидронамывных работ происходит полное отмирание растительности в радиусе 100-200 м от бывшей береговой линии озера при резком понижении уровня грунтовых вод [3].

Формирование КЭС определяется также теми техногенными нагрузками, в которых велик удельный вес инженерных сооружений. Аварийность таких систем, как трубопроводы, промышленные здания и пр., в криолитозоне значительно выше, чем аналогичных сооружений вне ее, сами аварии являются дополнительным и мощным источником загрязнения природы. Частота разрывов трубопроводов, например, на юге криолитозоны Западной Сибири на участках, сложенных многолетнемерзлыми грунтами, намного больше, чем на талых породах. На долю первых приходится до 60% аварий. Следовательно, к традиционному ряду антропогенных нагрузок должна быть прибавлена повышенная аварийная опасность на всех этапах освоения территорий.

Исходя из этого, традиционное понимание КЭС в различных областях географической науки как негативные изменения, угрожающие экологическому состоянию природного комплекса, для криолитозоны должно быть дополнено «инженерной» компонентой. В соответствии с этим, под кризисной экологической ситуацией в криолитозоне понимается резкая активизация криогенных процессов и радикальные изменения биоты, приводящие к устойчивому отрицательному изменению ландшафта и составляющие угрозу функционированию инженерных сооружений [2, 3]. КЭС - это фактически чрезвычайная геоэкологическая ситуация.

Причинами возникновения и развития острых экологических ситуаций на всей территории криолитозоны следует считать две группы природных факторов. Факторы первой группы определяют ландшафтно-биотическое состояние геосистемы, всего природного комплекса в целом. Факторы второй группы влияют на литокриогенное состояние ландшафтов.

В первой группе факторов первостепенными следует считать сравнительно упрощенную ландшафтную структуру криолитозоны и ее естественную тенденцию к дополнительному уменьшению разнообразия; замедленный биологический круговорот веществ, низкую способность к самовосстановлению растительности, слабую способность к самоочищению; крайнюю неустойчивость к внешним воздействием природных комплексов с большим ресурсным потенциалом.

Во второй группе факторов определяющими являются: специфика тепло- и влагообмена в многолетне- и сезонномерзлых почвогрунтах; динамичность изменения их температурного режима ( особенно переход температуры через 0^о С); наличие различных по генезису и объему подземных льдов; резкая активизация криогенных процессов.

Методика оценки и картографирования геоэкологических ситуаций

На любом уровне исследований - и региональном и локальном, методика оценки стадий КЭС одинакова. Интенсивность нагрузки механического характера сопоставляется с устойчивостью природных ландшафтов матричным способом. Все виды оценочных построений проводятся на ландшафтной основе по экспертным оценкам.

На первом этапе оценивается потенциальная устойчивость ландшафтов к антропогенным воздействиям механического характера. Это их способность противостоять антропогенным воздействиям (чтобы сохранить свойственную им структуру и функционирование) наряду со способностью к самовосстановлению. Под мерзлотной устойчивостью геосистем понимается их способность противостоять техногенной активизации криогенных процессов, которые не только изменяют облик коренных ландшафтов, но и составляют угрозу функционированию инженерных сооружений [6].

Главное, изменения ландшафта не должны привести к необратимому ухудшению экологической обстановки и недопустимым деформациям инженерных сооружений. Основной показатель реакции северных геосистем на внешние воздействия - криогенные процессы. Таким образом, оценка потенциальной устойчивости криогенных ландшафтов основана на покомпонентном анализе влияния ведущих природных факторов на снижение устойчивости ландшафта в целом под действием нагрузок (с точки зрения влияния на процесс оттаивания-промерзания) и, как следствие, активизацию криогенных процессов [2, 7].

При оценке устойчивости ландшафтов в области вечной мерзлоты (в первую очередь, для инженерных целей) выбирается ряд критериев, влияющих напрямую на потенциальную активизацию опасных криогенных процессов, связанных с фазовыми переходами воды. Это льдистость и температура мерзлых пород, глубина сезонного протаивания или промерзания, рельеф (степень расчленения, крутизна склонов и пр.), теплоизоляционные свойства растительности и скорость ее самовосстановления. Всем ландшафтам присваивается соответствующий экспертный балл по каждому из них. Баллы - это сравнительно-качественная оценка, которая дает возможность численного сопоставления и качественных, и количественных характеристик.

Способы выведения интегральной оценки устойчивости зависят от таксономического ранга геосистем. Практика показала, что для целей сравнительного анализа устойчивости геосистем региональной размерности допустимо применять качественную оценку и даже оперировать простым сложением покомпонентных баллов [7]. В крупномасштабных исследованиях целесообразно использовать многофакторный корреляционный анализ оценочных критериев, который, во-первых, позволяет оценивать значимость того или иного фактора и, во-вторых, приближает качественную оценку к количественной [8]. Во всех случаях традиционно используют экспертные баллы, которые либо просто складывают, либо выводят среднее арифметическое (реже - среднее геометрическое), либо используют расчетно-статистические методы. Достоинство баллов - возможность численного сопоставления количественных и качественных характеристик. Недостаток - субъективизм при выборе показателей и при построении шкалы ранжирования, а также отсутствие у баллов некой размерности ( что впрочем легко решается, если назначать баллы на фоне единой интервальной 100 центовой шкалы ) [2, 9].

Все факторы устойчивости ландшафтов к проявлению криогенных процессов имеют различные единицы измерения. Используя ландшафтную основу и базу данных с конкретными значениями, их можно отобразить на карте в виде отдельных тематических слоев (льдистости, температуры грунтов и т.д.) и далее использовать «оверлей». Это достаточно трудоемко и не всегда оправдано. Для облегчения картографирования целесообразно проводить экспресс-оценку столь разнородных показателей с выведением интегральных индексов, как то: коэффициент мерзлотной устойчивости - КМУ, экологической опасности - КЭО, коэффициент опасности - К₀ и пр. [2, 9]. С учетом их градаций ландшафты типизируются на три-четыре группы устойчивости к проявлению криогенных процессов.

Так, в группу неустойчивых геокомплексов с максимальной предрасположенностью к активизации криогенных процессов практически всегда входят плоскобугристые торфяники и полигонально-валиковые болота (КМУ >0.75) по причине высокой льдистости и высокой теплоизоляции покровов. В группу относительно устойчивых природных комплексов в типичной тундре, лесотундре, тайге с КМУ < 0.45 входят переходные болота плакоров и долин малых рек, прирусловые отмели из-за малой льдистости и слабых теплоизолирующих свойств напочвенного покрова.

На втором этапе оценивается антропогенная нагрузка механического характера разной интенсивности имеющая как техногенный, так и пасторальный характер (выпас оленей).

Таблица 2. Категории антропогенной нагрузки

Шкала нагрузки (табл.2) состоит из четырех ступеней по степени возрастания ее интенсивности (на карте это условные буферные зоны механического воздействия определенного радиуса). Например, первая ступень - наиболее слабая степень воздействия; механические нарушения имеют импульсный характер и составляют 5% от площади условной буферной зоны. Возникают в результате разового проезда гусеничного транспорта в летнее время, либо единичного прогона оленей. Остаточная оленеемкость составляет 80% от природной. Видимая реакция на воздействие отсутствует. Характерна для площадок бурения, временных дорог, автозимников, гарей. В последующие годы происходит их относительно быстрое самовосстановление.

Четвертая ступень имеет самую большую площадь механической нарушенности - до 50%, фиксируется в радиусе до 0, 3 км. Здесь наблюдается изменение естественного рельефа, насыпи, постоянные дороги, площадные сооружения, котловины, траншеи, уничтожение почвенно-растительного покрова, удаление или накопление снежного покрова, дренирование или подтопление и др., а также места ненормированного выпаса стад (остаточная оленеемкость менее 30%). Самовосстановления в их пределах не происходит. Формирование вторичных фитоценозов на отвалах и насыпях идет крайне медленно. Даже спустя 40-50 лет на них наблюдаются лишь пионерные группировки с пестрым видовым составом [2].

На третьем этапе определяются типы геоэкологических ситуаций по таблице - матрице (табл. 3), в которой по горизонтальной оси -три группы мерзлотной устойчивости, а по вертикали -четыре категории нагрузки определенного спектра и интенсивности. Тип возможной ситуации определяется по сумме баллов в каждой ячейке матрицы. В итоге по сумме баллов все ячейки объединяются в четыре группы, формируя типы геоэкологических ситуаций: удовлетворительная, напряженная, критическая, кризисная.

В региональном аспекте, в пределах Ямбургского месторождения, удовлетворительная ситуация (сумма баллов 2-3), формируется в относительно и слабоустойчивых природных комплексах (низинные болота, отмели) при очень слабой нагрузке. Здесь наблюдается некоторое увеличение протаивания низинных болот, что внешне не отражается на облике ландшафта.

Таблица 3. Оценка формирования геоэкологических ситуаций

* - Геоэкологические ситуации по сумме баллов: удовлетворительная (2-3); напряженная (4); критическая (5); кризисная (6-7)

Кризисная экологическая ситуация, собственно КЭС (сумма баллов 6-7), формируется в двух случаях: в неустойчивых в мерзлотном отношении ландшафтах третьей группы (выпуклобугристые и плоскобугристые торфяники с полигонально-жильными льдами) при умеренном и сильном воздействиях и в слабо устойчивых ландшафтах второй группы (тундры на минеральных льдистых грунтах и низких торфяниках) при сильной механической нарушенности.

На четвертом этапе составляется Карта геоэкологических ситуаций

Карта мерзлотной устойчивости ландшафтов сопоставляется с Картой антропогенной нагрузки путем наложения («оверлея») соответствующих тематических слоев [8]. Легендой к карте можно считать таблицу - матрицу (табл.3). На рисунке 2 показан фрагмент крупномасштабной Карты геоэкологических ситуаций Ямбургского месторождения. В оригинале для отображения трех групп потенциальной мерзлотной устойчивости в пределах ландшафтных выделов используется цветной фон. Степень антропогенного воздействия в пределах буферных зон вокруг техногенных объектов показана пунктирной и сплошной линиями черного цвета. Четыре вида штриховок разных цветов отображают результат их сочетания - формирующиеся типы геоэкологических ситуаций.

Рис. 2. Фрагмент карты геоэкологических ситуаций Ямбургского месторождения

В настоящей статье освещаются проблемы диагностики экологических ситуаций с позиций инженерно-мерзлотного риска освоения. Каждую ситуацию можно дополнить информацией по ресурсно-биотическому состоянию территории (для севера важна оценка пастбищепригодных земель). Следовательно, составив Карту оленеемкости и совместив ее с Картой геоэкологических ситуаций (в которой отражена реакция ландшафтов на проявление криогенных процессов) можно получить более емкую мерзлотно-экологическую характеристику и самих ситуаций, и входящих в них природных комплексов.

Выводы

1.Геоэкологические ситуации в криолитозоне определяются активизацией криогенных процессов, которая в свою очередь зависит от потенциала устойчивости ландшафтов и интенсивности антропогенной нагрузки.

2. Устойчивость криогенных ландшафтов - способность противостоять техногенной активизации криогенных процессов, которые могут привести к необратимому ухудшению экологической обстановки и недопустимым деформациям инженерных сооружений, наряду со способностью к самовосстановлению. Антропогенная нагрузка механического характера учитывает не только степень линейно-площадной нарушенности в зонах влияния газо-нефтепромысловых объектов, но и степень дигрессии пастбищ вследствие перевыпаса.

3. Период развития геоэкологических ситуаций (от относительно удовлетворительной до кризисной) составляет от 3-10 до 10-15 лет. Самовосстановление ландшафтов происходит через 20 и более лет.

Библиографический список

1.Кочуров Б.И. Экодиагностика и сбалансированное развитие. - М., 2003. - 387c.

2. Геоэкология криолитозоны: учеб.пособие / Тумель Н.В., Зотова Л.И. - M.: Изд. дом Россельхозакадемии, 2014. - 244 с.

3.Зотова Л.И., Конищев В.Н., Марахтанов В.П., Соломатин В.И., Тумель Н.В., Чигир В.Г. Кризисные экологические ситуации в криолитозоне // География (Программа "Университеты России") - М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1993, с. 203-215.

4.Москаленко Н. Г. Антропогенная динамика растительности равнин криолитозоны России. Новосибирск: Наука. Сибирская изд. фирма РАН, 1999. 280 с.

5. Проблемы общей и прикладной геоэкологии Севера. Под ред. В. И. Соломатина. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. с. 335- 343

6. Тумель Н.В., Зотова Л.И., Гребенец В.И. Концепция устойчивости криогенных ландшафтов // Географические научные школы Московского университета. Под ред. акад. Н.С. Касимова и др. М.: Издательский дом «Городец», 2008: 139-144.

7. Шполянская Н.А., Зотова Л.И. Освоение Севера: как сохранить равновесие в природе. // Экология и жизнь, №11, 2010, с.66-73.

8. Зотова Л.И., Королева Н.А., Дедюсова С.Ю. Оценка и картографирование кризисных экологических ситуаций на территориях газопромыслового освоения в криолитозоне. // Вестник Моск.ун-та, сер.5 «География», №3, 2007, с.54-59.

9. Зотова Л.И. Теоретические и прикладные аспекты экспертной геоэкологической оценки опасности хозяйственного освоения в рамках новой образовательной программы // Мат-лы Четвертой конф. геокриологов России. Т.3.Часть 9. - М.: Изд-во Моск. ун-та, - 2011. - С. 224-231.

Размещено на Allbest.ru