Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Глава 1ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА ОАО "ГАЗПРОМ"
ПРИРОДООХРАННАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Открытое акционерное общество "Газпром" представляет собой многопрофильный производственный комплекс, объединяющий в организационную, технологическую и финансовую систему предприятия по бурению, добыче, транспорту, переработке, поставкам природного газа.
"Газпром” является одной из крупнейших в мире газовых компаний, доля которой в общемировой добыче составляет 23 %. Удельный вес в общероссийской добыче газа — 94 %. Развитие и управление функционированием объектов действующей в России Единой системы газоснабжения (ЕСГ) возложено на ОАО "Газпром". В составе ЕСГ России разрабатывается 69 газовых и газоконденсатных месторождений, эксплуатируется сеть магистральных газопроводов протяженностью 145,2 тыс. км [1].
Экологическая политика. В последние годы в отрасли произошел пересмотр позиций в отношении охраны окружающей природной среды. Решение этой жизненно важной проблемы приобрело приоритетное значение, что нашло отражение в отраслевой экологической политике, утвержденной специальным постановлением Правления ОАО “Газпром” от 14.04.95 г. Разработан комплекс новых решений, направленных на улучшение экологической обстановки в районах размещения объектов газовой промышленности.
Основополагающими принципами экологической политики являются забота об охране здоровья и безопасности работников отрасли, защита окружающей среды, минимизация техногенного воздействия на нее. Экополитика базируется на разработанных в соответствии с российскими законами, нормами и правилами в области охраны окружающей среды отраслевых нормативах, постоянном совершенствовании их в целях достижения показателей мирового уровня, сотрудничестве с законодательными и природоохранными органами.
ОАО "Газпром'' — экологически ориентированная компания, одна из первых в нашей стране вступившая во Всемирный совет предпринимателей по устойчивому развитию. Это качественно новый путь развития мирового сообщества, суть которого состоит в достижении баланса экономического, социального развития и сохранения природной среды.
Исходя из этого нового подхода к решению проблем экономического роста и защиты окружающей среды, "Газпром" при определении перспектив развития газовой индустрии основной упор сделало на рациональное использование сырьевой базы, экономное расходование природных ресурсов, развитие энергосберегающих технологий. Принцип экологической целесообразности, как и принципы, заложенные в Концепции устойчивого развития отрасли, являются основополагающими при разработке экономической стратегии.
В частности, решено перенести сроки освоения месторождений полуострова Ямал на 2005 г. и сосредоточить внимание на освоении средних по величине месторождений Надым- Пур-Тазовского региона. Это означает новый подход к созданию комплекса оборудования, обеспечивающего качественное и высокоэффективное освоение залежей.
Социально-экономическое развитие северных регионов, сохранение местной этнической общности, развитие традиционных форм деятельности коренных народов находятся в сфере постоянного внимания "Газпрома".
Природоохранная деятельность. Центральным административным подразделением "Газпрома" в области охраны природной среды является Управление НТП и экологии. Основные направления его деятельности заключаются в следующем:
совершенствование экологической политики;
организация производственного экологического контроля на объектах отрасли;
разработка и координация программ НИОКР по решению экологических проблем;
совершенствование отраслевых экологических нормативов, правил, стандартов;
сопровождение экологической экспертизы ТЭО, проектов, а также создаваемых новых технологий и оборудования;
сбор информации и комплексный экономико-экологический анализ затрат на природопользование;
анализ и обобщение данных статистйческой отчетности по охране природной среды;
разработка программ экологического обучения.
Сложившаяся в ОАО "Газпром" структура охраны окружающей среды с учетом приоритета решения экологических задач требует постоянного совершенствования. Практически во все производственные подразделения предприятии введены специалисты по охране окружающей природной среды. К основным экологическим проблемам отнесены: предотвращение растепления многолетнемерзлых пород (ММП) в арктических и субарктических районах Западной Сибири;
сохранение природного ландшафта;
утилизация технологических отходов бурения. Следует заметить, что на районы с экологически уязвимыми природноклиматическими условиями приходится около 90 % буровых работ;
последствия техногенных геодинамических процессов, которые могут влиять на устойчивость промысловых сооружений.
Проблема сохранения ММП потребовала тщательного изучения геокриологических и гидрологических условий строительства объектов. Обязательным стало выполнение следующих мероприятий: опережающей инженерной подготовки территорий (отсыпка площадок под кусты скважин и промысловые объекты в осенне-зимнее время при наличии промерзшего слоя тундры глубиной 20 — 30 см и др.); строительства объектов в зимний период; применения теплоизолированных труб; транспорта газа в охлажденном состоянии до отрицательных температур; использования техники в северном исполнении; исключения раскорчевки леса на льдистых грунтах (спиливание, рубка); дополнительного промораживания грунтов и т.п.
Для решения проблем снижения опасности техногенных геодинамических процессов была создана система геодинами- ческого мониторинга за разработкой газовых и газоконденсатных месторождений. Это позволяет не только существенно сократить в дальнейшем затраты на ликвидацию последст-
вий возможных аварийных ситуаций в силу их прогнозируемости, но и разработать действенные рекомендации по их предотвращению.
В качестве первоочередных объектов газовой промышленности для организации геодинамического контроля определены группа месторождений Надым-Пур-Тазовского региона (Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное), Бованенковское ГКМ и др.
Разработана Генеральная схема экологического оздоровления предприятий и акционерных обществ отрасли. В основу схемы положены следующие компоненты: характеристика экологической обстановки; оценка воздействия объектов на окружающую среду; оценка эколого-экономического ущерба; анализ текущих затрат и капитальных вложений, а также рейтинговой оценки экологичности предприятий; анализ производственных показателей. Разработан экономический механизм реализации схемы экологического оздоровления объектов отрасли [1, 2].
Нормативная база, руководствуясь в своей деятельности законами РФ “Об охране окружающей природной среды", "О недрах", "Об охране атмосферного воздуха", "Водным кодексом", "Земельным кодексом", соответствующими государственными программами, постановлениями и положениями Правительства РФ, международными конвенциями, а также принципами экологической целесообразности, ОАО "Газпром" постоянно совершенствует отраслевую нормативную документацию. Ежегодно разрабатываются и вводятся в действие новые нормативные документы, регламентирующие действия предприятий в области экологии при строительстве и эксплуатации объектов добычи, транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья.
С учетом зарубежного опыта экологического страхования, а также особенностей производственных объектов отрасли разработана Концепция экологического страхования в ОАО "Газпром", в которой определены основные теоретические положения построения отраслевой системы экологического страхования. Выработаны конкретные предложения по совершенствованию нормативно-правовой базы механизма возмещения ущерба от аварий с экологическими последствиями.
Экоэкспертиза. В области разработки экологических законодательных актов выполнена экспертная оценка ряда законодательных проектов; специалисты "Газпрома" принимают участие в составлении Государственного доклада о состоянии природной среды РФ.
Обязательной практикой при планировании производства, разработке предпроектных решений, составлении ТЭО на строительство и реконструкцию объектов стало проведение оценки воздействия на окружающую природную среду проектируемых и эксплуатируемых объектов. При отсутствии такой оценки проектная документация не подлежит рассмотрению.
Позиция экологической и экономической целесообразности выражается в тщательном проведении экологической экспертизы на стадии ТЭО проектирования объектов отрасли. При несоответствии экологическим требованиям предпроектных либо проектных материалов документация возвращается на доработку в проектный институт.
Оптимизация режима эксплуатации объектов с экологических позиций потребовала проведения исследований по оценке степени техногенного воздействия на окружающую природную среду.
Экомониторинг. Создается отраслевая система производственного экологического мониторинга за выбросами вредных веществ и сбросами сточных вод, состоянием воздуха, водной среды и почв в районах расположения производственных объектов. Такая система станет составной частью Единой государственной системы экологического мониторинга. Внедрение действенного эффективного экомониторинга на базе современных информационно-аналитических систем означает обеспечение экологической безопасности и предотвращение экологических катастроф [1, 3].
В рамках этой концепции ОАО "Газпром" создает многоуровневую иерархическую систему производственного экологического мониторинга (ПЭМ) с отраслевым центром в г. Москве, тремя региональными центрами мониторинга и центрами мониторинга на предприятиях. Основные особенности создаваемой системы ПЭМ:
обеспечение работы системы в реальном масштабе протекания экологических процессов для оперативного представления результатов измерений и наблюдений;
сбор информации о состоянии различных природных сред на производственной площадке, в селитебной и санитарнозащитной зонах;
объединение с территориальными системами и Единой государственной системой экологического мониторинга в плане обмена информацией о состоянии окружающей среды.
Для решения этих проблем реализуется комплексная научно-техническая программа "Создание и внедрение системы
производственного экологического мониторинга объектов ОАО “Газпром''. Первый этап программы рассчитан на 1997 — 2000 гг. На этом этапе отрабатываются технологические, информационные, организационные и правовые аспекты решения задач мониторинга. Завершена разработка ТЭО "Производственного экологического мониторинга газовой промышленности", предусматривающего поэтапное создание системы. На полное развитие системы ПЭМ ОАО “Газпром" до 2007 г. выделены капитальные вложения в объеме около 561 млрд. руб. [1, 4].
Экологическое образование. Статус приоритетности эколого-просветительской деятельности закреплен официально в Конституции РФ, законе “Об охране окружающей природной среды", указе Президента РФ "О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития".
Особый аспект экообразования — подготовка профессиональных экологов для нефтегазовой промышленности. Системное, комплексное обучение студентов по специальности "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" проводит РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина для совершенствования уровня знаний в Учебно-информационном центре университета специально для персонала экологических служб "Газпрома" с 1989 г. систематически действуют курсы повышения квалификации.
Концепция научно-технической политики. В процессе добычи, переработки, транспортировки и распределения огромных объемов природного газа "Газпром" последовательно реализует свою экологическую политику, направленную на существенное снижение техногенного воздействия на окружающую среду. Эта исключительно важная работа проводится предприятиями на основе использования современных научных достижений в тесном взаимодействии как с субъектами РФ, так и со многими зарубежными компаниями.
Концепция научно-технической политики ОАО "Газпром" до 2015 г. содержит следующие стратегические цели в области охраны окружающей среды [1]:
повышение экологической безопасности объектов отрасли на основе создания и внедрения экологически чистых технологий и технических средств;
стабилизация и последующее сокращение объемов выбросов парниковых газов (метана и диоксида углерода) на основе внедрения технологических процессов, значительно снижающих выбросы вредных веществ в атмосферу;
снижение сбросов загрязненных сточных вод и в дальнейшем прекращение сброса;
совершенствование охраны и методов рекультивации земель;
разработка концепции геоэкологической безопасности промышленных объектов;
создание системы производственного экологического мониторинга;
дальнейшее снижение выбросов оксидов азота в соответствии с обязательствами России о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния;
разработка методов, технических средств и технологий по выявлению потерь природного газа на объектах газовой промышленности и их ликвидации;
перевод автотранспорта на газомоторное топливо.
Экологический эффект строительства кустовым способом наклонно направленных и горизонтальных скважин заключается в существенном снижении объемов земляных работ по сравнению с традиционным освоением одиночными вертикальными скважинами, что способствует максимальному сохранению естественного тундрового покрова северных регионов.
Совершенствование рецептур буровых растворов на основе применения малотоксичных реагентов и их оптимального сочетания позволило снизить степень опасности отходов бурения до низшего (IV) класса, т.е. практически не опасного для природной среды, что подтверждено комплексными экологическими исследованиями.
Завершена разработка технологического регламента на проектирование системного инженерно-геоэкологического мониторинга, включающего мониторинг как компонентов природной среды (вода, воздух, почвы, грунты), так и объектов добычи, переработки и транспорта газа на полуострове Ямал.
На предприятии "Ямбурггаздобыча" создана опытная зона ПЭМ “Север" с целью отработки основных элементов производственного экологического мониторинга объектов отрасли в условиях Крайнего Севера. Диагностика и управление работой автоматического поста экологического контроля (АЛЕК) осуществляется дистанционно из центра мониторинга "Ямбурггаздобычи" или по каналам спутниковой связи "Ямал" из отраслевого центра. В районе Ямбургского и Заполярного месторождений прошла испытания мобильная экологическая станция на базе шасси "ТРЭКОА”, предназначенная для периодического контроля воздуха, воды и почв [1, 5].
Закончен начальный этап разработки специализированной информационной системы СИС-Ямал — надежного и эффективного инструмента информационного обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации объектов добычи, транспорта и переработки газа и газового конденсата на п-ове Ямал. Создан архивный банк данных, включающий результаты исследований, проведенных на Ямале в 1991 — 1997 гг., сведения о природной среде и социальных условиях, законах, нормативах и инструкциях, методах и средствах сбора информации, а также характеристики производственных объектов, модели и методы расчетов. СИС-Ямал даст возможность оперативно получать информацию, оценивать и прогнозировать природную, производственную и социальную ситуации, включая экстремальные случаи, степень техногенного воздействия с применением средств математического моделирования, оперативно разрабатывать мероприятия по снижению негативных воздействий на природу, осуществлять мониторинг состояния природной среды, социальных условий и инженерных объектов [1, 6].
Заложенные в Ямальский проект прогрессивные решения социально-экономического и экологического аспектов освоения региона, выполненная глобальная оценка суммарного воздействия на окружающую среду всех инженерных сооружений, собранная уникальная информация о флоре и фауне, гидрогеологических условиях и криологическом строении Ямала, исчерпывающий картографический материал позволяют с уверенностью надеяться на успешную реализацию этого проекта в будущем.
На природоохранные мероприятия из всех источников финансирования в 1994 г. израсходовано более 124 млрд. руб. (в ценах 1997 г.), в 1995 г. — 290 млрд., в 1996 г. — 705,3 млрд, и в 1997 г. — 623,6 млрд. руб. Если в 1994 г. природоохранные затраты составляли около 2 % от всех капитальных вложений в развитие отрасли, то в последующие годы эта цифра возросла до 3 % [1, 7].
ОХРАНА И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ
Цели и задачи в области охраны земель: организация почвенно-экологического мониторинга; создание банка данных об антропогенном изменении почв на объектах отрасли; разработка карт-схем антропогенного изменения почвенного покрова как основы для мониторинга и рекультивации нарушенных земель; совершенствование методов охраны и ре-
культивации почв; создание системы интегральных критериев для оценки качества почв; постепенный переход на безам- барный способ бурения скважин; ликвидация задолженности по рекультивации нарушенных земель [1].
Существуют три основных приема, направленных на предотвращение или уменьшение негативных последствий механического нарушения почв или их химического загрязнения: снижение до минимума числа и размеров промышленных площадок, дорожных путей (это особенно актуально для северных районов); локализация отходов производства; сокращение этих отходов.
Несмртря на тщательное проведение почвозащитных мероприятий в районах размещения объектив отрасли, происходит деградация почв, что ведет к трансформации естественного ландшафта. В связи с этим неизбежны и обязательны рекультивационные работы.
Рекультивация земель. Проводимая на месторождениях Западной Сибири рекультивация нарушенных земель имеет природоохранное, санитарно-гигиеническое, а также частично сельскохозяйственное назначение (восстанавливаются оленьи пастбища).
Однако до 1984 г. рекультивация проводилась замедленными темпами, ряд предприятий имел задолженность, которая должна быть ликвидирована к 2000 г. Эту негативную тенденцию удалось переломить. В 1994 г. было рекультивировано и сдано землепользователям почти 7 тыс. га, в 1995 г. восстановлено 10,0 тыс. га нарушенных земель, из них возвращено землепользователям 7,35 тыс. га, в 1996 г. — 8,9 тыс. га. В 1997 г. рекультивировано 7,4 тыс. га, из них передано землепользователям 5,2 тыс. га [1, 7]. '
Предприятиями отрасли рекультивационные работы ведутся по классической схеме: технический этап плюс биологический этап. При отсутствии химического или иного загрязнения почв ограничиваются техническим этапом. В большинстве случаев необходима биологическая рекультивация, предусматривающая очистку почв от загрязнителей, основными из которых являются нефтепродукты.
В ряде районов с разными типами почв с успехом начали применяться микробиологические способы очистки, разработанные отечественными специалистами. В Уренгойгазпроме устранение нефтяных загрязнений велось с помощью микробиопрепаратов типа "Биоприн", “Дистройл" и “Валентис". Как показала гигиеническая оценка, последний препарат не содержит в качестве добавок токсичных соединений и обла-
дает выраженным деструктивным эффектом в отношении разных фракций нефти, не тормозит процесс минерализации органического вещества и не нарушает процесс бактериального самоочищения. Планируется расширение масштабов применения этих препаратов и поиск новых более эффективных почвозащитных способов и средств
Важное значение имеет увеличение объемов работ по рекультивации нарушенных земель и сдаче их постоянным землепользователям. Основные мероприятия, проводимые при рекультивации земель, включают:
залужение земель (способ рекультивации, заключающийся в искусственном засеве семенами многолетних трав в сочетании с местными видами);
озеленение территорий;
снятие плодородного слоя почвы при строительстве и сохранение для последующей рекультивации нарушенной территории;
берегоукрепительные работы в районе подводных переходов газопроводов;
рекультивация карьеров;
очистка русел рек;
осушение вдольтрассовой территории;
противооползневые работы;
проведение превентивных мероприятий по охране земель.
В целях восстановления плодородного слоя нарушенных земель и ликвидации задолженности по передаче их землепользователям предприятия "Газпрома" выполняют следующие основные виды работ:
рекультивацию и возврат землепользователям земель; обработку загрязненных территорий биопрепаратами; лесопосадки;
снятие плодородного слоя почвы при строительстве объектов в целях сохранения ее для дальнейшей рекультивации;
контроль качества почв.
Экомониторинг почв. Создание автоматизированной системы производственного экологического мониторинга является необходимым шагом для объективной оценки реакции окружающей среды на техногенное воздействие. Система ПЭМ предназначена для осуществления контроля за состоянием почв в районах расположения объектов газовой промышленности. Цель мониторинга — получение достоверной и сопоставимой количественной оценки степени нарушенно- сти почвенных экосистем и прогноз развития экологических процессов.
К наиболее важным экологическим проблемам, сопутствующим добыче, транспорту, хранению и переработке природного газа, относится нарушение почвенного покрова вследствие механического воздействия и химического загрязнения. Это предопределило разработку системы почвенного мониторинга на объектах отрасли, поиск новых методов защиты от загрязнения и совершенствование существующих, а также своевременное безотлагательное проведение рекультивационных работ.
Основными задачами создаваемого мониторинга загрязненных почв являются регистрация уровня загрязнения почв и изменения их химического состава, определение тенденций изменения химического состава почвы во времени, оценка экологических последствий загрязнения (последнее относится и к механически поврежденным, незагрязненным почвам) на основе биодиагностики.
В соответствии с разработанными для отрасли принципами картографирования созданы карты-схемы нарушенных почв на территории наиболее типичных газотранспортных объектов. Данные карт-схем содержат информацию, необходимую как для оценки техногенного воздействия на почвы, так и для выбора рекультивационных мер. Создано важное звено почвенно-экологического мониторинга — система интегральных критериев оценки экологического состояния почв. На основе многолетних оригинальных данных ВНИИга- за отобраны самые информативные оценочные показатели комплексного характера, включая биологические.
Гипроспецгазом впервые в газовой отрасли разработан Атлас земель притрассовых объектов Комсомольского ЛПУ магистральных газопроводов. Он включает набор электронных топографических и прикладных карт, текстовые, графические и табличные приложения. Внедрение электронных версий атласов земель объектов отрасли, которые в будущем должны стать составной частью Единого земельного кадастра России, позволит упорядочить учет земель, находящихся в пользовании предприятий.
Новые методы и технологии. Для будущей рекультивации земель на Ямале, нарушение которых в процессе строительства неизбежно, несмотря на заложенные в проекте минимальные площади земельных отводов, проведен комплекс многолетних исследований. В результате разработано 16 технологических методов инженерной и биологической рекультивации [1].
Перспективным направлением рекультивации песчаных
субстратов северных территорий является применение биостимуляторов (на основе почвенных микроорганизмов и молочнокислых бактерий) и полимеров с одновременным посевом трав без использования торфа. Технология базируется на современных достижениях в области сельскохозяйственной биологии и микробиологии, агропочвоведения, химических средств защиты растений и полимерных пленкообразующих и влагоудерживающих составов. Разработка может быть использована на территориях Уренгоя, Ямбурга и Ямала.
Нетрадиционный экономически и экологически высокоэффективный подход к рекультивации нарушенных земель положен в основу способа использования отработанных буровых растворов, точнее, их компонентов (бентониты и нетоксичные полимеры) для приготовления рецептур, необходимых для качественного проведения рекультивационных работ, в сочетании с биостимуляторами и посевом трав. Особенно актуально применение этой технологии для территорий Крайнего Севера, где процессы природного самовосстановления растительного покрова занимают десятки лет, а также для всех техногенно обусловленных песчано-пустынных территорий.
Проведенный на территории ГПУ месторождения Медвежье с сильно эродированной почвой эксперимент по применению бентонитополиакриламидных смесей совместно с биостимуляторами и посевом многолетних трав показал высокую всхожесть семян (на 25 — 30 % превышающую контрольный вариант) и хорошую устойчивость растительного покрова при высоте зелени в 2 — 3 раза большей, чем без бентонита. Это позволяет отказаться от дорогостоящей ликвидации амбаров-накопителей малотоксичных отработанных буровых растворов. Такие амбары со временем в результате испарения воды превращаются в живописные зеленые уголки возле буровых скважин.
Следующий этап исследований — подробное изучение составов всех буровых растворов, применяемых в газовой промышленности, и выработка рекомендаций по полезному использованию их компонентов для рекультивации нарушенных земель. При выявлении токсичных компонентов буровых растворов будет действовать принятая ранее схема ликвидации амбаров.
Рассмотрим подробнее нетрадиционные способы восстановления растительного покрова северных территорий, на которых семена высеваются в грунты, не обогащенные элементами минерального питания, торфа и извести.
Природные модели самовосстановления положены в основу разработки демутационного способа биорекультивации нарушенных земель Субарктики. При этом рекультивация осуществляется по эволюционной схеме (растение — почва — растение) с малыми дозами минеральных удобрений [8].
В естественной тундре восстановление растительного покрова протекает в три взаимосвязанные стадии. На начальной стадии развиваются виды апофитного, рудерального и антропохорного происхождения с ускоренным циклом развития в 1 — 2 года. На переходной стадии происходит развитие растений апофитно-климаксовой природы со средним по продолжительности циклом развития 3 — 5 лет. Коренную стадию состав/хяют растения видов апофитно-климаксовох! природы с продолжительным жизненным циклом. В первые годы жизни они развиваются под покровом первой и второй групп.
Опыты 1992—1994 гг., проведенные на Ямбургском ГКМ, позволили определить состав универсальной травосмеси, моделирующей демутационные процессы. В результате самовосстановление ускоряется в 5—10 раз по сравнению с естественным, причем примерно на 7 % площадей рекультивируемых земель формируется почвенный горизонт А мощностью 8—15 см и травяной покров с проективным покрытием до 90 %, преобладанием климаксовых видов.
Универсальная травосмесь состоит из 20 видов растений тундровой зоны и 40 интродуцированных. Все виды разделены на две группы: основная (30) и дополнительная (30). По изложенному способу одновременно с восстановлением растительного покрова идет восстановление почв и создание условий для смены стадий. Предлагается высокая норма высева семян — 118 кг/га, из них 12 видов апофитно-рудеральных (с нормой 84 кг/га), 8 видов климаксо-апофитных (32 кг/га) и 10 видов (2 кг/га).
Демутационный способ включает следующие технологические процессы: боронование поверхности в два следа; посев семян универсальной травосмеси специальной сеялкой; боронование поверхности в один след; прикатывание посева специальными катками; подкормку нитроаммофоской из расчета 30 — 40 кг/га. Общая стоимость биологической рекультивации составляет 3,0 —3,5 тыс. руб/га в ценах 1984 г.
В ВНИПИгаздобыче разработаны биолого-химический метод и авиатехнология рекультивации нарушенных земель для районов освоения газовых месторождений Севера, апробированные на Бованенковском и Уренгойском ГКМ [9]. Сущ-
ность метода заключается в том, что в посевы трав при минимуме внесения удобрений вносится 3 — 5%-ный водный раствор латекса. Защитное покрытие обеспечивает противоэро- зионную устойчивость почвы и создает благоприятный микроклимат для фитоцерозов в результате образования водопрочной пористой микроструктуры с сохранением в ней фильтрационных свойств. Стойкость покрытия сохраняется в течение 6 лет.
Опытные площадки заложены в 1988—1990 гг. на участках с различными типами природных комплексов. В 1991 г. проведены опытно-промышленные работы по рекультивации земель. После трех — пяти зимовок наиболее высокая сохранность посевов отмечена под латексом, где проективное покрытие составило до 90 %, в травостое преобладают бек- мания (до 80 %), овсяница красная, вейники. В 1994 г. отмечено активное заселение участков с латексным покрытие местными дикоросами и мхами, что позволяет говорить о восстановлении естественных биоцентров. На контрольных участках отмечена деградация посевов.
Латексное покрытие изменяет микроклимат верхних слоев почвы, повышая ее температуру на 2 —7 °C, защищает проростки от заморозков. С развитием растительности под латексным покровом уменьшается и степень прогрева по сравнению с нарушенной поверхностью, наблюдается изменение температурных и почвенных условий, что способствует смене видов растений.
При обработке латексом подготовка почвы под посевы упрощается. В зимний период осуществляют планировку территории, весной или осенью вносят семена с удобрениями, а затем посевы покрывают полимером. Норма высева семян (5—10 кг/га) практически совпадает с результатами исследований Башкирского государственного университета для Ям- бургского ГКМ [10].
В качестве наиболее экологически приемлемой технологии проведения рекультивационных работ предложена авиатехнология. Преимущество ее заключается в высокой скорости проведения работ, которая увеличивается с 3,3 га/день при работе наземной техникой до 20 га/день при использовании вертолета МИ-8, оборудованного специальной подвеской. Рекомендуемая высота полетов 10—12 м, скорость 80 — 100 км/ч, ширина перехода 5 м для удобрений и 10 м для травосмесей. При нанесении латекса параметры могут быть увеличены на 20 %.
Данная технология особенно эффективна в местах, недо-
ступных для наземной техники: она может применяться как для больших территорий, так и для небольших площадей вокруг промплощадок, при этом исключает дополнительные нарушения природных ландшафтов. Себестоимость биологохимической рекультивации наземным способом на 01.04.94 г. составляла от 618 до 2826 тыс. руб/га, авиационным — от 550 до 2656 тыс. руб/га при расстояниях 1 и 20 км.
Для технической мелиорации грунтов криолитозоны водным раствором полимера предлагается использовать поливиниловый спирт (ПВС) [И]. В опытах по закреплению льда, мерзлых суглинков и песков при температуре —4 °C было получено увеличение эквивалентного сцепления суглинка более чем в два раза с ростом концентрации ПВС в поровом пространстве от 0 до 3 %. Для мерзлого песка достаточно концентрации ПВС 1 %.
Связующая способность полимера полностью сохраняется в оттаивающих грунтах благодаря образованию стойких гелеподобных пространственных структур. Такой композиционный материал оказывается сшитым волокнами и пленками кристаллического полимера. В дальнейшем полимер в водной среде только набухает, но не растворяется. Полученный материал обладает эластичностью и связанностью. Стабилизированные грунты способны противостоять ветровой и водной эрозии. При концентрации 2 % в воде или 0,44 % в мелком пылеватом песке ПВС в опытах прекращает водную эрозию. В корнеобитаемом слое поверхности температура повышается на 3 — 4 °C, влажность на 5—12 % и создаются благоприятные условия для укоренения и развития растений- рекультивантов.
В настоящей работе рассмотрена концепция рекультивации нарушенных земель криолитозоны на основе альгофи- томелиорации. Исследования проводились учеными Башкирского государственного университета в течение 4 лет в условиях Ямала, месторождений Медвежье и Ямбургское [12].
Одно из актуальных научных направлений в области охраны природы — восстановление ягельных пастбищ Крайнего Севера. Проводятся опыты по применению биологически активных соединений типа витаминных добавок, безвредных для людей и животных. В Надымгазпроме получены положительные результаты экспериментов по стимуляции роста лишайников. Однако влияние этих соединений на биосинтез требует тщательного изучения [1].
Глава 2
ОСВОЕНИЕ ЯМБУРГСКОГОГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИИ
Ямбургское месторождение расположено на Тазовском полуострове на территории Надымского и Тазовского районов Ямало-Ненецкого автономного округа Тюменской области и ограничено координатами: на юге — 67°39' северной широты; на севере — 68°20' северной широты; на западе — 74°50' восточной долготы; на востоке 76°48' восточной долготы.
Схема размещения Ямбурского ГКМ приведена на рис. 2.1.
Основные, базовые для освоения города Новый Уренгой и Надым находятся соответственно в 225 км южнее и 285 км юго-западнее месторождения. Остальные населенные пункты расположены по берегам Обской (Ныда, Нумги) и Тазовской (Тазовский, Находка, Антипаюта) губ. На восточном берегу Обской губы находится вахтовый поселок строителей и газодобытчиков Ямбург.
Доставка грузов на месторождение осуществляется по железной дороге Новый Уренгой — Ямбург, а также по автомобильной дороге от г. Новый Уренгой до порта Ямбург. Летняя навигация по Обской и Тазовской губам продолжается с июля до первой половины октября. На месторождении построена автомобильная дорога, соединяющая установки комплексной подготовки газа (УКПГ).
Газ транспортируется по системе магистральных газопроводов Ямбург —Центр, а для транспорта конденсата построен конденсатопровод Ямбург —Уренгой.
Газоносность нижнемеловых отложений Ямбурского месторождения установлена в 1972 г. в результате испытания сводовой скв. 1, из трех интервалов которой был получен промышленный приток газа.
Месторождение приурочено к одноименному куполовидному поднятию, охватывающему северную часть Ямбургского мегавала. По кровле отражающего горизонта Б (верхняя юра) Ямбургское поднятие имеет субширотное простирание и оконтуривается изогипсовой — 3850 м, размеры поднятия 55,0x47,0 км, амплитуда 250 м.
Геологический разрез Ямбургского месторождения представлен песчано-глинистыми отложениями мезозойско-
Рис. 2.1. Схема размещения Ямбургского ГКМ
кайнозойского осадочного чехла и породами полеозойского фундамента. Разрез осадочного чехла вскрыт на максимальную глубину 4515 м (скв. 500) при толщине 6 — 8 км.
Нижнемеловые продуктивные отложения месторождения относятся к тангаловской свите и представлены чередованием песчано-алевролитовых и глинистых пластов. Коллекторами газа, по данным анализа керна и геофизических исследований скважин, являются песчаники и алевролиты с глинистым цементом. К неколлекторам отнесены аргиллиты (аргиллитоподобные глины), а также прослои песчаников и алевролитов с базальным карбонатным цементом. Общая глинизация разреза происходит с юго-востока на запад и северо- запад. В нижнемеловых отложениях установлена газоносность 19 продуктивных пластов.
При подсчете запасов к коллекторам отнесены прослои с проницаемостью более 0,1310~15 м2 (0,13 мд), открытой пористостью более 11,2 % и относительной амплитудой собственных потенциалов апс более 0,2.
Параметры пластов, определенные по данным геофизических исследований, имеют следующие характеристики: пористость изменяется по пластам от 10 до 20 %, средняя по пластам составляет 12,96—15,09 %; проницаемость изменяется от 0,1 до 1000-10 15 м2, средняя по пластам составляет (39,42 — 152,80) 10-15 м2; газонасыщенность изменяется от 14 до 78,9 %, средняя по пластам составляет 60,27 — 89,19 %. Средние значения пористости, определенные по керну, значительно ниже, чем определенные по геофизике.
Начальное потенциальное содержание конденсата и коэффициент его извлечения для залежей нижнемелового продуктивного комплекса изменяются в пределах 110—128 г/м3 и 0,64 — 0,68 г/м3 соответственно при истощении пластовой энергии до 0,1 МПа.
Состав и свойства конденсатов указывают на возможность их эффективного использования для производства моторных топлив, высокое качество которых можно обеспечить вторичной переработкой. Конденсаты являются хорошим сырьем и для нефтехимии.
Исходя из утвержденных запасов газа, в проекте разработки установлен максимальный уровень его отбора 21,0 млрд. м3/год, который равномерно (по 7,0 млрд. м3/год) распределен по площади месторождения в пределах условно выделенных зон УКПГ.
Промышленная эксплуатация нижнемелового продуктивного комплекса началась в 1991 г. Освоение газоконденсатных
залежей осуществляется поэтапно, по мере расширения мощностей по подготовке газа и конденсата и подключения новых скважин.
С начала разработки (по состоянию на 01.06.99 г.) из нижнемеловых отложений отобрано 61,583 млрд, м3 пластового газа. В 1998 г. отбор газа составил 10,308 млрд, м3, конденсата - 0,859 млрд. м3.
На 01.06.99 г. общий фонд скважин в неокомских залежах Ямбургского ГКМ составляет 312 единиц, из них 181 находится в эксплуатационном фонде, 16 — наблюдательные, 3 — поглощающие, 112 — в консервации. Из 181 скважины эксплуатационного фонда действующими является 141: 40 скважин выведено в бездействующий фонд. На балансе буровых предприятий находится 69 скважин.
Причины вывода скважин в бездействующий фонд — низкая продуктивность и обводнение продукции. Последнее связано с нарушением герметичности эксплуатационных колонн, что приводит, как показали промыслово-геофизические исследования, либо к поступлению пластовой воды в скважины, либо к перетоку газа из неокомских залежей в водоносную часть сеноманских отложений.
Проектный технологический режим работы эксплуатационных скважин предусматривал их эксплуатацию при депрессиях на пласт 8 — 9 МПа. При этом средние начальные рабочие дебиты скважин в зависимости от зоны их расположения должны были составить 300 — 320 тыс. м3/сут. Фактические начальные дебиты скважин в районе УКПГ-1В варьировались в диапазоне от 232 до 970 тыс. м3/сут при среднем значении 462 тыс. м3/сут. Данное обстоятельство в большой степени связано с тем, что скважины, вводимые в первую очередь, располагались на высокопродуктивных участках структур. Последующий ввод скважин с более низкой продуктивностью привел к более интенсивному снижению среднего дебита и рабочих давлений на устье скважин. В 1998 г. средний дебит скважин составил 276 тыс. м3/сут.
Осложнения, возникающие при эксплуатации низкопродуктивных скважин, связаны с накоплением жидкости вследствие низких скоростей потока газа на забое, что приводит к их нестабильной работе вплоть до полной остановки.
Для увеличения производительности на скважинах проводятся обработки призабойных зон, в том числе спиртопенокислотные, спиртокислотные, солянокислотные.
Анализ распределения полей пластового давления свидетельствует о неравномерной отработке объекта. Наблюдают-
ся локальные депрессионные воронки вокруг отдельных групп скважин. Анализ динамики текущего пластового давления свидетельствует о том, что наиболее интенсивное снижение давления в зоне отбора газа наблюдалось в начальный период, после чего с ростом дренируемых запасов газа происходило замедление темпа снижения давления.
СВЕДЕНИЯ О СОСТОЯНИИ ЗЕМЕЛЬ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Согласно ТЭО обустройства Ямбургского газового месторождения, выполненному ЮжНИИгипрогазом с привлечением ПНИИС Госстроя СССР и других подрядных организаций в 1974 — 1979 гг., для обустройства Ямбургского месторождения предусматривались площадки для строительства следующих промысловых сооружений:
установок комплексной подготовки газа и дожимных компрессорных станций (ДКС);
кустовых газовых скважин;
вахтовых комплексов в районе каждой УКПГ на 60 — 120 чел.;
взлетно-посадочных площадок для вертолетов МИ-6 на всех УКПГ;
водозаборных сооружений в районе промысла;
водозаборных сооружений в районе промысловой, перевалочной баз (порта) и постоянного жилового поселка;
промысловой, перевалочной баз (порта) и базы стройор- ганизации;
постоянного жилового поселка;
канализационных очистных сооружений для жилового поселка, промысловой и перевалочной баз (порта);
взлетно-посадочной полосы для самолетов АН-26 и вертолетов в районе промбазы;
причальных сооружений и перевалочной базы в пос. Ныда;
карьеров минерального грунта для отсыпки промплощадок и автодорог.
Кроме перечисленных промысловых сооружений предусматривалась прокладка трасс инженерных коммуникаций:
коридоров внутрипромысловых инженерных коммуникаций (газопроводы, коллекторы, автодороги, линии электропередачи, водопроводы и др.);
газосборной сети и автодорог к скважинам;
автодороги и ВЛ-110 КВ (промысел—промбаза);
межпромысловой автодороги, ЛЭП-220 В и конденсато- провода между Ямбургским и Уренгойским промыслами.
Отвод земель площадью 6258,2 га (оленьи пастбища) для обустройства Ямбургского газового месторождения (проект "Ямбург-125") был утвержден решениями районного, окружного и областного Советов народных депутатов в 1984 г. Освоение месторождения началось в 1979 г. Из общей отведенной площади 3858,2 га предоставлено в постоянное, а 2400,0 га — в долгосрочное пользование.
В связи с новым проектом разработки Ямбургского газоконденсатного месторождения, предусматривающим добычу 205 млрд, м3 газа в год ("Ямбург-205"), в 1986 г. произведен дополнительный выбор площадок под строительство промсо- оружений, трасс инженерных коммуникаций, вахтовых жилых комплексов и временных вагон-городков для строителей общей площадью 5212,5 га, в том числе в постоянное пользование — 1654,5 га во временное пользование — 3558,0 га. Отвод этих земель утвержден в 1988 — 1989 гг.
Таким образом, по состоянию на 1990 г. за Ямбургским газоконденсатным месторождением по проектам "Ямбург- 125" и "Ямбург-205" закреплено 11470,7 га земель, в том числе в постоянное пользование — 5512,7 га и во временное пользование сроком от 3 до 5 лет — 5958,0 га.
В то же время, по данным специалистов Ленинградского государственного университета, Ямбургское газоконденсатное месторождение в фактических границах развития промышленного комплекса занимает площадь 125 000 га, границы которого устанавливались по материалам аэрофотосъемки 1988 г.
Увеличение фактической площади месторождения по сравнению с данными земельного учета произошло в основном по следующим причинам. В период от начала освоения до утверждения решений об отводе земель обустройства происходили изменения и перенос первоначально выбранных площадок и трасс инженерных коммуникаций по сравнению с утвержденным ТЭО.
Утвержденные нормативы отвода земель под промышленные сооружения и трассы инженерных коммуникаций, разработанные для средней полосы, занижены в начальной стадии строительства для районов Крайнего Севера в 3 — 5 раз. Освоение и разработку месторождения проводили без научно обоснованного комплекса природоохранных мероприятий.
Необходимо отметить, что к зоне месторождения в существующих границах относится территория, в несколько раз превышающая площадь 125 000 га. Часть этой территории (146 425 га) в 1993—1996 гг. была обследована ОАО “Институт
ЮжНИИгипрогаз" с использованием данных аэрофотосъемки с целью проведения экологической инвентаризации земель.
Обобщенные результаты экологической экспертизы сводятся к следующему:
из 146 425 га земель территории Ямбургского ГКМ нарушенными являются 28 627,6 га, или 19,6 %;
из нарушенных 28 627,6 га земель самовосстановление почвенно-растительного покрова произошло и происходит на площади 25 081,3 га, или на 87,6 %;
на оставшихся 3546,3 га нарушенных земель (2,4 % площади исследованной территории) необходимо провести комплекс рекультивационных работ, однако, учитывая динамику самовосстановления, можно утверждать, что выполнение технической и биологической рекультивации потребуется не на всей указанной площади, а лишь частично.
Согласно программе возврата земель, находящихся во временном пользовании ООО "Ямбурггаздобыча" в 1997 — 2000 гг., подлежат возврату в установленном порядке земли площадью 4115 га.
Глава 3ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНО-ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ
Окружающая природная среда образует сложное понятие, в рамках которого исторически получили развитие две формы взаимодействия общества и природы. Первая — потребление природы человеком, использование ее для удовлетворения своих материальных и духовных потребностей. Эта форма может быть названа экономической формой взаимодействия. Вторая форма взаимодействия — охрана окружающей природной среды как реакция на разрушительную деятельность человека в окружающей среде, загрязнение ее вредными отходами, истощение природных ресурсов и угрозу разрушения экологических связей. Это так называемая экологическая форма взаимодействия общества и природы [13-15].
С развитием производительных сил, ростом производства наряду с консервативными методами охраны природной среды появляется новое направление — рациональное использование природных ресурсов. Понятие "рациональное" подразумевает эколого-экономический аспект взаимодействия общества и природы. С середины XX в. рациональное природопользование как форма охраны природы становится частью проблемы защиты, оздоровления окружающей человека среды. В настоящее время принята Концепция устойчивого развития мирового сообщества, неразрывно связанная с охраной природной среды.
Таким образом, проблема охраны окружающей природной среды из региональной постепенно превращается в национальную, а затем международную.
В качестве объекта охраны окружающей природной среды под землей понимается поверхностный слой земной коры, включающий голую материнскую породу, поверхность дна водоемов, почвы и другие элементы. Взаимосвязь человека с землей обусловливает функции, которые выполняет земля. Как охраняемый законом природный объект, существующий независимо от воли человека, земля выполняет экологическую функцию, как объект хозяйствования — экономическую. Правовое регулирование отношений, связанных с выполнением землей этих функций, осуществляется экологическим и земельным правом [14, 15].
Специфика земельных отношений определяется объектом этих отношений — землей, которая в зависимости от целей выполняет различные функции. С одной стороны, земля служит пространственным операционным базисом, местом для размещения зданий, сооружений, коммуникаций, являясь материальным условием для производства. С другой стороны, для сельского и лесного хозяйства земля — основное средство производства растений и животных.
Существуя как природный объект, без воздействия человека, земля как средство производства характеризуется плодородием (почва — это неизнашиваемое, вечное средство производства при рациональном использовании), а также пространственной ограниченностью, постоянством местонахождения и незаменимостью.
Положение земли как всеобщего условия и средства производства, служащего источником удовлетворения материальных и социально-культурных потребностей и являющегося одновременно природным объектом, находящимся во взаимодействии с окружающей средой, предопределяет нераз-
рывную связь земельных отношений с отношениями, имеющими своими объектами воды, леса, недра, животный мир, т.е. окружающую природную среду в целом. В силу общности и тесного естественного взаимодействия между всеми природными ресурсами, находящимися в сфере хозяйственного использования, земельные отношения входят в единую группу природно-ресурсных отношений.
В связи с тем, что использование природных ресурсов оказывает влияние на экологическое состояние сопредельных природных объектов и окружающую среду, все природноресурсные отношения, в том числе земельные, имеют экологическое содержание. Основанные на экономических законах развития общества, земельные отношения как часть природно-ресурсных отношений характеризуются экологическими требованиями, направленными на обеспечение экологической безопасности, предотвращение и устранение загрязнения и разрушения природной среды. Взаимодействие и взаимосвязь экологической и экономической сторон в земельных отношениях позволяют рассматривать последние как экологоэкономические [13, 15].
Источники земельного права — это нормативные правовые акты, принятые уполномоченными органами и содержащие правовые нормы, регулирующие земельные отношения [14, 15].
Конституция Российской Федерации занимает центральное место среди источников права. Ее нормы составляют основу источников земельного права и являются юридической базой для определения основных направлений развития отраслевого земельного законодательства.
Отраслевые законодательные источники земельного права включают кодифицированные законодательные акты — Земельный кодекс Российской Федерации и земельные кодексы республик, а также иные законы РФ и ее субъектов.
Земельные кодексы представляют собой систематизированные законодательные акты, регулирующие земельные отношения, правовые нормы в которых располагаются в порядке, отражающем систему земельного права.
К законодательным источникам земельного права, принятым в процессе проведения земельной реформы, относятся Законы РФ "О плате за землю" от 11.10.91 г., “Об основах градостроительства в Российской Федерации" от 14.07.92 г., а также "Об охране окружающей среды" от 19.12.91 г., в котором сформулированы экологические требования к источникам вредного воздействия на природную среду. На основании
Указа Президента Российской Федерации "О регулировании земельных отношений и развитии аграрной реформы в России" № 1767 от 27.10.93 г. установлен порядок процедуры оформления права собственности и выдачи свидетельства на право собственности на землю.
В связи с постоянными изменениями, происходящими в экономике, большое значение имеют подзаконные правовые акты исполнительных органов государственной власти, регулирующие земельные отношения. Среди них ведущее место занимают постановления Правительства Российской Федерации, обязательные к исполнению на всей территории страны.
Ряд постановлений Правительства РФ был принят в последние годы для конкретизации положений отдельных законов. В частности, для реализации Закона "О плате за землю" от 11.10.91 г. постановлением Правительства Российской Федерации № 1204 от 03.11.94 г. был утвержден порядок определения нормативной цены земли.
Правительством РФ приняты постановления во исполнение предписаний Земельного кодекса РСФСР 1991 г. в части, касающейся выполнения функций государственного управления земельным фондом: "О мониторинге земель в Российской Федерации" № 491 от 15.07.92 г. "О порядке ведения государственного земельного кадастра" № 622 от 25.08.92 г. "Об утверждении Положения государственного контроля за использованием и охраной земель в Российской Федерации" № 1365 от 23.12.93 г.
К числу федеральных подзаконных нормативных правовых актов относятся приказы, инструкции и другие нормативные правовые акты федеральных министерств и иных федеральных органов исполнительной власти.
По своему содержанию ведомственные нормативные акты могут быть подразделены на акты, устанавливающие правовые нормы, и акты, регламентирующие применение существующих правовых норм и определяющие порядок их реализации. Примером такого ведомственного акта является инструкция по применению Закона РФ “О плате за землю" № 21.2—10—1/1020.11 от 17.04.92 г., утвержденная Минфином, Роскомземом, Госналогслужбой.
К обязательным ведомственным нормативным актам относятся документы, принимаемые Комитетом Российской Федерации по земельным ресурсам и землеустройству (Роскомземом), который утвердил 20 мая 1992 г. "Порядок выдачи и регистрации договоров аренды земли сельскохозяйственного назначения и временного пользования землей сель-
скохозяйственного назначения" и издал приказ № 14 от 15.03.93 г. "О порядке выдачи лицензий на право выполнения проектно-изыскательских работ". Ряд ведомственных нормативных правовых актов принят Роскомземом совместно с Минприроды России, Госкомсанэпиднадзором, i осстроем России и другими федеральными органами исполнительной власти.
Решая вопросы владения, пользования и распоряжения землей, недрами, водными, лесными и другими природными ресурсами, расположенными на территории республик, за исключением объектов федеральной собственности, республики принимают нормативные правовые акты, регулирующие земельные, водные, лесные отношения.
К ведению краевых, областных органов государственной власти относятся: обеспечение контроля за использованием и охраной земель, защита прав собственников земли, землепользователей и арендаторов; разработка и выполнение краевых, областных программ по рациональному использованию земель, повышению плодородия почв, охране земельных ресурсов в комплексе с другими природоохранными мероприятиями; предоставление земельных участков; установление порядка предоставления земель и т.д.
К ведению местной администраций в городах, сельских поселениях и других населенных пунктах отнесено предоставление и изъятие земельных участков в случаях, предусмотренных в законодательстве, регистрация прав на землю, организация ведения земельного кадастра, планирование использования земель, организация разработки и внедрения генеральных планов, проектов планировки и застройки, взимание платы за земли, осуществление государственного контроля за использованием и охраной земель.
Механизм реализации земельного права. Правовые средства, с помощью которых оказывается воздействие на поведение участников земельных отношений, составляют в своей совокупности механизм земельного права, важнейшим элементом которого являются земельные нормы. Закрепляя земельную политику государства в обязательных правилах поведения по отношению к земле, нормы земельного права обеспечивают правовую основу земельного строя России, организацию рационального использования и охраны земельных ресурсов и субъективных прав на землю [14, 15].
В основе механизма материализации земельно-правовых норм лежит государственное управление землями путем контроля исполнения и охраны земель, привлечения к ответст-
венности за нарушение земельного законодательства и причинение вреда землям, стимулирование рационального использования и охраны земель. Он складывается из административных и экономических мер воздействия на поведение участников земельных отношений.
Административно-правовой механизм реализации имеет в своей основе императивный подход к поведению участников земельных отношений, обязывающий их выполнять предписания, содержащиеся в правовых нормах. Среди таких мер воздействия на поведение участников земельных отношений — установление твердого порядка изъятия и предоставления земельных участков. Данная мера включает проведение экспертиз при выборе участка под строительство объектов с целью выявления возможных негативных последствий и перспектив использования данной территории и ее недр.
Среди мер административно-правового воздействия большое значение имеет государственный контроль за использованием и охраной земель, задача которого — обеспечить соблюдение требований земельного законодательства в целях эффективного использования и охраны земель.
Меры административного пресечения и административной ответственности, в частности пресечение, представляют собой действие уполномоченного органа государства, направленное на устранение нарушения земельного законодательства. Органы, осуществляющие государственный контроль, вносят в местную администрацию обязательное к исполнению предложение о приостановлении работ при нарушении земельного законодательства, о полном или частичном изъятии земель в предусмотренных случаях. Восстановительные меры выражаются в возложении на субъекта, нарушившего законодательство, обязанности привести нарушенный земельный участок в пригодное для использования состояние за свой счет.
Правовая ответственность лиц, виновных в совершении земельных правонарушений, выражается в возложении на виновное лицо неблагоприятных последствий личностного и имущественного характера и наступает в виде дисциплинарной, административной или уголовной ответственности, а также в форме возмещения вреда.
Экономический механизм воздействия складывается из мер позитивного и негативного характера. Позитивные меры закреплены в законодательстве в виде экономического стимулирования пользователей земли путем выделения средств из бюджетов для восстановления земель, поощрения руководителей и специалистов за улучшение качества земель и др.
Экономическое стимулирование негативного характера направлено на участников земельных отношений, в действиях которых нет противоправности, но есть определенное антисоциальное значение. В своей основе эти меры предусматривают изъятие у нользииа iели. ученика части получаемого дохода: взимание платы за вынужденное по объективным обстоятельствам загрязнение земель и т.д.
Экологический контроль — это проверка соблюдения всеми организациями и гражданами экологических требований по охране природной среды и обеспечению экологической безопасности общества. Цель экологического контроля — охрана природной среды путем предупреждения и устранения правонарушений. Согласно Закону РФ “Об охране окружающей природной среды" система экологического контроля состоит из государственной службы наблюдения за состоянием окружающей природной среды, а также включает производственный и общественный контроль. Эта система "привязана" к соответствующим объектам экологического контроля.
Государственная служба наблюдения (мониторинг окружающей среды) занимается непосредственным объектом — природной средой, ее состоянием и степенью изменения под влиянием развития.
Государственный контроль направлен на проверку соблюдения законодательства об охране окружающей природной среды. Основная задача производственного контроля — проверка выполнения предприятием обязательных мероприятий по охране окружающей среды и ее отдельных компонентов. Общественный контроль не ограничен какой-либо частью объекта экологического контроля, он относится к сфере и государственного, и производственного контроля
Экологическая экспертиза представляет собой самостоятельный вид экологического контроля. В общей схеме эколого-правового механизма она выступает гарантом выполнения эколого-правовых предписаний, но в отличие от других гарантий имеет предупредительное значение, так как выполняется, как правило, до начала хозяйственного освоения территорий.
Общие обязанности по использованию земель подразделяются также на обязанности позитивного и негативного характера. Позитивными являются обязанности: рационально использовать земельные участки по их целевому назначению; применять природоохранные технологии; производить платежи по земельному налогу и вносить арендную плату;
осуществлять комплекс мероприятий по охране земель; представлять в установленном порядке сведения о состоянии и использовании земель; вести строительство на участке, руководствуясь строительными нормами и правилами по согласованию с государственными органами. К обязанностям негативного характера относятся следующие: не допускать ухудшения экологической обстановки на территории в результате хозяйственной деятельности; не нарушать порядок пользования лесными угодьями, водными и другими объектами природы, а также права других собственников земельных участков.
Экологическая ответственность — это экономикоправовой комплекс, объединяющий нормы и соответствующие им отношения по возмещению и предупреждению вреда природной среде. Его сущность состоит в сохранении устойчивого баланса экономических и экологических интересов в процессе хозяйственной деятельности на основе предупреждения, сокращения и восстановления потерь в природной среде.
Экологическая ответственность имеет две формы — экономическую и юридическую. Такое подразделение обусловлено характером отношения и методом его регулирования. Экономическая или эколого-экономическая ответственность базируется на правомерной деятельности и регулируется экономическими методами, прежде всего материальной заинтересованностью загрязнителя в сокращении отходов. Юридическая ответственность порождается неправомерными деяниями и регулируется административно-правовыми методами.
Экологические проблемы нефтегазового комплекса — от правовых аспектов организации рационального природопользования до проектных и инженерно-технических решений по снижению негативных последствий техногенеза — рассмотрены в работах [16, 20]. В работе [16] приводится также классификационная структура природоохранных мероприятий, методика их выбора и оценки экологической эффективности; в работах [17, 18] уделено внимание исследованию природно-технических геосистем и защите природной среды, в том числе в арктических и субарктических районах [18]. Задачи экологических исследований при освоении газовых и газоконденсатных месторождений северных регионов изложены в работе [19]; критерии количественной оценки эколого-геологического состояния литосферы и ее отдельных компонентов рассмотрены в исследовании [20].
Особенности техногенного воздействия предприятий "Газпрома” на окружающую среду, анализ загрязнения природных экосистем продуктами техногенеза на различных этапах освоения и эксплуатации месторождений, основные механизмы регулирования природопользования освещены в работе [21].
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЗЕМЛЯМИ.ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ
Правовые нормы, регулирующие отношения в области проведения организации земельной территории, составляют правовой институт землеустройства. В более сложный институт государственного управления землями входят, кроме института землеустройства, правовые институты государственного земельного кадастра, предоставления и изъятия земель, государственного контроля за использованием и охраной земель и разрешения земельных споров [13—15].
Управление земельным фондом как часть государственного управления в целом отличается от других отраслей управления по объекту: его объектом является земля, организация ее рационального использования и охраны как объекта хозяйствования.
Все земли, находящиеся в пределах Российской Федерации, составляют единый земельный фонд России — 1707,5 млн. га. Признание единства земельного фонда предопределяет общий правовой режим всех земель фонда независимо от форм собственности и целевого назначения.
В зависимости от положения земель, выполняемой ими функции в производственной и иной деятельности они подразделяются на используемые и неиспользуемые. Используемые земли в свою очередь делятся на земли, используемые как пространственный (операционный) базис, средство производства, а также земли, выполняющие природно-заповедные, рекреационные, оздоровительные функции.
Важное правовое значение имеет классификация земель по категориям в зависимости от их целевого назначения, обеспечивающая дифференцированный подход к правовому регулированию земельных отношений в рамках общего правового режима.
По экономическому значению и площади особое место занимают земли сельскохозяйственного назначения (37,7 %), к которым относятся земли, предоставленные для нужд сельского хозяйства и предназначенные для этих целей.
Ко второй категории относятся земли населенных пунк-
тов, а также земли, переданные в ведение населенных пунктов за пределами их черты (5 %). Земли этой категории используются прежде всего как фундамент, пространственный базис для строительства, а также удовлетворения культурно- бытовых и иных нужд населения.
Земельный кадастр является инструментом государственного управления землями и обеспечивает принятие научно обоснованных решений в области организации, рационального использования и охраны земель.
К ведению государственного земельного кадастра и его данных предъявляются определенные требования. Сведения всех разделов кадастра должны быть объективными и достоверными, соответствовать фактическому состоянию земель и их использованию. Объективность и достоверность обеспечиваются непрерывностью кадастровых работ. Исходную информацию получают при проведении космоаэросъемочных, топографо-геодезических, почвенных, геоботанических и других обследований и изысканий. Для оперативного обновления земельно-кадастровых сведений используются материалы текущих обследований, съемок и мониторинга земель.
Один из принципов ведения кадастра — сопоставимость кадастровых данных по административно-территориальным единицам и государственно-территориальным образованиям с данными о земле, содержащимися в кадастрах других природных ресурсов. Сопоставимость обеспечивается единством методов ведения кадастра на всей территории Российской Федерации, разрабатываемых Роскомземом.
Данные государственного земельного кадастра подлежат обязательному применению при планировании использования и охраны земель, их изъятии и предоставлении, проведении землеустройства, оценки хозяйственной деятельности, осуществлении государственного контроля за использованием и охраной земель.
Землеустройство представляет собой систему государственных мероприятий, направленных на организацию земельной территории в целях рационального использования и охраны земель, создания благоприятной экологической обстановки, улучшения природных ландшафтов.
Организация земельной территории при землеустройстве имеет разные задачи в зависимости от категории земли, ее использования как средства производства или пространственного операционного базиса. На несельскохозяйственных землях цель землеустройства — рационально разместить производственные объекты, подъездные пути, защитные зо-
ны вокруг промышленных предприятий, разработать систему организационных, экономических, инженерных мероприятий по защите земель и охране окружающей среды от вредного антропогенного воздействия и создать благоприятную экологическую обстановку.
Новым видом землестроительных действий является разработка проектов, связанных с охраной земель и предусматривающих мероприятия по рекультивации нарушенных земель, защите почв от эрозии, селей, оползней, подтоплений, которые составляются на основе комплексного подхода к угодьям как сложным природным образованиям с учетом их региональных особенностей.
В плане межхозяйственного землеустройства, затрагивающего права и интересы двух и более пользователей земли, происходит образование новых и упорядочение существующих землепользований, осуществляется отвод земельных участков в натуре и подготовка документов, удостоверяющих право на земельный участок. Внутрихозяйственное землеустройство проводится в пределах границ отдельных землепользований и заключается в рациональной организации угодий, выделении внутрихозяйственных дорог, размещении производственных единиц и хозяйственных центров.
Землеустроительные работы выполняются по решению органов исполнительной власти или ходатайству заинтересованных собственников земли, землепользователей, арендаторов и осуществляются государственными проектными организациями по землеустройству за счет средств государственного бюджета. Внутрихозяйственное землеустройство, связанное с разработкой землеустроительных проектов, предусматривающих устройство территории, коренное улучшение и охрану земельных участков от селей, оползней, подтоплений и засоления, может проводиться также по инициативе собственников земли, землепользователей, арендаторов за их счет.
Землеустроительный процесс состоит из взаимосвязанных и последовательно выполняемых стадий. Для возбуждения ходатайства о проведении землеустроительных действий заинтересованными лицами подаются заявки. Правовым основанием для начала работ служит решение соответствующей администрации. Подготовительные работы по землеустройству включают изучение условий и подготовку необходимых изыскательских материалов; после их завершения составляется акт о проведении обследовательских и изыскательских работ.
Основная стадия землеустроительных работ — составле-
ние и рассмотрение землеустроительного проекта. Проект обосновывает основные направления рационального использования и охраны земель с учетом особенностей устраиваемой территории. Стадия утверждения проекта землеустройства завершается принятиям решения об утверждении проекта, что служит основанием для перенесения проекта на местность. Перенесение проекта сопровождается закреплением границ на местности межевыми знаками и составлением акта установленного образца с приложением рабочего чертежа перенесенных границ. Собственнику земли, землепользователю выдается документ, удостоверяющий права на земельный участок.
Завершающая стадия землеустроительного процесса — авторский надзор за выполнением проекта.
Контроль за использованием и охраной земель включает в себя осуществление государственного контроля за использованием и охраной земель, а также ведение мониторинга земель.
Мониторинг земель является составной частью мониторинга за состоянием окружающей среды и представляет собой систему наблюдений за состоянием земельного фонда для своевременного выявления изменений в землях, их оценки, предупреждения и устранения последствий негативных процессов. Введение в стране мониторинга земель было законодательно закреплено в 1991 г., его структура, задачи, содержание и порядок ведения определены в Положении о мониторинге земель, утвержденном Правительством РФ от 16.07.92 г. № 491.
Объектами мониторинга являются все земли РФ независимо от форм собственности, целевого назначения и характера использования. В структуре мониторинга семь подсистем, соответствующих определенным категориям земель и подразделяющихся на федеральный, региональный (в пределах физико-географических, экономических и административных границ) и локальный (на объектах ниже регионального уровня, вплоть до отдельных землепользований и ландшафтноэкологических комплексов) мониторинг.
Мониторинг земель осуществляется органами Роскомзема и Минприроды России по единой системе за счет ассигнований, поступающих в местные бюджеты от взимания платежей за землю. Процесс мониторинга заключается в систематическом наблюдении за состоянием угодий, полей, участков, а также процессов, связанных с изменением плодородия цочв (водная и ветровая эрозия, потеря гумуса, ухудшение струк-
туры), загрязнением пестицидами и другими токсичными веществами территорий населенных пунктов, свалок, стоянок автотранспорта и т.д.
Наблюдения за состоянием земель, выполняемые путем Г.ГТ ЛМГЛТГ <П ТГ АЛКТЖТТЛЛТГТХ^ -»гтггп гч ^ггап пт тлг^тттт TV ГЭНЖАИЛГРАП V- DCSIVILVIX t— JVLZ^1*XXA-X^^XVXX^V IXXXXXXX£SIX X W r XJXAlt- W X ХХХЛХЛ V-UAl’A WXV- X VX>, средств малой авиации, а также наземных съемок и наблюдений, подразделяются на базовые, периодические и оперативные.
Информация о состоянии и использовании земель, полученная в процессе ведения мониторинга, накапливается в архивах и банках данных автоматизированной информационной системы. На основании полученной информации и результатов оценки состояния земель составляются оперативные сводки, научные прогнозы и рекомендации, а также ежегодные доклады о состоянии и использовании земель, представляемые в органы исполнительной власти и Правительство РФ. Данные мониторинга земель в установленном порядке предоставляются всем заинтересованным юридическим и физическим лицам.
Создание информационной базы данных о состоянии земельного фонда позволит обоснованно судить о степени суммарного воздействия негативных процессов, вскрыть закономерности их развития и своевременно провести диагностику и оценку, разработать меры по предупреждению и устранению последствий негативного влияния техногенного и природного характера, на более высоком качественном уровне осуществлять контроль за состоянием земель, их использованием и охраной.
Рекультивация земель. Требования, предъявляемые к работам по рекультивации земель, определяются Основными положениями рекультивации земель, принимаемыми Роском- земом, Минприроды России и другими заинтересованными министерствами и ведомствами Российской Федерации.
Рекультивация нарушенных земель при разработке полезных ископаемых и торфа, проведении всех видов строительных, геолого-разведочных и иных работ, связанных с нарушением поверхности почвы, осуществляется за счет собственных средств юридического лица граждан в соответствии с утвержденным проектом рекультивации земель.
Виновные в невыполнении работ по приведению нарушенных земель в состояние, пригодное для использования, привлекаются к административной ответственности.
Размер материального ущерба, причиненного в результате невыполнения работ по рекультивации земель, согласно по-
становлению Пленума Верховного Суда СССР от 16.01.86 г. "О соблюдении требований законодательства об охране природы и рациональном использовании природных ресурсов" исчисляется исходя из объема сметной стоимости невыполненных мероприятий согласно проекту, утвержденному государственным органом, предоставившим земельный участок в пользование. При необходимости для определения размера ущерба, подлежащего возмещению, может быть назначена экспертиза.
Список литературы к ч. I
Охрана окружающей среды//Отчеты ОАО "Газпром". — М.: Изд-во ИРЦ Газпром, 1995—1998 гг.
Хаустов А.П. Основное содержание генеральной схемы экологического оздоровления дочерних предприятий РАО “Газпром"//Материалы отрасл. науч. техн, совещания. — М.: Изд-во ИРЦ Газпром, 1997, —С. 11—30.
Ярыгин Г.А., Козлов С.И. О проекте комплексной научно-технической программы "Создание и внедрение системы производственного экологического мониторинга объектов РАО "Газпром".— Там же. — С. 40 — 45.
Усошин ВА., Козлов С.И., Лещинский В.Б. Организация работ по созданию производственного экологического мониторинга объектов газовой промышленности.—Там же.— С. 47 — 55.
Опытная зона производственного экологического мониторинга "Север" на предприятии “Ямбурггаздобыча"/Г.П. Ставкин, В.П. Полуэктов, И.А. Герасимов, В.Б. Лещинский, А.Г. Бордюгов. — Там же.— С. 75 — 85.
Опыт создания специализированной информационной системы для экологических служб предприятий РАО "Газпром" на примере СИС- ЯМАЛ/Г.Э. Одишария, Л.В. Шершнева, А.С. Едигаров и др. — Там же.— С. 88-114.
Авдеев Я.И. О мерах по снижению вредного воздействия предприятий РАО “Газпром" на воздушный бассейн и почвы//Проблемы охраны и рекультивации земель на объектах газовой промышленности. — М.: Изд-во ИРЦ Газпром, 1997. - С. 139-141.
Зарубин С.И., Логинов Л.Ф., Губяк В.Е., Ставкин Г.П. Демутационный способ восстановления растительного покрова на разрушенных землях Крайнего Севера Тюменской области.—Там же,— С. 150— 152.
Боброва Т.Н., Горбовская Р.В., Камышев А.П., Жмулина И.Л. Опыт рекультивации земель на Бованенковском и Уренгойском ГКМ. — Там же.— С. 146-150.
Инженерно-биологическая рекультивация нарушенных территорий Ямбургского ГКМ/И.Л. Хабибуллин, С.А. Лобастова, И.М. Габбасова, А.Р. Маргулов, Р.Х. Сулейманов. — М.: ВНИИЭ Газпром, 1991.— 29 с.
И. Чеверев ВТ. Технологическая мелиорация грунтов криолитозоны водным раствором полимеров//Материалы I конференции геокриологов России. - М„ 1996. - Кн. 3. - С. 178-188.
Дубовик И.Е., Шарипова М.Ю., Хабибуллин И.Л., Минибаев Р.Г. О возможности использования почвенных водорослей при мелиорации нарушенных земель тундры//Докл. II междунар, конф. Сыктывкар, 25 — 28 апр. 1994 г. - С. 208 - 213.
Петров В.В. Экологическое право России: Учеб, для вузов. — М.: Изд- во БЕК, 1995.-557 с.
Комментарий к Закону Российской Федерации “Об охране окружающей среды "/Под ред. С.А. Боголюбова. — М.: ИНФРА-Норма, 1997.— 382 с.
Земельное право России: Учеб, для вузов/Под ред. В.В. Петрова. — М., 1997. - 300 с.
Булатов А.И., Макаренко П.П., Шеметов В.Ю. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности. — М.: Недра, 1997. — 483 с.
Геолого-технологические принципы освоения нефтегазоконденсатных месторождений Тюменского Севера//В.В. Ремизов, Л.ф. Дементьев, Н.Н. Кирсанов и др.; Под ред. А.Н. Кирсанова. — М.: Недра, 1996. — 362 с.
Мазур И.И. Экология нефтегазового комплекса. — М.: Недра, 1993.— 496 с.
Баринова И.Л., Боброва Т.Н., Камышев А.П., Совальскова Л.П. Опыт проектирования природоохранных мероприятий на объектах газовой промышленности в Северных регионах. — М.: ИРЦ Газпром, 1993. — 41 с.
Теория и методология экологической геологии/Под ред. В.Т. Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 1997.-386 с.
"Газпром" и современная экополитика. — М.: ИРЦ Газпром, 1999.— 341 с.
ЧастьII
ПРИРОДНАЯ СРЕДА М ТЕХНОГЕННЫЕ ВАРУШЕ1ИЯ ТЕРРИТОРИИ
ЯМБУРГСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГОМЕСТОРОЖДЕНИЯ
Глава 4ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
КЛИМАТИЧЕСКИЕ И ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Территория месторождения охватывает среднюю часть Та- зовского полуострова, бассейн р. Пойловояха (см. рис. 2.1). Месторождение расположено в субарктическом климатическом поясе. Климат резко континентальный с быстрой сменой циклонов и антициклонов. Зима суровая и продолжительная (9 — 9,5 мес.), средняя температура января —26,7 °C. Лето короткое и умеренно теплое, средняя температура июля 4-13,4 °C. Годовая амплитуда колебаний температуры достигает 92 °C (абсолютный минимум —60 °C, абсолютный максимум 4-32 °C). Среднегодовая температура составляет —6,9 °C. Из-за близкого расположения Карского моря отмечаются сильные ветры и летние похолодания. Заморозки возможны в любой летний месяц, осень характеризуется ранними заморозками, осадками в виде дождя и снега. Среднегодовое количество осадков составляет 380 мм, две трети из них приходится на летнее время. Устойчивый снежный покров устанавливается в конце сентября — начале октября, снег сходит в июне. Среднегодовая скорость ветра 6 м/с, шквальных ветров 26 — 32 м/с; основное направление ветров летом северо- западное, зимой — южное.
Гидрографическая сеть представлена р. Пойловояха, впадающей в Тазовскую губу, и многочисленными ее притоками. Для территории месторождения характерны большая заозе-
ренность на водораздельных пространствах, по долинам рек имеются старичные озера. Максимальная глубина озер достигает 5 —6 м.
В рельефе территории месторождения выделяются две морские равнины — Салехардская и Казанттевгкая и эрозионно-аккумулятивные поверхности пойм рек и надпойменных террас [1]. В целом рельеф определяется структурнотектоническими особенностями Западно-Сибирской плиты. Характерно чередование плоских, слабовогнутых, пологоволнистых и холмистых поверхностей, расчлененных эрозионной сетью. Отмечается большая заозеренность и заболоченность территорий. Абсолютные отметки рельефа меняются от 0 —5 (побережье Обской губы) до 80 м (южная часть месторождения).
Салехардская (среднечетвертичная) равнина проходит в западной части месторождения, вдоль Обской губы. Это относительно дренированная, интенсивно расчлененная территория с абсолютными отметками до 80 м. Поверхность сложена преимущественно грунтами суглинистого состава, а также песчаными грунтами с линзами погребенного льда. Верхние 10 м разреза характеризуются слабой льдистостью (20 — 30 %) и массивными криоструктурами.
Казанцевская равнина охватывает восточную часть месторождения (бассейн р. Пойловояха). Она характеризуется значительной заболоченностью, заозеренностью и заторфован- ностью, абсолютные отметки достигают 40 — 60 м. Эта равнина сложена преимущественно супесчаными и песчаными среднельдистыми грунтами (объемная льдистость 30 — 35 %) с массивными криоструктурами. Льдистость массивов, перекрытых торфом, в отдельных случаях достигает 60 —70 %, для торфяников характерны скопления сингенетических повторно-жильных льдов высотой 4 — 4,5 м.
Пойма р. Пойловояха по ширине достигает 5 — 6 км, превышение поймы 2 —6 м. Поймы западных притоков сложены мелкими пылеватыми песками с прослоями и линзами суглинков и супесей, нижние части пойм — песками средней крупности и гравелистыми. Западные притоки характеризуются достаточно большими уклонами продольного профиля русла. В долине реки мощность песков превышает 10 м, ее пойма характеризуется наличием глинистых пород мощностью 2 —3 м, которые подстилаются мелкими пылеватыми песками. Надпойменные террасы имеют относительные превышения над уровнем реки 10 — 30 м, ширину до 10 км. Поверхность их заболочена и заозерена, в них выделяются по-
лигональные торфяники, крупные бугры пучения. Террасы в основном сложены песками, супесями и суглинками.
В целом отложения на территории месторождения представлены песчаными и суглинистыми разностями, часто сильно оторфованы, нередко перекрыты сверху торфом. Относительное содержание растительных остатков в торфе 0,73 — 0,97, льдистость 40 — 70 %. В мерзлом состоянии торфяники имеют базальную криоструктуру с включениями льда. Затор- фованные грунты (суглинки, супеси, пески пылеватые) характеризуются слоистой криоструктурой, относительное содержание растительных остатков 0,11—0,40. Льдистость изменяется в пределах 30 — 55 %. Грунты с примесью растительных остатков (относительное содержание менее 0,10) — пылеватые пески, супеси, суглинки, глины — имеют слоистую и слоисто-сетчатую структуру с льдистостью от 5 до 15 %. Минеральные грунты, представленные песками разной крупности, супесями, суглинками и глинами, обладают массивной и массивно-слоистой криоструктурой; их льдистость изменяется в широких пределах (5 — 50 %). В таком состоянии высокольдистые грунты обладают текучей консистенцией. По мере уменьшения льдистости и содержания растительного остатка уменьшается относительная осадка грунтов при оттаивании.
Месторождение расположено в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород с глубиной залегания до 450 м.
Мощность многолетнемерзлых пород Салехардской равнины 250 — 420 м, Казанцевской равнины — 240 — 450 м, средняя мощность многолетнемерзлых пород составляет 310 — 320 м. На пойменных террасах средняя мощность мерзлых пород значительно ниже — 200 — 280 м.
Геокриологический разрез месторождения подразделяется на три этажа: верхний с многолетнемерзлыми льдистыми песчано-глинистыми породами (60—145 м); средний с преимущественно морозными глинистыми породами (200 — 250 м) и нижний со слоисто-льдистыми, охлажденными и морозными песчаными породами (100 — 200 м).
Диапазон колебаний среднегодовых температур мерзлых пород — от 0 до — 7 °C. Распределение среднегодовой температуры на территории месторождения зависит от особенностей геолого-геоморфологического строения рельефа, которое определяет состав и влажность пород, снежный и растительный покров. Высокие температуры (СН5 °C) характерны для пойм рек, узких долин, ложбин и глубоких оврагов на склонах террас и водоразделов, которые представляют собой бо-
Геокриологические факторы
Минеральные грунты
Биогенные грунты
Пески
Супеси
Суглинки
Глины
Илы I Торф
Дисперсность
Уменьшается в указанном направлении -4
Льдистость за счет ледяных включений, %
Увеличивается в указанном направлении ->
< 20
< 40
> 40
< 55
-
< 70
Температура ММП
Понижается в указанном направлении ->
Глубина СТС, м
2,0-1,3
1.3-1,0
1,0-0,8
0,8-0,4
-
0,4-0,2
1Уменьшается в указанном направлении ->
Криотекстура пород. Размываемость мерзлых пород:
по величине уДнс м/с, [3] по показателю размы- ваемости К-10'4 Дж/м2 Pl по показателю размы- ваемости К-10”5 Дж/м2 14)
Размываемость талых пород:
по величине v.Hr, м/с, [3,5,6]
по показателю проти- воэрозионной устойчивости Rc, Н [6, 7]
Массивная
Слои- сто- сетча- тая
Массивная
Слоисто- сетчатая
Массивная
Слои- сто- сетча- тая
Массивная
Слоисто- сетчатая
Массивная и слоистосетчатая
0,003 - 0,1
< 0,1
—
1.0
0,3-1,0
1,0
0,3-1,0
0,3-0,1
0,1-3,0
4-8
5—15
—
3-30
30-50
3-30
0,3-10
> 50
63
—
3,5- 7,0
27-31
2,3-3,2
11,5- 14,0
2,0-2,2
7,6-10
—
—
0,5-0,2
0,5 — 0,65
0,6- 1,0
1,0-2,0
0,2-0,5
> 1,5
Для сухих грунтов нарушенного сложения
5—15
10-20
> 20
20-150
> 25
Для грунтов естественного сложения
6
Таблица 4.1
Геокриологические факторы природной среды
лота или увлажненную мохово-лишайниковую тундру с относительно устойчивым тундрово-растительным покровом с зарослями кустарников. Под руслами рек и ручьев возможно сохранение прослоя талых грунтов в течение всего года. Низкие температуры ( — 5... —7 °C) отмечаются на равнинах, буграх пучения, террасах и дренированных поднятых участках рельефа с небольшим снежным покровом, которые представляют собой оголенные участки без растительности или мохово-лишайниковую тундру и торфяники без кустарничкового яруса.
В местах развития торфяных массивов температура выше, чем на соседних участках, сложенных с поверхности минеральными частицами. При прочих равных условиях положительные формы мезорельефа характеризуются более низкими температурами, чем пониженные участки. В целом можно полагать, что на большей части территории месторождения среднегодовая температура пород составляет — 3... —5 °C; площади с большими и меньшими значениями температуры имеют ограниченное распространение. Таким образом, породы имеют длительно-устойчивый тип сезонного протаивания [2]. Глубина сезонного протаивания уменьшается с увеличением дисперсности и влажности грунтов. На торфяниках мощность сезонно-талого слоя составляет 0,3 —0,5 м, на суглинках она изменяется от 0,4 на увлажненных участках с хорошим растительным покровом до 1 м на дренированных участках со слаборазвитой растительностью. Наибольшую глубину сезонно-талого слоя имеют супеси и песчаники — от 0,8 до 1,5 м, причем минимальная глубина соответствует увлажненным пескам и супесям, подстилающим лишайниковую, моховую и ерниковую тундры, а наибольшие глубины характерны для дренированных участков (влажность 10 %) без растительности.
Анализ результатов мерзлотно-геоморфологических исследований, натурных опытов позволяет составить приближенную схему основных геокриологических факторов природной среды в зависимости от вида грунтов криолитозоны (при прочих одинаковых или зависящих от вида грунта условиях), приведенную в табл. 4.1.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЧВ
Исследование почв естественных и нарушенных земель Ямбургского ГКМ проведено полевыми и лабораторными методами в 1989— 1992 гг.
В соответствии с почвенно-географическим районированием изученные почвы относятся к полярному биоклиматичес- кому поясу, полярной арктундровой области, субарктической (гипоарктической) тундровой зоне Северо-Сибирской почвенной провинции
Почвообразовательные процессы протекают в скудных энергетических и биохимических условиях на ледниковых, морских и аллювиальных отложениях различного механического состава.
Климат субарктики характеризуется небольшим количеством тепла, сумма годовых температур выше 10 °C колеблется в пределах 400 —600 °C; продолжительность основного вегетационного периода 35 — 50 дней, безморозного периода — 60—100 дней.
На большей части территории месторождения преобладает равнинный рельеф, местами холмистый, увалистый или грядовой, изобилующий замкнутыми термокарстовыми понижениями, занятыми озерами или болотами. Вдоль побережья Обской губы почвы сформированы на морских террасах.
Мерзлотные явления — трещинообразование, пучение, солифлюкция, термокарст — формируют пятнисто-мелкополигональный и буторковатый (пятнисто-бугорковатый) микрорельеф на тундровых водоразделах и их склонах, крупнополигональный, плоско- и крупнобутристый микрорельеф — на обширных болотных равнинах.
Господствующими почвами на плакорах (равнинах) месторождения являются [8]:
тундровые перегнойно-глеевые почвы, залегающие на бугорках и полигонах;
тундровые торфянисто-глеевые и перегнойно-торфянистоглеевые, располагающиеся по периферийной части полигонов и в микропонижениях.
Эти почвы сформированы на суглинистых породах и четко дифференцированы на генетические горизонты. Профиль, включающий Ао —А,—В —Bje±Bfeg или горизонт А1( в тундровых перегнойно-глеевых почвах, заменяется горизонтом Ah.T в тундровых перегнойно-торфянисто-глеевых почвах. Верхний перегнойно-торфянистый горизонт содержит значительное количество органического вещества (4 — 7 %), обладает кислой реакцией среды, большой гидролитической кислотностью, сильно насыщен основаниями, количество валовых форм фосфора довольно высокое, но подвижного очень мало. Минеральные горизонты этих почв пропитаны гумусом. В
надмерзлотной части почв обычно выделяется горизонт, содержащий более высокое количество гумуса по сравнению с вышележащим горизонтом. Кислотность в минеральных горизонтах несколько снижается с глубиной, оставаясь в пределах сильнокислотной и кислой реакции. Гидролитическая кислотность ниже, чем в перегнойно-торфянистых слоях. В составе поглощенных оснований преобладает кальций. Ненасыщенность основаниями в профиле обычно уменьшается. Выраженность процессов оглеения в профиле почв связана с механическим составом: в почвах более тяжелого механического состава оглеение обозначено сильнее.
Данные биохимических исследований показывают, что ферментативные реакции достаточно активно протекают только в торфянистых и перегнойно-торфянистых горизонтах, некоторое оживление наблюдается в гумусовых надмерзлотных слоях. Высокий потенциал активности уреазы характеризует преимущественно аммиачную форму азотного питания тундровой растительности.
Активность фосфатазы низкая, а в большинстве случаев фосфатазная активность отсутствует, что связано с очень низким содержанием подвижного фосфора на фоне относительно высокого содержания в перегнойно-торфянистых горизонтах его валовых форм. В отличие от ферментов, участвующих в обменных процессах азота и фосфора, ферменты углеводородного обмена (инвертаза) проявляют свою активность до надмерзлотных горизонтов, что определяется гуму- сированностью профиля.
Тундровые иллювиально-гумусовые (неглеевые) почвы (мерзлотные тундровые подбуры) залегают в автоморфных условиях на водоразделах в верхних частях склонов. Мерзлотные тундровые подбуры развиваются на хорошо дренированных породах легкого механического состава, что обеспечивает хорошую водопроницаемость, более быстрое и глубокое оттаивание, отсутствие или небольшую длительность процессов сезонного переувлажнения и оглеения. Подбуры имеют следующее строение: А, — Bh — ВС-±С. В верхней части профиля выделяется темно-серый или темно-бурый с черными полосами по ходу корней перегнойный горизонт небольшой мощности (3 — 4 см), обычно отслаивающийся. Под ним залегает бурый или серо-бурый минеральный горизонт иллювиально-гумусированный или железистый мощностью примерно 15 см, переходящий в более светлые слои легкого механического состава, часто с ржавыми пятнами ожелезнения в надмерзлотной части.
На территории Ямбургского ГКМ тип мерзлотных подбуров представлен почвами, различающимися по мощности и степени эродированности. Полнопрофильные почвы залегают, например, на выровненной поверхности второй надпойменной террасы за поселком Роздув, маломощные — на вершине водораздела и эродированные — на его склонах. Эти почвы характеризуются кислой и сильнокислой реакцией среды, несколько уменьшающейся к низу профиля, значительной гидролитической кислотностью и ненасыщенностью основаниями почвенного поглощающего комплекса. Полнопрофильная почва отличается более высоким содержанием гумуса и глубоким проникновением его по профилю почвы: в горизонте ВС содержится около 1 %. Иллювиально-гумусовый горизонт Вл содержит также заметное количество минерального азота. В то же время во всех этих почвах количество валовых форм азота и фосфора очень незначительно. Ферментативная активность в профиле почвы проявляется слабо, лишь в верхнем слое А] заметна активность уреазы и ферментов окислительно-восстановительных процессов и углеводного обмена.
Мерзлотные болотные почвы широко распространены на территории месторождения и входят в состав полигональных болотных ландшафтов. Они приурочены к небольшим понижениям различных размеров термокарстового и термоэрозионного происхождения. Морфологический профиль мерзлотных болотных почв имеет следующее строение: A,. — Bg — L. Органогенный горизонт грубогумусный, торфянистый или торфяной различной степени разложения и мощности (нижняя часть более разложена). Минеральный оглеенный горизонт также различается по мощности, окраске, механическому составу и может подразделяться на горизонты (В„„ Вд2ит.д.). '
На исследованной территории выявлены болотные почвы различной мощности. Например, в районе аэропорта почва маломощная, торфяной или оторфованный слой (слабораз- ложившийся) составляет: А, — 8—10 см, Вд — 5 — 7 см; вода выходит на глубине 10 см. В районе карьера № И торфяные слои подразделяются на слабо- (-7 см), средне- и сильно разложившийся (-20 см) торф, а глеевые горизонты мощностью от 5 до 15 см делятся по окраске от ржаво-бурых до зеленовато-сизых.
Торфяные горизонты болотных почв характеризуются более высокой кислотностью по сравнению с минеральными слоями, в 2 — 3 раза меньшей ненасыщенностью основаниями,
но в то же время значительными запасами органического вещества и валовых форм питательных элементов.
Мерзлотные пойменные аллювиальные почвы залегают в прирусловой, самой молодой, ежегодно заливаемой пойме, сложенной песчаным и супесчаным аллювием. В низкой пойме выражен мелкоувалисто-скошенный мезорельеф. На увалистых местах центральной поймы залегают более развитые мерзлотные пойменные аллювиальные почвы, а в лощинных и притеррасной (пониженной части) — мерзлотные пойменные болотные почвы разной степени оторфованности.
Мерзлотные пойменные аллювиальные почвы слабо дифференцированы на генетические горизонты, что обусловлено влиянием аллювиального процесса. Верхние слои гумусированы и пронизаны корнями, но не задернованы и густо пересыпаны песком. Мощность горизонта А! в этих почвах как в прирусловой, так и центральной пойме не превышает 2 см, однако следует отметить, что аллювиальная почва центральной поймы более развита. В ней выделяется горизонт более темной окраски по сравнению с верхним, характеризуемый, по данным агрохимических исследований, повышенным содержанием гумуса, валового азота и фосфора. Наличие этого горизонта носит, по всей видимости, реликтовый характер.
В целом в аллювиальных почвах нет четкой дифференциации по химическим показателям. Реакция почв кислая, с глубиной она незначительно уменьшается; содержание гумуса в горизонте Aj составляет 3,85 — 5,76 %, снижаясь вниз по профилю до 0,36 %; в составе поглощенных оснований преобладает кальций, хотя и его количество очень невелико; в почвах прирусловой поймы по сравнению с центральной в составе поглощенных катионов отсутствует магний. Почвы сильно недонасыщены основаниями, содержание валового фосфора в горизонте А! около 0,2 %, с глубиной снижается до 0,04 %; количество подвижного фосфора очень низкое и мало меняется в профиле почв.
Исследование ферментативной активности мерзлотных пойменных аллювиальных почв показало, что они обладают достаточно высоким потенциалом биохимической активности. В гумусовых горизонтах Ai изученных почв отмечается довольно высокая активность уреазы, инвертазы, фосфатазы и дегидрогеназы — ферментов, участвующих в обменных процессах азота, углеводов, фосфора и окислительно- восстановительных процессах. Однако биологически активный слой ограничен небольшой глубиной (0—13 см). Аллювиальные почвы прирусловой поймы отличаются от почв цент-
ральной поймы меньшей активностью уреазы и фосфатазы, но большей напряженностью окислительно-восстановительных процессов и инвертазной активности.
Мерзлотные пойменные торфянисто-болотные почвы, сформированные в депрессиях центральной поймы и притеррасных понижениях пойм в результате длительного затопления паводковыми водами и стока дополнительной воды со склонов водоразделов, хорошо дифференцированы по генетическим горизонтам. В них выражены один или два торфяных горизонта, отличающихся по степени разложения. Торфяные горизонты содержат много органического вещества — 14,5 — 23,8 % (в пересчете на углерод) в слабо- и 5,7 % в силь- норазложившихся торфах. Нижние минеральные слои тоже высокогумусированы (2,8 —3,5 %). Почвы имеют кислую реакцию среды, не насыщены основаниями. В составе поглощенных оснований преобладает кальций. Содержание валового фосфора очень невелико — 0,1—0,2 мг/100 г почвы в слабо- и около 0,3 мг/100 г почвы с сильно разложившихся торфах, подвижного соответственно 0,14 — 0,27 и 0,10 мг/100 г почвы.
Торфянисто-болотная почва центральной поймы по сравнению с типовой притеррасной частью обладает более высоким потенциалом биохимической активности. В свою очередь ферментативная активность в органогенных пойменных почвах выше, чем в минеральных.
Таким образом, естественные почвы на территории Ям- бургского ГКМ характеризуются в целом незначительной мощностью гумусо-аккумулятивного слоя, сильнокислой и кислой реакцией среды, обедненностью питательными элементами, т.е. весьма жесткими условиями для растительного покрова. Однако естественная олиготрофная растительность хорошо приспособлена к этим почвенным условиям. Следовательно, при разработке мер по биологической рекультивации нарушенных почв необходимо исходить из принципа достаточности приближения условий на рекультивируемых участках к естественным ненарушенным почвам.
РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ
Геоботаническое обследование и классификация растительности естественных нарушенных местообитаний на территории Ямбургского ГКМ проведены в 1986— 1992 гг.
Месторождение расположено в гипоарктическом ботанико-географическом поясе, в зоне субарктических тундр [8, 9].
В плакорных местообитаниях распространены характерные для гипоарктики растения приземного слоя. Специфичными синузиальными группами являются: деревянистые хамефиты-кустарнички и низкие кустарники, преимущественно олиготрофные светолюбивые виды карликовой березки (Betula папа) и несколько видов ив (Salix glaluca, Salix lanata, Salix pulchra); зеленые (Dicranum elongatum, Aulacomnium turgidum, Hylocomnium splendens var. alascanum, Ptiflidium cliare) и сфагновые (Sphagnum) мхи; кустистые олиготрофные лишайники-ягели принадлежат к родам Centaria и Clad- ina.
В зоне субарктических тундр выделяются три подзональные полосы: северных гипоарктических тундр, где прослеживаются черты арктического пояса, южных гипоарктических тундр и крупных стлаников, отличающихся друг от друга главным образом составом плакорных сообществ и разной степенью участия кустарничков и сложении растительного покрова.
Полоса северных гипоарктических тундр характеризуется распространением на плакорах низко- и редкокустарничковых с Betula папа и Salix glauca моховых тундр мозаичного сложения бугорковатых и пятнисто-бугорковатых. Основу мохового покрова в них составляет синузий зеленых мхов [Ю].
Сообщества южных гипоарктических ерниковых и ивняковых тундр приурочены к депрессиям рельефа, отличающимся скоплениями снега, а на суглинистых водоразделах господствуют кустарничково-моховые и кустарничково-коч- карно-пушицевые моховые тундры гипоарктического состава.
На территории месторождения выделены следующие основные типы растительных ценозов, сгруппированные по расположению в микрорельефе и почвам [5].
Лишайниковые тундры. Эти сообщества ернико-ивняковых кустарниково-лишайниковых, преимущественно алекто- риевых тундр занимают хорошо дренируемые участки вдоль рек на вершинах водоразделов, сложенных аллювиальными породами легкого механического состава. Почвенный покров представлен тундровыми иллювиально-гумусовыми (неглеевыми) почвами. Для данных сообществ характерен кочкарно- бугорковатый микрорельеф, образованный пушицей влагалищной (Eriophorum vaginatum) и сфагновыми мхами.
В этих сообществах преобладают лишайники родов Alecto- ria ochroleuca, Alectoria nigricans, Cornieularia divergens, Clo-
donia alpestris, Cetraria cuculate. Помимо лишайников, составляющих основу напочвенного покрова, на них поселяются зеленые мхи родов Dicranum angustum, Polytrichum strictum и кустарнички голубики (Vaecinium uliginosum). Из высших растений в этих сообществах очень редко встречаются некоторые виды родов Carex (осок), Роа (мятликов), Calama- grostos (вейников) и Betula папа.
Для бугров водоразделов характерны незначительное накопление осадков в зимний период, так как основная часть снега сносится в понижения рельефа, и недостаток влаги в вегетационный период. В связи с этим поселение высших растений затруднено и естественное зарастание нарушений лишайниковых тундр происходит крайне медленно.
Лишайниковое покрытие сохраняет влагу в почве, хорошо защищает почвенный покров и подстилающие породы от склоновых термоэрозионных процессов. Однако этот тип растительности легко нарушается гусеницами вездеходов. Естественное зарастание нарушений происходит медленно. Только на пятый год на нарушенных наездами участках появляются редкие группировки производных сообществ из Festuca ovina (овсяницы овечьей) и Deschamsia borealis (щучки северной) с проективным покрытием, не превышающим 30%.
Кустарниково-лишайниковые тундры приурочены к возвышенным и дренируемым участкам междуречий с относительно большой глубиной СТС (до 2 м). Господствующими являются бугорковатые и пятнистые ерниковые и ивняково- ерниковые тундры, имеющие форму низкорослых стелющихся кустарничков высотой не более 20 — 30 см. В сообществах кустарничков преобладают Betula папа, Salix glauca (ива сизая), Salix lanata (ива шерстистая), Salix phylicifolia (ива фи- ликолистая), нетребовательные к почвенному плодородию и нормально развивающиеся на кислых, выщелоченных тундровых мерзлотных подбурах.
Синузий ерников и ив более или менее равномерно распространен среди осоково-лишайниково-моховых пятнистобугорковых тундр. Под покровом кустарничков произрастают высшие растения родов Calamagrostis, преимущественно Calamagrostis lapponica (вейник лапландский), Carex, Роа и Vaecinium vitis-idaca (брусника), Vaecinium strictum, Lectum decumbens (багульник болотный).
Следует отметить, что в этих фитоценозах проективное покрытие кустистых лишайников местами может достигать 95 % с преобладанием видов Cladonia alpestris (кладония аль-
пийская), Cladonia rangiferine (кладония оленья), Cladonia ar- buscula (кладония лесная) и Cetraria cucolate (центрария кло- бучковая). В моховом покрове доминируют виды Polytrichum strietum и Dicranum angustum, Pleurozium с покрытием не менее 50 — 70 %.
При строительстве газопромысловых объектов и коммуникаций преимущественно нарушаются сообщества ернико- ивняковых и ерниковых тундр с лишайниками, занимающие плакоры с хорошо дренируемым субстратом. Эти сообщества трудно восстановимы. Через 4 — 5 лет после нарушения на месте кустарничково-лишайниковых тундр возникают вейни- ко-политриховые сообщества с вейником лапландским и проективным покрытием до 50 %. Дальнейшее восстановление этих сообществ не происходит из-за бедности субстрата и отсутствия влаги в почве.
Кочкарные тундры приурочены к плоским слабодрени- рованным водоразделам, сложенным суглинками и тяжелыми супесями. Растительные сообщества составляют ернико- ивняковые осоко-лишайниково-моховые тундры. На полигонах и бугорках преобладают тундровые перегнойно-глеевые почвы, в микропонижениях рельефа — тундровые торфянисто-глеевые.
Напочвенный покров имеет сложное гетерогенное мозаичное строение, что связано в основном с широким распространением криогенного полигонального микрорельефа. В нижнем ярусе фитоценозов под кочками и между ними поселяются мхи рода Sphagnum, способствующие заболачиванию этих территорий. В среднем ярусе под покровом кустарничков Betula папа и нескольких видов ив произрастают Eriophorum Vaginatum, Carex bigelowii ssp. Arctisibirica (осока арктосибирская).
Кустарники. На сухих притеррасных склонах речных долин, а также по берегам рек, развиты кустарниковые сообщества из ерников, ольхи кустарниковой (Alnaster fruticosus), ивы лапландской, ивы финихолистой, ивы сизой и др., достигающих высоты 1,5 — 2 м с редкими лиственницами высотой до 5 м, приуроченные к центральным и прирусловым участкам пойм, сложенных песками и супесями. Растительный покров на мерзлотно-пойменных аллювиальных почвах очень беден и не образует сомкнутой дернины.
Болота. Выделим два подтипа:
травяно-мохово-лишайниковые плоскобутристые, приуроченные к плоходренируемым центральным участкам плоских междуречий;
трещиновато-полигональные, приуроченные к приозерным депрессиям термокарстового происхождения с избыточным увлажнением.
В этих фитоценозах преобладают мхи рода Sphagnum (покрытие до 80 %), из высших растений Ledum dec ши- bens, Eriophorum vaginatum, Carex aretisibirica, Carex rariflora (осока водная), Rubus chamemorus (морошка), Vaccinium vitas-idaca и др. Для второго подтипа болот характерными растительными сообществами являются осоково-сфагново- пушицевые трещиновато-полигональные.
Почвенный покров представлен мерзлотными болотными почвами с характерными торфяным и оторфорванным горизонтами высокой кислотности со значительным запасом питательных элементов. При нарушении растительного покрова наездами гусенично-тракторной техники в течение трех — пяти лет формируются пушицево-осоковые, пушицево- осоково-политриховые, морошково-политриховые (Carex ensifolia, Eriophorum medium, Carex acuta, Rubus chamaemorus, Eriohorum polystachion) производные сообщества. На третий год после прекращения техногенного воздействия группировки вторичных сукцессий покрывают 40 — 60 % нарушенной поверхности. В течение 10— 15 лет естественный облик нарушенных болот практически полностью восстанавливается.
Луга. Луговые сообщества занимают небольшие участки вдоль берегов рек и озер, сложенных аллювиальными песками и супесями, на мерзлотных пойменных аллювиальных почвах. В этих фитоценозах преобладают виды родов Arctophila (северолюбка), Arctagrostis (арктическая полевица), Calamagrostis, Carex, Hierochloe (зубровка), Роа и других цветковых растений.
При строительстве и эксплуатации газопромысловых объектов преимущественно нарушаются фитоценозы лишайниковых и кустарниково-лишайниковых тундр, занимающие плакоры с хорошо дренированным песчаным субстратом. Эти сообщества трудновосстановимы. Через 4 — 5 лет после нарушения кустарниково-лишайниковой тундры на месте плакорных фитоценозов возникают производные вейниково- политроховые сообществ с проективным покрытием до 50 % площади. Дальнейшее восстановление естественных тундр приостанавливается из-за бедности нарушенного почвеннорастительного покрова и недостатка влаги в почве.
ЛАНДШАФТНОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИМЕСТОРОЖДЕНИЯ
Цель ландшафтного районирования — выявление исходных природных условий для составления классификатора техногенных нарушений территории месторождения и последующего определения комплекса мероприятий по восстановлению нарушенных территорий.
Главными факторами антропогенного воздействия на поверхность криолитозоны являются геокриологические (мерзлотные) условия. Поэтому в основу ландшафтного районирования положены признаки, в той или иной степени определяющие мерзлотные условия рассматриваемого района.
Как и при комплексном районировании в качестве первичного, ведущего признака выделим геолого-геоморфологический признак, определяющий генетическую принадлежность, возраст и геолого-мерзлотные условия поверхностных отложений и соответствующие геоморфологические уровни (районы).
Ямбургское поднятие (северная часть Тазовского полуострова, бассейн р. Пойловояха) по геолого-геоморфологическому признаку делится на две морские равнины и четыре эрозионно-аккумулятивные поверхности [1]:
Салехардская морская равнина;
Казанцевская морская равнина;
Зырянская надпойменная терраса;
Каргинская надпойменная терраса;
Сартанская надпойменная терраса;
поймы рек.
Внутри геоморфологических районов в основу выделения природных микроландшафтов положены следующие признаки: мезо- и микрорельеф поверхности; литологический состав сезоннопротаивающего слоя и подстилающих грунтов; почвенный покров поверхности; растительные сообщества.
Влияние рельефа на мерзлотные условия проявляется в основном через условия дренирования и распределения снежного покрова.
По характеру рельефа можно выделить следующие типы поверхности: косы и пляжи; плоские и слабокочковатые поверхности; поверхности с полигональным мелкобугристым микрорельефом; поверхности с полигонально-валиковым микрорельефом; поверхности с пятнистым мелкобугристым микрорельефом; заболоченные понижения; днища и склоны долин мелких водотоков.
В целом по влиянию техногенного воздействия на состояние поверхности тундры, изменению термовлажностного режима, развитию процессов термоэрозии, солифлюкции, термокарста и др. вышеуказанные типы поверхности можно объединить в три группы: плоские, плоскосклонньте и холмистые поверхности (уклоны меньше 5°); склоны (крутизна больше 5°); заболоченные понижения, днища долин водотоков.
Литологический состав сезоннопротаиващего слоя и подстилающих грунтов определяет основные свойства мерзлых пород — льдистость, криогенное строение и др.
Основными видами грунтов являются: пески, супеси, суглинки, глины, торф.
Почвенно-растительный покров влияет на мерзлотные условия (температура мерзлых пород, льдистость, глубина се- зоннопротаивающего слоя) как естественный регулятор термовлажностного режима. При этом почвенно-растительный покров служит теплоизолятором, определяет мощность снежного покрова и распределение влаги в поверхностном слое.
Основными видами почв на территории Ямбургского месторождения являются следующие:
тундровые перегнойно-глеевые почвы, которые в основном залегают на бугорках и полигонах;
тундровые торфянисто-глеевые и перегнойно-торфянистоглеевые, залегающие на периферийной части полигонов и в микропонижениях;
тундровые иллювиально-гумусовые (неглеевые) почвы (мерзлотные тундровые подбуры). Они залегают в дренированных участках водоразделов и в верхних частях склонов;
мерзлотные болотные почвы, приуроченные к понижениям рельефа, входящие в состав полигональных болотных ландшафтов;
мерзлотные пойменные аллювиальные почвы, покрывающие прирусловые пойменные участки, сложенные песчаным и супесчаным аллювием;
мерзлотные торфянисто-болотные почвы, сформированные в депрессиях центральной поймы и притеррасных понижениях пойм.
На территории месторождения выделены шесть основных групп естественных растительных сообществ:
лишайниковые тундры;
кустарниково-лишайниковые тундры;
кочкарные тундры;
кустарники (ольха, ива, ерник и др.); болота;
луга.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТУНДРЫ
Основными современными физико-геологическими термоэрозионными процессами, изменяющими поверхность криолитозоны, являются овражная эрозия, солифлюкция, термокарст и морозное пучение. Зонально географические условия территории Ямбургского месторождения обусловливают две группы факторов, оказывающих противоположное влияние на динамику термоэрозионных процессов.
Факторы, ограничивающие интенсивность термоэрозионных процессов:
небольшое количество осадков, относительная равномерность их выпадения. Малые осадки в летнее время (100 — 150 мм) не обеспечивают достаточного водного стока, равномерный характер их выпадения — дружности стока. Небольшая мощность снежного покрова, растянутость периода его схода (6—10 сут) обусловливают достаточно слабый весенний сток. Модули стока 1%-ной обеспеченности во время снеготаяния составляют в среднем 0,5, во время дождей — 3 — 4, что значительно ниже, чем в более южных зонах. Коэффициент дружности и эрозионный индекс осадков в тундровой зоне также значительно ниже, чем в гумидной зоне. Объем термоэрозионной переработки грунтов в условиях Тазовского полуострова составляет 0,01—0,1 млн. м3/км2, что по классификации [11] относится к слабой степени термоэрозионной переработки. Средний запас влаги в снеге составляет 150 мм, период схода снежного покрова значительно растянут, соответственно ниже и расход талых вод — 110 — 140 м3/га;
относительно плоский рельеф поверхности, небольшие длина склонов и площадь водосбора. Минимальные площади водосбора для единичной овражной формы в условиях Ямбурга составляют 92 000 — 166 000 м2, средний запас влаги в водосборе 12 000 — 22 000 м3;
превышение объемов солифлюкционных склоновых процессов над объемами выноса эрозии. К тому же солифлюк- ционные процессы продолжаются в течение всего теплого периода, а период интенсивности стоков ограничен весенним периодом. Этот фактор способствует стабилизации склонов и глубины овражных систем.
Все перечисленные факторы обусловливают сравнительно умеренные характеристики естественной овражной эрозии: малая плотность оврагов (2—10 на 100 м2), предельную длину до 100 м, густоту овражной сети 0,03 км/км2, глубину вреза до 10 м
Факторы, благоприятствующие развитию термоэрозионных процессов:
при оттаивании грунтов их размываемость увеличивается в 10 — 20 раз; допускаемые неразмывающие скорости для основных талых грунтов Ямбургского месторождения составляют всего 0.2 —0,8 м/с. Льдонасыщенность грунтов обусловливает их большую влажность и низкую противоэрозионную устойчивость. В этом же направлении действует и неглубокое залегание многолетнемерзлого горизонта, который служит водоупором и уменьшает процесс фильтрации;
наиболее благоприятные условия для развития термоэрозионных процессов создаются при нарушении почвеннорастительного покрова, обусловленном как естественными (морозобойное трещинообразование, солифлюкция), так и техногенными факторами. Нарушение почвеннорастительного покрова существенно изменяет термовлажностный режим поверхности за счет ослабления теплоизолирующего влияния. При этом в 1,5 — 3 раза увеличивается мощность сезонно-талого слоя, в результате плавления льдов интенсифицируется термокарстовая просадка поверхности (оседание поверхности достигает 10 — 15 см в год). Термокарстовые просадки, солифлюкционные оползни на участках с тяжелыми влажными грунтами, дефляция на участках с дренированными грунтами способствуют изменению рельефа поверхности.
Особую роль в развитии термоэрозионных процессов играют снежники, формирующиеся в понижениях рельефа и на дне оврагов и балок [12]. Они тают медленно (до середины лета), благодаря чему обеспечивается незначительный сток холодной воды, и грунты на склонах сохраняются в мерзлом состоянии, предотвращая их разрушение. Однако, задерживая задернение грунтов и способствуя их переувлажненности, снежники в конечном счете активизируют солифлюкцию, оползневые процессы и эрозию в теплый период года.
Факторы, благоприятствующие развитию термоэрозии в условиях Ямбургского месторождения, значительно усиливаются при техногенных воздействиях, поэтому антропогенная стимуляция термоэрозионных процессов является причиной наиболее разрушительных геоморфологических процессов.
Интенсивность техногенного воздействия на поверхность криолитозоны кроме сущности самих техногенных процессов определяется также природными факторами: горизонтальной и вертикальной расчлененностью рельефа, видами почвогрунтов, степенью увлажнения и геокриологическими свойствами грунтов и т.д.
РЕЖИМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКАИ СНЕГОНАКОПЛЕНИЯ
При строительстве линейных сооружений снятие почвенно-растительного покрова, планировка склонов, создание насыпей изменяют условия поверхностного стока. На склонах формируются запруды, при их разрушении — промоины и овраги, так как разуплотненный грунт легко размывается. При этом нарушается термовлажностный режим поверхности, развивается эрозионно-термокарстовый рельеф (овраги, термокарстовые впадины, заболачивание пониженных участков, дренирование повышенных участков и их дефляция).
Высота снежного покрова в отрицательных формах техногенного рельефа, на участках ветровой тени сооружений и зданий в 2 —5 раз превышает высоту снежного покрова естественных ландшафтов. Увеличенный и уплотненный снеговой покров повышает среднегодовую температуру, что приводит к возрастанию глубины сезонного протаивания и образованию надмерзлых таликов (при высоте сугробов 1,5 — 2 м и более). Талики способствуют развитию термокарста, и если их контуры попадают в контуры зданий и сооружений, возможна деформация фундаментов. Рост снежного покрова увеличивает также количество талого стока, что может вызвать термоэрозионные процессы.
Искусственное уменьшение высоты снегопокрова и оголение почвы в зимних условиях значительно усиливает моро- зобойное трещинообразование. При ненарушенном снежном покрове в условиях Ямбурга морозобойное растрескивание грунтов характерно для торфа и супесчано-суглинистых грунтов. При этом глубина трещин достигает 8 м, расстояние между соседними трещинами 20—30 м. При удалении снежного покрова морозобойному трещинообразованию подвергаются и пески, в которых образуются трещины глубиной 5 —6 м с расстоянием между соседними 9—11 м. Таким образом, уменьшение снежного покрова увеличивает густоту трещин в 2 - 3 раза.
Криогенные трещины вызывают появление растягивающих напряжений, действующих на объекты, находящиеся под землей (трубопроводы, сваи, фундаменты). Морозобой- ное трещинообразование способствует образованию полиго-
ХТЯ А чтгч_хсгтж А IL‘tXt-TV XLAriD vnmnrtT то нтптхттатп ж т тт<х пхтхстт/уг тт^ iwr **W JkWA&W /1\ХХ/Ы-11ИЬМ4ь /чу ^VA>| IVViVpUlV, V А ^/lAX^U A ky^LUll W L//LI1V11V1 X1U Jf k-~ тойчивость грунтов.
Глава 5
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЙЗЕМЕЛЬ ЯМБУРГСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГОМЕСТОРОЖДЕНИЯ
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КЛАССИФИКАЦИИТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЙ.
ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Освоение северных нефтегазовых месторождений связано со значительными и разнообразными техногенными воздействиями на поверхность криолитозоны, которые вызывают и усиливают экзогенные геологические процессы, изменяют окружающую природную среду (ландшафты, почва, растительность), что не только создает угрозу для эксплуатации промышленных объектов, но и оказывает воздействие на животный мир и в конечном счете на условия жизни коренных народов.
Предпосылками сильной подверженности этих территорий техногенным воздействиям служат суровый субарктический климат, незначительная мощность почвенного покрова, легкий механический состав грунтов, небольшая глубина проникновения в почву корней растений, близкое залегание вечной мерзлоты.
Непосредственной причиной появления, усиления или ослабления процессов изменения ландшафтов и почв является изменение теплового баланса на дневной поверхности. Частичное нарушение или полное удаление растительного покрове в зоне тундры увеличивает радиационный баланс поверхности на 5—15 %, что вызывает повышение среднегодовой температуры на 0,7 —2,0 °C и возрастание глубины летнего протаивания в 2 — 3 раза. Интенсивность техногенных нарушений теплового баланса почв и грунтов в количественном отношении на несколько порядков больше, чем при естественных его изменениях [13—16].
Удаление растительности, торфяного слоя и почвы обнажает пески или пылеватые суглинки, в результате происходит их протаивание, активно развиваются процессы водной и ветровой эрозии, что приводит к быстрому развитию оврагов, термокарста и появлению техногенных пустынь. Нарушенные участки земель нуждаются в восстановлении, и чем сильнее степень нарушенности, тем оно будет сложнее и дороже.
Для правильного выбора способов рекультивации нарушенных земель от простого стимулирования самовосстановления до сложных инженерно-биологических приемов необходимо прежде всего провести классификацию нарушений почвенно-растительного покрова. Такие работы выполнялись рядом авторов [17 — 21].
Техногенные воздействия по видам подразделяются на механические, химические, гидрологические, криогенные, акустические, климатические и влияют прежде всего на рельеф, почвенный и растительный покров, животный мир
Н.Г. Москаленко и Н.Н. Ястреба [20] разработали следующие градации нарушений при техногенном воздействии для севера Западной Сибири: частичное уничтожение растительности в результате проезда транспорта (естественная растительность покрывает более половины площади); уничтожение большей части растительного покрова вследствие многократного прохождения транспорта; снятие растительного покрова, нарушение микрорельефа, удаление торфяных горизонтов на 10 — 20 см; погребение естественного растительного покрова в результате навалов.
Д. Браун и Н.Г. Граве [22], изучавшие техногенные нарушения в районах вечной мерзлоты, выделяют также нарушения, связанные с прокладкой различного рода коммуникаций, оставлением свай на бывших буровых площадках, наличием твердого неразлагающегося мусора, а также разливами и стоками дизельного горючего, машинного масла и сырой нефти.
Территория Ямбургского месторождения сложена многолетнемерзлыми породами, поэтому немаловажное значение имеет прогноз техногенного воздействия на мерзлотные условия. Наиболее полная методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий предложена в работе Л.С. Гарагули [4]. В ней рассмотрены методы прогнозирования отдельных мерзлотных характеристик, дана классификация многолетнемерзлых пород и мерзлотных процессов, типизация нарушений природных факторов при наземном строительстве, выполнено общее и специальное оценочное мерзлотное картирование.
Исследователи приводят подробные классификации, типизации или градации нарушений, рассматривают устойчивость или подверженность нарушениям различных видов почв или грунтов. Однако практически нет работ, где предлагались бы г-тгг\г-г\Р.хл тлагглгкт.'гчхидтхтхлх D оанххг'ххкхгхг'тхх г>т гтопоии ххзт^зттттптт- J^*-r*X Jr * e-bjr * Ж* Ж^^^ЖЛЛЛ W ^ W**'-,***'* VX- * ** V* ^ * \^1.1VX1<A XXVXj^Z J U4V11 ности территории, в полной мере учитывались бы генетические свойства почв и грунтов, свойства растительных ценозов и рельеф.
Поэтому представляет научный и практический интерес попытка составления классификатора техногенных нарушений поверхности тундры для территории Ямбургского ГКМ с выходом на способы восстановления и рекультивации нарушенных земель [24].
Целью таких исследований является:
составление классификатора техногенных нарушений поверхности тундры для территории Ямбургского ГКМ с учетом местных природно-климатических условий, а также видов и степени техногенных нагрузок;
характеристика, типизация и разработка методов восстановления земель на примере одного класса нарушенных земель — выработанных карьеров на основе общих принципов классификации техногенных нарушений.
Следует отметить, что применительно к достаточно большой территории такая комплексная разработка для условий Крайнего Севера проводится впервые и ее актуальность обусловлена природоохранным и земельным законодательством Российской Федерации.
Объектами исследования при этом служат компоненты экосистем (биогеоценозов) территории месторождения (растительный покров, почвы, грунты, водные системы, грунтовые воды и льды); климат, характеризующий указанные состояния биогеоценоза; ландшафты, в которых формируются указанные экосистемы; основные виды техногенных нагрузок газодобывающего комплекса на природную среду.
Основные методы исследования: полевое обследование нарушенных земель по специальной схеме; закладка почвенных разрезов по основным элементам ландшафтов; лабораторные исследования агрохимических и биологических свойств почв; обработка результатов микрополевых опытов по определению перспективных растений-рекультивантов и оптимальных почвенных условий при реализации восстановительных мероприятий; геоботаническое обследование растительности нарушенных и естественных участков тундры; натурные исследования техногенного оврагообразования на территории
месторождения и прогноз его развития; модельные лабораторные опыты по определению оптимальных условий развития растений-рекультивантов.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОКИ ИХ СИСТЕМАТИЗАЦИЯ
Как было отмечено выше, характер и динамика техногенных нарушений определяются двумя основополагающими факторами: природно-климатическими и физико-географическими условиями территории, а также видами и интенсивностью потоков техногенных нагрузок на территорию.
В условиях тундры основной причиной развития нарушений поверхности криолитозоны являются изменение теплового и водно-воздушного равновесия между тремя соседними частями биосферы: верхним слоем литосферы, террабиосфе- рой (поверхностью суши) и аэробиосферой (нижней частью атмосферы). Именно в этой части биосферы в недрах земли до глубины нескольких десятков метров и на ее поверхности происходит основная техногенная деятельность, связанная с эксплуатацией газового месторождения. При этом от общего техногенного воздействия достаточно четко детерминируется бурение и эксплуатация скважин, поскольку эксплуатация газовых скважин в отличие от нефтяных не сопровождается интенсивным воздействием на недра земли в виде закачек больших объемов воды и других реагентов и влиянием на состояние пластовых и грунтовых вод. Поэтому степень влияния техногенных нагрузок прежде всего определяется морфологией рельефа и ландшафтов, составом почвенно-грунтовых систем, глубиной протаивания грунтов и их льдистостью.
В зависимости от характера и интенсивности можно выделить первичные и вторичные техногенные воздействия.
К первичным техногенным воздействиям относятся:
Нарушение почвенно-растительного покрова, которое в свою очередь можно разделить на следующие категории: уплотнение и разрыв растительного покрова; частичное или полное уничтожение растительного покрова; частичное или полное нарушение почвенного покрова до оголения минеральных грунтов.
Эти изменения в целом обусловлены техногенной деятельностью, однако четко выделяется широко распространенная в условиях месторождения причина — проезды техники по тундре вне дорог.
Нарушение грунтов и подстилающих пород в результате
экскавации и переотложения грунтов. Причина этих изменений — проведение строительных работ, поэтому с точки зрения времени и пространства изменения носят локальный характер.
Изменение естественного повепуностного стока и режима снегонакопления.
Загрязнение поверхности промышленными и бытовыми отходами, промстоками, пожары.
Причиной последних двух изменений наряду со строительством является эксплуатация объектов, поэтому эти нарушения в определенной степени локализованы в пространстве, но по времени имеют сезонный или непрерывный характер.
Указанные первичные техногенные воздействия приводят ко вторичным, более интенсивным воздействиям. В условиях Ямбургского месторождения к ним относятся:
техногенное оврагообразование;
солифлюкционные склоновые изменения рельефа;
явления термокарста и последующего заболачивания территорий.
Разделение техногенных воздействий на два класса имеет принципиальное значение. Первичные техногенные нарушения непосредственно связаны с антропогенной деятельностью и в зависимости от продолжительности и интенсивности этой деятельности являются обратимыми или же, развиваясь, инициируют вторичные воздействия. Таким образом, имеется принципиальная возможность самовосстановления этих нарушений если устранить соответствующее техногенное воздействие.
Вторичные техногенные воздействия более интенсивны, они связаны с антропогенной деятельностью опосредованно (через первичные воздействия) и управляются физикогеологическими, термоэрозионными и гидрологическими процессами. По своей сути они необратимы (на период разработки месторождения). Поэтому для восстановления нарушений территории, вызванных этими воздействиями, необходимо проведение специальных инженерно-технических мероприятий.
ОБЩАЯ СХЕМА КЛАССИФИКАТОРАТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЙ
Выделены группы основных видов первичных и вторичных техногенных нарушений. К первичным отнесены следующие группы нарушений: почвенно-растительного покрова;
ЕСТЕСТВЕННАЯ ТУНДРА В РАВНОВЕСИИ
1
ТЕХНОГЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ, ИХ ПРИЧИНЫ И ОБЪЕКТЫ
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ
Нарушения почвенно- растительного покрова 1. Уплотнение и разрыв растительного покрова 2. Уничтожение растительного покрова 3. Частичные нарушения почвенного покрова 4. Полное нарушение почвенного покрова (оголение мнне- пальных грунтов)
Нарушения грунтов и подстилающих пород 1. Экскавация грунтов 2. Переотложение грунтов, отсыпка насыпей, рытье траншей
Изменения естественного поверхностного стока и режима снегонакопления
Загрязнения поверхности 1. Промышленные и бытовые отходы 2. Нефтепродукт и промстоки Пожары
I
ПРИЧИНЫ
|И ОБЪЕКТЫ |
НАРУШЕНИЙ
1
А Проезды техники
В Строительные работы и эксплуатация технологических объектов
С Эксплуатация технологических объектов, строительство сооружений и зданий
D Антропогенная деятельность в целом
А.
Единичные проезды техники
Ai Множественные проезды техники, временные дороги
1 в.
УКПГ, купы скважин, линейные сооружения (трубопроводы, шлейфы, ЛЭП, насыпные дороги)
в2 Жилые поселки и промзоны
В3 Карьеры
Рис. 5.1. Общая схема классификатора нарушений тундры
Нарушения почвенно-растительного покрова
Проезды техники
1 .Природные условия местности
Ги^ратогичакке 1. Дренирование 2. Увлажнение
Почвенно- гонтовые 1. Супеси и пески 2. Суглинки, тлимы 3. Торфяники Рельеф 1. Склоны 2. Плоские поверхности
А]. Единичные проезды и зимникиА]. Единичные проезды и зимникиРис. 5.2. Классификатор техногенных нарушений почвенно-растительного покрова и грунтов в зависимости от при-родных условий
А]. Единичные проезды и зимники
А]. Единичные проезды и зимники
Нарушения грунтов и подстилающих пород
Строительство и эксплуатация объектов
1 .Природные условия местности1 .Природные условия местности| ВрУКПГ, кусты скважин, линейные сооружения| ВрУКПГ, кусты скважин, линейные сооруженияГидрологические 1. Дренирование 2. УвлажнениеГидрологические 1. Дренирование 2. УвлажнениеПомеенно- грунтовые 1. Супеси и пески 1Сугл»пси, глины 3. Торфяники Рельеф 1. Склоны 2. Плоские поверхностиПомеенно- грунтовые 1. Супеси и пески 1Сугл»пси, глины 3. Торфяники Рельеф 1. Склоны 2. Плоские поверхностиВтВтВтВтВизВизВ ПИВ ПИВцз1Вцз1ВинВинв 1122в 1122В1132В1132ВинВинBniBniВцПВцПВцПВцПВ2. Жилые поселки и промзоныВ2. Жилые поселки и промзоныВизВизВи1Ви1В1211В1211Виз,Виз,В 2212В 2212В2132В2132Вэ. КарьерыВэ. Карьерыпо плпо плВзиВзиВзшВзшВзП2ВзП2Вз21Вз21В123В123Взп,Взп,В 3212В 3212
1 .Природные условия местности
1 .Природные условия местности
| ВрУКПГ, кусты скважин, линейные сооружения
| ВрУКПГ, кусты скважин, линейные сооружения
Гидрологические 1. Дренирование 2. Увлажнение
Гидрологические 1. Дренирование 2. Увлажнение
Помеенно- грунтовые 1. Супеси и пески 1Сугл»пси, глины 3. Торфяники Рельеф 1. Склоны 2. Плоские поверхности
Помеенно- грунтовые 1. Супеси и пески 1Сугл»пси, глины 3. Торфяники Рельеф 1. Склоны 2. Плоские поверхности
Вт
Вт
Вт
Вт
Виз
Виз
В ПИ
В ПИ
Вцз1
Вцз1
Вин
Вин
в 1122
в 1122
В1132
В1132
Вин
Вин
Bni
Bni
ВцП
ВцП
ВцП
ВцП
В2. Жилые поселки и промзоны
В2. Жилые поселки и промзоны
Виз
Виз
Ви1
Ви1
В1211
В1211
Виз,
Виз,
В 2212
В 2212
В2132
В2132
Вэ. Карьеры
Вэ. Карьеры
по пл
по пл
Взи
Взи
Взш
Взш
ВзП2
ВзП2
Вз21
Вз21
В123
В123
Взп,
Взп,
В 3212
В 3212
Рис. 5.3. Классификатор техногенных нарушений подстилающих пород в зависмости от природных условий
грунтов и подстилающих пород; изменения естественного поверхностного стока и режима снегонакопления; загрязнения поверхности и пожары.
Первичные техногенные нарушения приведены в общей схеме классификатора нарушений поверхности тундры на рис. 5.1 и связаны с причинами (обозначенными на схеме символами А, В, С, D) и объектами воздействия (обозначенными индексами 1, 2, 3, 4). Вторичные нарушения сведены в группу "термоэрозионные нарушения".
На рис. 5.2 и 5.3 приведена классификация основных первичных техногенных воздействий — нарушений почвенно-растительного покрова, грунтов и подстилающих пород в зависимости от природных условий местности: степени увлажнения местности, рельефа и почвенно-грунтового покрова. Выбор этих трех природных факторов обусловлен тем, что именно они в своей совокупности определяют мерзлотно-геоморфологические условия поверхности тундры (льдис- тость грунтов, глубину сезонного протаивания, температуру многолетнемерзлых пород, размываемость грунтов и т.д.), почвенно-растительный покров и микроландшафт.
Вторичные техногенные нарушения, рассмотренные в п. 5.2, можно представить аналогичным образом.
Список литературы к ч. И
Мерзлотные условия Ямбургского поднятия/Г.И. Дубиков, Е.Б. Белопухова, В.К. Данько и др.//Геокриологические условия и прогноз их изменения в районах первоначального освоения Севера. — М„ 1984, —С. 72—114.
Геокриологическое районирование Западно-Сибирской плиты/ В.Т. Трофимов, Ю.Б. Баду, Ю.К. Васильчук и др. — М.: Наука, 1987.— 22 с.
Термоэрозия дисперсных пород/Э.Д. Ершов, Д.В. Малиновский, Э.З. Кучуков и др. — М.: Изд-во МГУ, 1982. — 193 с.
Пандин В.В., Ганова С.Д. Экспериментальные исследования сопротивления мерзлых грунтов предельно-термоэрозионному размыву//Материалы I конф, геокриологов России. — М.: Изд-во МГУ, 1996. — Кн. 3. —С. 404 — 493.
Косов Б.Ф., Любимов Б.П. Опыт картирования территории СССР по размываемости покровных горных пород//Эрозия почв и русловые процессы.—М.: Изд-во МГУ, 1974.— Вып. 4.
Бастраков В.В. Эрозионная прочность горных пород//Геомор- фология. —1977. — № 2. — С. 52 — 55.
Лобастова С.А. Методы защиты от оврагообразования на севере Западной Сибири: Дисс. канд. техн, наук. —М., 1990.— 215 с.
Инженерно-биологическая рекультивация нарушенных территорий Ямбургского ГКМ/И.Л. Хабибуллин, СА Лобастова, И.М. Габбасова, А.Р. Мар- гулов, Р.Х. Сулейманов. — М.: ВНИИЭгазпром, 1991. —29 с.
Александрова В.Д. Геоботаническое районирование Арктики и Антарктики.—Л.: Наука, 1977.— 188 с.
Дружинина О А, Мяло Е.Г. Охрана растительного покрова Крайнего Севера: проблемы и перспективы. — М.: Агропромиздат, 1990.—176 с.
Растительный покров Западно-Сибирской равнины. — Новосибирск: Наука, 1985.-250 с.
Прогноз изменения природных условий Западной Сибири/Под ред. А.И. Попова, В.Т. Трофимова. — М.: Изд-во МГУ, 1988.— 236 с.
Косов Б.Ф., Константинова Г.С. Овражная эрозия в области вечной мерзлоты//Вопросы криологии Земли. — М.: Наука, 1976.— С. 162—169.
Мельников П.И., Павлов АВ., Граве НА Исследования и мероприятия по охране окружающей среды в области распространения многолетнемерзлых пород//Изв. АН СССР. Сер. геогр. — 1977, — № 5.
Павлов А.В., Сергеев Б.П., Скрябин П.П. Изменение теплообмена грунтов с атмосферой в зоне тундры при техногенных воздействи- ях//Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация. — Новосибирск, 1979. —С. 12 — 22.
Kurfurst P.I. Terrain disturbanse susceptibility, noman wells area Mackenjie Valleg Enviromental. — Social comittee on Xot-hern Oil Development. — Canada, 1973.
Lathram E.H. Analysis of state of vechiasular scars on arctic tundra, Alacka//Third Sumposium on Earth Resources Technology Satellite-1.— Washington, 10-14 Dec. 1973; № ASA-SP-351.-Vol. 1. 1974.
Краснитский A.M. Значение окружающих территорий для заповед- ника//Изв. АН ССР. Сер. геогр. —1975. — № 3.
Граве НА Место и направление геокриологических исследований в проблеме охраны среды и рационального природопользования в области вечной мерзлоты/ХУстойчивость поверхности к техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты,—Якутск, 1980.
Ливеровский ЮА., Попов А.И., Смирнова В.В. Рекультивация нарушенных в результате деятельности человека природных ландшафтов//Охрана окружающей среды при освоении области многолетнемерзлых пород. — М„ 1980.-С. 111-116.
Москаленко Н.Т., Ястреба Н.В. Исследование динамики растительного покрова, нарушенного техногенным воздействиемХХБиогеографические аспекты природопользования, —М., 1980.— С. 144—164.
Васильевская ВД„ Иванов В.В., Богатырев И.Г. Почвы севера Западной Сибири.— М.: Изд-во МГУ, 1986.-227 с.
Браун Дж., Граве НА. Нарушение поверхности и ее защита при освоении Севера.—Новосибирск, 1981.—88 с.
Гарагуля Л.С. Методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий (на примере равнинных территорий). — М.: Изд-во МГУ, 1985.-224 с.
Хабибуллин И.Л., Лобастова СА., Ананенков АГ., Ставкин Г.П. Классификация техногенных нарушений Ямбургского газоконденсатного место- рожденияХХНауч.-техн. достижения и передовой опыт в нефтегаз, пром- сти.-Уфа, 1999.-С. 260 - 269.- (Сб. науч. тр.ХУГНТУ).
ЧастьIII
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ЗАЩИТЫ ЗЕМЕЛЬН ИХ ВОССТАНОВЛЕИМЯв условиях КРИ0ЛИТ030НЫ
Глава 6КОНЦЕПЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙРЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕСТЕСТВЕННОЙ ТУНДРЫ
Проведены исследования земель, отведенных предприятию "Ямбурггаздобыча" в постоянное и временное пользование.
Основные типы нарушений почвенно-растительного покрова связаны с бурением и эксплуатацией скважин, строительством УКПГ и жилых поселков, прокладкой трубопроводов, устройством дорог, разработкой карьеров и развитием овражной сети. По этим объектам нарушений составлен общий классификатор нарушений с учетом почвеннорастительных и мерзлотных условий (см. рис. 5.1—5.3). Конкретными объектами исследований служили выработанные карьеры.
Вблизи карьеров закладывались почвенные разрезы для определения типа почвы и их морфологической характеристики, отбирались образцы для лабораторных исследований агрохимических и биологических свойств почв.
Агрохимические свойства почв определяли общепринятыми методами [1], pH водной и солевой вытяжек — потенциометрическим, содержание углерода — методом Тюрина, подвижного азота — по Башкину и Кудеярову, подвижного фосфора — по Чирикову, ферментативную активность почв (инвертазу, уреазу и каталазу) — по Хазиеву [2].
При разработке классификатора нарушений и мероприя-
тий по рекультивации карьеров были обобщены результаты выполненных ранее полевых и лабораторных опытов. В 1992 г. отобраны и проанализированы образцы почв, на которых в течение 4 лет проводился микрополевой опыт по определению влияния внесения торфа, минеральных удобрений, доломитовой муки и профилактического противоэрози- онного состава на рост и развитие вейника лапландского. Проведен учет проективного покрытия на четвертый год после начала опыта.
Для характеристики почв естественной тундры, залегающих в непосредственной близости от карьеров, были заложены разрезы по всем основным элементам ландшафта от прирусловой части поймы до вершины водораздела. По такому профилю проведены полевые исследования с определением морфологических, агрохимических и биологических свойств почв вблизи карьеров № 26 и 26а, расположенных и промзоне Ямбургского ГКМ. Вблизи всех других карьеров закладывались прикопы для определения типа почвы, мощности гумусово-аккумулятивного горизонта. Из прикопов у карьеров № 26, 43, 43М, 52, 53, 49 и 12 отбирались образцы для лабораторных анализов. (Основные типы господствующих почв для земель Ямбургского ГКМ описаны в разделе 4.2.). Рассмотрим более подробно морфологические характеристики, агрохимические свойства и ферментативную активность естественных почв.
Морфологическое описание почв. Поверхность тундры (за территорией собственно карьеров № 26 и 26а) на значительной территории нарушена колеями колесного и гусеничного транспорта. Зарастание по старым колеям представлено в основном ассоциациями пушицы.
Согласно классификации мерзлотных пойменных почв А.К. Коноровского [3] на исследуемой территории выделены типы мерзлотных пойменных аллювиальных почв и мерзлотных пойменных торфянисто-болотных почв [4].
Мерзлотные пойменные аллювиальные почвы залегают в прирусловой, самой молодой, ежегодно заливаемой пойме, сложенной песчаным и супесчаным аллювием. В низкой пойме выражен мелкоувалисто-скошенный мезорельеф. На увалистых местах центральной поймы залегают более развитые мерзлотные пойменные аллювиальные почвы, а в низинных и притеррасной (пониженной части)— мерзлотные пойменные болотные разной степени оторфованности. Для морфологической характеристики приводим описание следующих разрезов.
Разрез №1—89. Заложен на левом берегу р. Пойловояха в 500 м к югу от русла. Выровненная центральная пойма, микрорельеф мелкокочковатый. Растительность — мхи, лишайники, редко пушица, карликовая береза, голубика, брусни-
. 0 - 8
Аосм — живая подушка из мхов и лишаиников;
А 8- 10„л_
—-— см — темный, коричнево-бурыи, супесчаный, бесструктурный, местами черные пятна слаборазложившегося торфа, влажный, пронизан корнями, переход отслаивающийся;
В см — серо-бурый мелкозернистый песок с темными затеками по ходу корней, бесструктурный, влажный, пронизан корнями, переход неровный, но заметный;
D 13-17
Bf см — светлый, желтовато-рыжеватый с ржавыми 4
пятнами и затеками песок, редко корни, бесструктурный, переход ясный по ржавой прослойке;
ВА см — более темный буровато-сероватый песок 2
без пятен ожелезнения, мокрый, бесструктурный, редко корни, переход заметный по окраске;
19-25
ВС см — серый слоистый, мокрый, единичные 6
корни, переход постепенный;
_ 25 - 51„w.
С см — светло-серый однотонный песок (похож на 26
чистый кварцевый); на глубине 51 см выходит вода.
Почва: мерзлотная пойменная аллювиальная.
В районе разреза № 1 проходит колея от колесного транспорта, растительный покров почвы полностью нарушен, поверхность пересыпана песком, пахнет бензином. С ее поверхности (0 — 5 см) отобран образец для лабораторных исследований.
Разрез № 2—89. Заложен в центральной пойме реки, небольшая лощина, пушицевая ассоциация.
А О - 1 - 1,5
Ао см — живая подушка;
0-10,,
А_ см — бурый слаборазложившиися торф, слабо 10 пересыпан песком, влажный, переход отслаивающийся;
В ——— см — серовато-бурый, сильно скрепленный кор- 7 нями песок, бесструктурный, переход заметный;
С см — светло-серый мокрый песок; на глубине 14...
31 см выступает вода. Почва: мерзлотная пойменная торфянисто-болотная.
Разрез № 3—89. В 30 м от русла реки, прирусловая пойма. Редкое разнотравье, мхи, лишайники.
а О"5
Ао см — живая подушка;
А, см — коричнево-бурыи местами оторфованныи песок, влажный, переход отслаивающийся;
В,—-— см — серо-бурый с отдельными ржавыми пятнами песок, бесструктурный, влажный, пронизан корнями, переход постепенный;
„13-28
см — светлый, рыжевато-желтоватый песок, сы- 15
рой, переход заметный;
„ 18 - 40...„
С см — светло-серый однородный песок, мокрый; 12...
с глубины 28 см сочится вода.
Почва: мерзлотная пойменная аллювиальная.
Вблизи разреза № 3 — 89 проходит колея глубиной до 5- 7 см, на поверхности — буровато-серый песок с редкими оторфованными пятнами, растений мало. Для исследований отобран образец с глубины 0 — 5 см.
Разрез Ns 4—89. Заложен в 50 м к востоку от границы карьера, притеррасная пойма, пушицевая ассоциация.
* о-ю
Ат. см — подушка из начинающего разлагаться тор- 10
фа (слаборазложившийся), ясно видны корни и остатки не- разложившегося мха, сырой;
Ат2 см — темно-бурый слабо пересыпанный песком
сильноразложившийся торф, мокрый, переход резкий по границе торфа;
п 17 - 29
В см — серо-бурый с отдельными ржавыми пятна- 12
ми, бесструктурный, скрепленный корнями песок, местами темные полосы по ходу корней, мокрый, переход постепенный;
С ——35™ см „ светло-серый однородный песок; на глу- бине 30 см выступает вода. Почва: мерзлотная пойменная торфянисто-болотная.
За пределами поймы на водораздельных склонах и вершинах увалов на дренированных участках сформированы типы тундровых глеевых почв и тундровых неглеевых (дерновых) почв, в депрессиях тундровые болотные почвы разной степени оторфованности. Для характеристики тундровых глеевых и торфяно-болотных почв приводим описание следующих разрезов.
Разрез № 5—89. Заложен в 100 м от магистрали в сторону озера, склон увала.
Карьер № 26. Растительность: береза, ива, брусника, голубика, редкое разнотравье, злаки.
л 0 - 8
Ао —— см — живая подушка из мха и лишаиников;
л 8-12„
Ап.тсм — темный, коричнево-бурыи супесчаный, силь- 4
но пронизан корнями, местами оторфованные вкрапления, влажный, переход неровный, но заметный;
Bj ——— см — серовато-рыжий супесчаный, неоднородно 4
окрашенный, много ржавых пятен, бесструктурный, сырой, корни, переход постепенный;
„16-22
В2 см — буровато-рыжии, много ржавых пятен,
6
бесструктурный песок, мокрый, переход заметный по окраске;
22 - 27
Вл см — более темный, серовато-бурый песок, темные пятна по ходу разложившихся корней, бесструктурный, мокрый, переход ясный по окраске;
п 27 - 40
В,см — рыжии однородный мокрый песок, редко 13
корни, переход ясный;
„40-50
В, см — буровато-рыжии с сизыми пятнами оглее-
10
ния легкий суглинок (пятнами тяжелый), тиксотропный; на глубине 50 см мерзлота.
Почва: мерзлотная тундровая перегнойно-торфянисто-глеевая.
Разрез № 6—89. Заложен в 1 км к северу от магистральной дороги, в 500 м к востоку от дороги на карьер № 26, выровненный склон увала. Растительность: береза, ива, брусника, голубика, морошка, разнотравье редкое, злаки, мхи, лишайники.
л °"8
Ао —— см — живая подушка из мхов и лишаиников;
Ац.т —-— см — темный, коричнево-бурыи супесчаный, местами оторфованные пятна, влажный, переход заметный;
„и-15
В см — серовато-рыжии супесчаный, окрашенный, 4
сырой, много корней, переход постепенный;
о 15-28
В, см — буровато-рыжии, много ржавых пятен, 13
бесструктурный песок, мокрый, корни редко, переход ясный; на глубине 45 см мерзлота.
„28-45
В см _ буровато-рыжии с зелеными и синими
13
пятнами легкий суглинок, тиксотропный.
Почва: мерзлотная тундровая перегнойно-торфянистоглеевая.
Разрез № 7—89. Заложен в 500 м к северу от магистрали и 100 м к востоку от дороги к карьеру № 26. Западинка на склоне увала, микрорельеф мелкокочковатый. Растительность: редкие кустарнички — береза, ива, мхи, лишайников мало.
АоАоA.A.0-10см — живая подушка из мхов;10—•" 28 см — темно-бурый слаборазложившийся торф,180-10см — живая подушка из мхов;10—•" 28 см — темно-бурый слаборазложившийся торф,18пересыпан песком, мокрый, переход заметен по цвету;пересыпан песком, мокрый, переход заметен по цвету;
Ао
Ао
A.
A.
0-10
см — живая подушка из мхов;
10
—•" 28 см — темно-бурый слаборазложившийся торф,
18
0-10
см — живая подушка из мхов;
10
—•" 28 см — темно-бурый слаборазложившийся торф,
18
пересыпан песком, мокрый, переход заметен по цвету;
пересыпан песком, мокрый, переход заметен по цвету;
Ат2—-—см — более темный среднеразложившийсяторф, песка меньше, мокрый;
„38-44
ВС—-— см - буровато-серый песок, мокрый, выраженных признаков оглеения нет. На глубине 25 см сочится вода, мерзлота на уровне 40 см.
Почва: мерзлотная торфянисто-болотная.
Описанные морфологические профили почв характерны для одноименных типов, залегающих в других местах с незначительными колебаниями мощности отдельных горизонтов и степенью разложения торфа. Эти показатели для верхних горизонтов ненарушенных почв вблизи изучаемых карьеров определялись в прикопах.
Агрохимические свойства ненарушенных тундровых почв приведены в табл. 6.1 и 6.2. Как видно из анализа приведенных результатов, все тундровые почвы кислые и сильнокислые, причем актуальная кислотность приближается к потенциальной, что указывает на высокую активность ионов водорода. К низу профиля кислотность обычно несколько снижается, так как подстилающие породы — мелкозернистый или пылеватый песок — обладают меньшей (средней) кислотностью. При перемешивании верхних перегнойно-торфянистых горизонтов с песком (в вывалах грунта с торфом на карьерах или при его надуве ветром, вносе с водными потоками и т.д.) кислотность снижается. Максимальная кислотность, в том числе гидролитическая, обнаруживается в перегнойно-торфяных горизонтах тундровых почв. Эти почвы сильно недонасыщены основаниями, в составе которых преобладает кальций. Вниз по профилю степень насыщенности основаниями увеличивается, т.е. меняется пропорционально кислотности и в почвообразующей породе достигает 61 %.
Перегнойно-торфянистые и торфяные горизонты содержат большое количество органического вещества, количество которого резко снижается вниз по профилю. Содержание валового и подвижного фосфора очень невелико. В составе доступных растениям форм азота (см. табл. 6.2) преобладает аммиачная форма, нитратный азот практически отсутствует, что указывает на восстановительные условия среды и преимущественно аммиачную форму питания тундровой растительности.
Результаты исследований ферментативной активности почв приведены в табл. 6.3. Как видно из полученных данных,
Генетический горизонт
Глубина горизонта, см
рн
Гумус, %
Поглощенные катионы
Насыщенность основаниями, %
Содержание Р2О5 мг/100 г почвы
Н2О
КС1
Са2+
Мд2+
Н +
валового
подвижного
Разрез 1-89 А,
8-10
3,86
4,05
5,76
0,9
0.8
7,9
18
24,6
0,14
В
10-13
4,16
4,27
2,20
0,9
0,4
4,4
23
15,4
0,33
В,
13-17
4,62
4,39
0,50
0,9
0,2
1,5
42
7,9
0,40
в„
17-19
4,27
4,33
1,17
1,3
0,2
2,5
38
15,0
0,30
с
25-51
4,76
4,49
0,36
0,4
1.3
1.1
61
3,9
0,40
Колея
0-5
4,42
4,21
—
—
—
6,4
—
3,9
0,40
Разрез 2-89 \
0-10
5,02
4,41
14,45
1,5
0,2
22,0
7
19,3
0,27
В
10-17
4,16
4,12
2,77
1.3
0,9
6,1
26
3,9
0,30
Разрез 3—89
5-7
4,30
3,99
3,85
2,2
0
7,7
22
21,7
0,30
в,
7-13
4,58
4,08
1,36
1,5
0
3.2
32
8,0
0,33
В,
13-28
4,48
4,34
0,23
1.1
0,2
1.5
46
9,8
0,40
Колея
0-5
4,85
4,22
2,09
1,1
0,4
4,4
25
11,8
0,24
Разрез 4-89 Ат!
Ат2
0-10
4,32
3,87
23,77
7,0
0,5
3,7
67
11,8
0,14
10-17
4,52
4,16
5,71
1.7
0,5
2,8
44
29,5
0,10
В
17-29
4,67
4,22
3,49
1,1
0,3
3,9
26
21,6
0,10
Разрез 5—89 Ап-т
0-12
3,91
3,56
7,14
1,5
0,7
8,6
12
7,9
0,60
в.
12-16
4,22
3,74
1,65
0,9
0,4
8,0
13
11.4
0,07
в„
22-27
4,30
4,09
1,91
1,1
0,2
7,0
16
17,9
0,40
в
27-40
4,33
4,24
0,39
0,9
0,4
3,6
27
12,7
0,10
В,„
40-50
4,43
4,14
0,58
1,7
0,5
5,9
27
21,6
0,40
Разрез 6—89 Ап-т
8-11
4,20
3,77
5,27
1,3
1.1
18,6
И
39,4
0,20
Разрез 7-89 Ат,
10-28
4,92
4,17
7,43
2,2
0,2
21,1
10
12,6
0,08
&
28-38
4,97
4,23
16,94
2,2
0,9
34,2
8
19,2
0,02
38-44
4,81
4,13
1,47
2,6
1,4
4,5
47
2,0
0,20
Таблица 6.1
Агрохимическая характеристика почв (в районе карьеров 26 и 26а)
Таблица 6.2
Агрохимические характеристики почв приколов
Генетический горизонт
Глубина горизонта, м
pH
Гумус, %
Содержание N, мг/1 кг почвы
Содержание Р2°3 (подвижного), мг/100 г почвы
Н2О
КС1
NaNH4
NaNO3
Прикоп 1—92 А_т ВС, А,
3-10 10-15
4,52
5,68
3,47
4,37
5,14
1,03
1,3
1,2
Нет
0,30
0,80
Прикоп 2—92 А, А„-т
Вывал грунта с песком на К-43
1-5
5 — 25
5,54
5,28
5,07
4,17
4,20
4,20
5,36
4,73
5,91
11,2
1.5
1,4
0,10
0,10
0,10
Прикоп 4—92 А„.т
5-25
4,46
3,66
23,90
1,2
—
0,10
Прикоп 6—92 А„-т
0-8
4,93
3,94
2,50
0.4
—
0,20
Прикоп 7—92 А^т
0-14
5,37
4,26
1,65
0,8
—
0,40
Прикоп 10—92 А„-т
0-3
6,01
4,68
0,73
15,6
2,6
2,60
Прикоп 11—92 А„_т
0-3
3,97
3,98
6,22
3.5
Нет
0,20
среди тундровых почв поймы потенциал биохимической активности возрастает от почв прирусловой поймы к центральной и притеррасной. В свою очередь, ферментативная активность в органогенных пойменных почвах выше, чем в минеральных. В гумусовых горизонтах изученных почв отмечается довольно высокая активность уреазы, инвертазы, фосфатазы и дегидрогеназы — ферментов, участвующих в обменных процессах азота, углеводов, фосфора и окислительно- восстановительных. Однако биологически активный слой ограничен небольшой глубиной (0—13 см).
В почвах дренированных территорий в отличие от пойменных активность всех ферментов заметно снижается. Наиболее высокий потенциал активности в перегнойноторфяных горизонтах отмечается для уреазы, что подтверждает преимущественно аммиачную форму азотного питания растений.
Активность фосфатазы низкая, за пределами гумусовоаккумулятивных горизонтов она отсутствует, с чем, несомненно, связано очень низкое содержание подвижного фосфора. Активность инвертазы (фермента углеводного обмена)
Ферментативная активность почв
Разрез, генетический горизонт
Уреаза, мг NH4 на 1 г почвы за 24 ч
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за 24 ч
Фосфатаза, мг фенолфталеина на 1 г почвы за 1 ч
Дегидрогеназа, мг ТФФ на 1 г почвы за 24 ч
Разрез 1—89
А1
3,45
0,29
2,15
0,242
В
0.158
0,14
0,042
В,
—
0,06
—
—
вл
—
0,15
—
—
с
—
0,19
—
—
Разрез 2—89
А,
9,24
2,87
1,32
0,672
В
0,185
0,89
0,72
0,079
Разрез 3—89
А|
1,52
1,19
1,22
0,311
В!
0,175
0,52
0,269
В/
0,145
—
—
—
Разрез 3
0,353
0,13
0,52
0,120
Разрез 4—89
Ап
2,12
1,54
Следы
0,233
Аг2
0,919
0,62
0,052
в
0,498
0,20
0,038
Разрез 5—89
А„-т
2,45
1,02
—
0,225
в,
0,190
0,05
—
0,053
Вл
—
0,06
—
0,022
в,
—
0,11
—
—
^fg
—
—
—
—
Разрез 6—89
А„_т
0,888
0,68
Следы
0,154
Разрез 7—89
Ati
0,340
0,56
—
—
0,601
—
Следы
0,112
ВС
—•
—
—
—
Прикоп 1—92
А„-т
0,985
0,22
0,25
Не опреде-
ВС
Следы
0,21
ляется
Прикоп 2—92
А,
0,451
0,20
0,75
—
. А__т
0,136
Следы
0,50
—
Вывал грунта с
0,253
••
0,38
торфом на К-43
Прикоп 4—92 . А_
0,407
0,088
0,62
Прикоп 6—92
А„-г
0,792
0,080
0,39
Прикоп 7—92
Ап-Т
0,486
0,10
0,51
Прикоп 10—92
А„-т
0,139
0,30
0,72
—
Прикоп 11—92
0,376
0,36
0,50
—
А„-т
в отличие от ферментов азотного и фосфорного обменов проявляется до надмерзлотных слоев, что связано, очевидно, с гумусированностью почвенного профиля.
Активность дегидрогеназы, характеризующей напряженность окислительно восстановительных реакции, незначительна и ограничивается гумусово-аккумулятивными и торфяными слоями.
Таким образом, естественные почвы, залегающие вблизи рекультивируемых карьеров, характеризуются сильнокислыми условиями среды, ненасыщенностью основаниями, низким содержанием питательных элементов и подавленностью ферментативных реакций. Однако следует помнить, что естественная растительность хорошо приспособлена к этим условиям. Это означает, что нет необходимости в известковании почв при проведении биологической рекультивации. После внесения торфа прежде всего необходимо стимулировать естественные процессы его минерализации внесением небольших доз азота (в аммиачной форме), а также фосфора и калия, достаточных в то же время для питания растений- рекультивантов в начальные фазы роста.
СВОЙСТВА ПОЧВ ТЕХНОГЕННО-НАРУШЕННЫХ УЧАСТКОВИ ОСНОВНЫЕ ПУТИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Подвижные песчаные почвы, широко распространенные с поверхности на техногенно-нарушенных участках месторождений Медвежье и Ямбургское. являлись ранее нижними горизонтами естественных почв, в основном тундровых иллювиально-гумусовых (неглеевых), тундровых аллювиальных, а также частично тундровых глеевых оподзоленных и типичных почв. При нарушении естественного почвеннорастительного покрова этих почв техногенными факторами гумусово-аккумулятивные горизонты, особенно склоновых участков, оказываются полностью утерянными [5].
Эти техногенно-нарушенные почвы отличаются легкостью механического состава, крайне низким содержанием гумуса и подвижных форм питательных элементов, а также повышенной кислотностью. Биохимическая активность тундровых почв максимально проявляется в верхних органогенных горизонтах, однако показатели ферментативной активности незначительны, и в нижних горизонтах обнаруживаются лишь следы уреазной, дегидрогеназной, фосфатазной и инвертазной активности. Именно ферментативная активность является чувствительным индикатором биологического состо-
яния почв. Методом ферментативных реакций можно определить способность той или иной почвы преобразовывать экзогенные или почвенные органические субстраты в подвижные формы питательных элементов.
Свойства техногенно-нарушенных тундровых почв изучались в процессе эксперимента по определению оптимальных условий восстановления почвенно-растительного покрова. Полученные результаты приведены в разд. 6.4.
Изучение свойств техногенно-нарушенных тундровых почв показало, что в них практически отсутствуют доступные растениям питательные элементы; реакция среды неблагоприятная не только для естественного восстановления растительного покрова, но и для искусственного залужения. Неспособность этих почв противостоять термоэрозии ставит актуальную задачу разработки способа их закрепления с целью последующего восстановления почвенно-растительного покрова. При выборе способов восстановления необходимо учитывать трудность доставки минеральных удобрений на север Западной Сибири, а также широкое распространение торфа со значительным содержанием валовых форм питательных элементов при избыточной кислотности. Путями решения это задачи являются повышение противоэрозионной устойчивости подвижных почв; увеличение содержания валовых форм питательных элементов в корнеобитаемом слое и переход их в доступную для усвоения растениями форму; подбор рас- тений-рекультивантов из числа местных злаков, способных образовывать сомкнутую дернину, противостоять термоэрозии, а также успешно развиваться в условиях неполного внесения удобрений и физико-химического воздействия на почвы.
ЕСТЕСТВЕННОЕ ЗАРАСТАНИЕ НАРУШЕННЫХУЧАСТКОВ ТУНДРЫ
В 1986—1990 гг. проведено исследование техногенных нарушений ландшафтов месторождений Ямбургское и Медвежье с целью анализа процессов самозарастания нарушенных местообитаний, поиска направлений ускорения этих процессов и выбора перспективных растений-рекультивантов для задернения нарушенных земель [4, 6].
Первоначально была составлена классификация типов нарушений по характеру почвообразующих пород, почв, оказавшихся на дневной поверхности влияния термоэрозионных процессов. При этом отбирались образцы почв для определе-
ния гумуса, питательных веществ, ферментов и состава почвенных водорослей.
Для каждого из установленных типов субстратов были подобраны участки нарушенных земель, представляющие различные возрастные стадии процессов самозарастания, охарактеризованные материалами массовых геоботанических описаний на площадках 2x2 м2. При геоботаническом описании составлялся полный список видов с указанием проективного покрытия травостоя и покрытия отдельных видов. Вся совокупность описаний в ходе камерального периода подвергалась табличной обработке в соответствии с принципами флористической классификации [6, 7].
Для выбора оптимальных методов биологической рекультивации нарушенных земель и перспективных видов расте- ний-рекультивантов были проведены геоботанические обследования нарушенных участков по основному признаку — естественному зарастанию.
Изучались участки тундры с характерными типами нарушений и различающиеся по степени увлажнения. Были выбраны участки, нарушенные многократными наездами техники до частичного или полного уничтожения растительного покрова и с частичным или полным уничтожением почвенных горизонтов А—В. Такие техногенные нарушения наиболее типичны для Ямбургского ГКМ. Характер нарушений растительного покрова и его восстановления для основных типов растительных ценозов территории Ямбурга описан в разд. 4.3.
Установлено, что независимо от типа нарушений самоза- растание пониженных участков с влажным грунтом идет достаточно интенсивно. Основными видами, доминирующими на подобных участках, являются пушица Шейхпера. пушица рыжеватая и влаголюбивые виды осок. Заселение этими видами начинается достаточно быстро относительно времени нарушения, и в этом случае не требуется вмешательства в естественный ход самозарастания.
На сухих песчаных и супесчаных субстратах восстановление растительности зависит от интенсивности нарушения. При уничтожении верхних почвенных горизонтов восстановление растительности идет крайне медленно, и именно эти земли, расположенные на повышениях рельефа, чаще всего подвержены водной эрозии. Для предотвращения оврагооб- разования, солифлюкции, термоэрозии здесь необходимо проводить биологическую рекультивацию земель с внесением торфа и посевом семян трав.
Естественное зарастание нарушенных участков тундры в зависимости от типа нарушения почвенно-растительного покрова
Виды растений
Влажные почвы
Дренированные почвы
Снятие верхних горизонтов почвы
Проезды техники
Снятие верхних горизонтов почвы
Проезды техники
Постоянство видов, %
Обилие видов, %
Постоянство видов, %
Обилие видов, %
Постоянство видов, %
Обилие видов, %
Постоянство видов, %
Обилие видов, %
Вейник лапландский
100
10-30
100
5-20
100
5-20
100
5-30
Осоки
100
10-40
100
5-50
50
1-5
80
1-10
Пушицы
100
3-80
100
10-50
80
1-10
100
1-20
Примечание. Постоянство — встречаемость видов в каждом описании, обилие — количественное отношение видов в описаниях.
Развитие растительности на нарушенных наездами техники участках земель, расположенных среди естественных тундр, идет удовлетворительно при условиях снятия техногенных нагрузок. Ускорение процессов самозарастания здесь достаточно стимулировать внесением небольших доз удобрений, так как на этих участках достаточно много видов- останцев естественной тундры.
Основные результаты геоботанических исследований естественного самозарастания нарушенного почвенно-растительного покрова в зависимости от влажности почв приведены в табл. 6.4.
Наиболее чувствительны к техногенному воздействию лишайники. Установлено, что самозарастание нарушенных участков происходит в основном за счет видов местной флоры, из которых преобладающее значение для начальной стадии восстановления имеют злаки.
Для рекультивации нарушенных земель предлагаются следующие виды: Festuna ovine, Calamagrostis lapponica, Descha- mpaia sukatschewii, Calamagrostis purpuree, Poa alpigena.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА
Изучение оптимальных условий восстановления нарушенных земель проведено в полевых экспериментах на территории месторождений Медвежье и Ямбургское, а также на модельных опытах.
Оптимизация растений-рекультивантов. Исследования естественных и вторичных восстановительных сукцессий позволили выявить ряд высших злаковых растений в качестве перспективных рекультивантов. Это вейник лапландский, веиник пурпуровый, щучка Сукачева, мятник альпиискии и овсяница овечья. Из семян этих видов, представленных в равных пропорциях, была составлена экспериментальная травосмесь. Лабораторная всхожесть семян травосмеси в зависимости от вида составляла 10 — 30 %, норма высева для разных видов — от 10 до 15 кг/га и 30 кг/га для овсяницы овечьей.
Результаты полевого опыта показали, что вейник лапландский, имеющий корневище, способный благодаря этому размножаться вегетативным путем и нетребовательный к почвенным условиям, является надежным и эффективным ре- культивантом нарушенных тундровых земель. Полевыми геоботаническими обследованиями установлено также, что са- мозарастание вторичных местообитаний тундры идет за счет вегетативного размножения вейника лапландского и вейника пурпурового, которые всегда присутствуют в ненарушенных сообществах тундры.
К одному из важных направлений ускорения восстановления почвенно-растительного покрова относятся методы стимуляции процессов самозарастания (там, где это возможно) путем управления восстановительной сукцессией.
Полевые опыты по биологической рекультивации проведены на УПК-7,8 месторождения Медвежье с целью оптимизации травосмеси из растений-рекультивантов, а также исследования влияния торфа и неорганических удобрений. В опытах использована следующая схема (рис. 6.1): контрольные участки, работы на которых ограничивались посевом соответствующих травосмесей; участки, отличающиеся от контрольных внесением торфа в количестве 50 т/га; участки, отличающиеся от контрольных внесением неорганических удобрений NaoPaoK^; участки, отличающиеся от контрольных внесением торфа в количестве 50 т/га и неорганических удобрений NaoPaoKag.
Посев произведен ручным способом при норме посева семян 5 кг/га. Нитроаммофоска вносилась в следующем сезоне. Злаки посеяны в травосмеси, что дает возможность наблюдать стратегию каждого вида в зарастании нарушенного участка при определенной концентрации торфа и неорганических удобрений и выделить оптимальные составляющие травосмеси.
Рис. 6.1. Схема участка биологической рекультивации:
К — контроль; Г — торф 50 т/га; У — удобрения N30, Р30, Kw ТУ — торф
50 т/га + удобренияГ^зо, Рзо, Кзо
ТУ
ТУ
ТУ
ТУ
В состав травосмеси из местных злаков входили наиболее часто встречающиеся во вторичных сообществах вейник лапландский, щучка Сукачева, мятлик альпийский, овсяница овечья. Из инорайонных сортов, введенных в культуру кормопроизводства, были высеяны овсяница луговая, кострец безостый, пырей ползучий, тимофеевка и мятлик луговой. Опыты на каждом из участков для местных кормовых злаков были проведены с четырехкратной повторностью.
Результаты четырехлетнего опыта по биологической рекультивации приведены в табл. 6.5
Геоботанические обследования опытных участков через два года показали следующее:
из состава травосмеси следует исключить мятлик альпийский, так как этот вид на опытных участках представлен единичными экземплярами и не принимает сколько-нибудь заметного участия в задернении песков, супесей и легких суглинков;
использование сортов кормовых злаков не дало ожидаемого результата. На участке без внесения торфа растения не получили развития. На участках, экранированных торфом, эти растения задержались на ювенильной стадии с 2 — 5 листочками. Внесение минеральных удобрения дало незначительный эффект, который выразился в лучшем развитии растений. Однако в опытах как с внесением удобрений, так и без него проективное покрытие столь незначительное (менее 3 %), что посев культурных злаков не может быть рекомендован для биологической рекультивации;
на участках, засеянных семенами местных злаков, про-
Таблица 6.5
Результаты полевого опыта по биологической рекультивации
Период исследования, годы
Вид травосмеси
Проективное покрытие субстрата, %
с торфом
без торфа
с удобрением
без Удобрения
с удобрением
без удобрения
2
Кормовые злаки
До 3
До 1
—
—
Местные дикорастущие злаки
80
70
10
5
3
Кормовые злаки
—
—
—
—
Местные дикорастущие злаки
95
85
50
30
явился аналогичный эффект внесения торфа: большее проективное покрытие дают злаки на участках с внесением торфо- смеси. Здесь произошло задернение до 60 — 80 % субстрата за счет развития освяницы овечьей, щучки Сукачева и отчасти вейника лапландского, причем все эти злаки достигли ко второму году генеративной фазы развития. Поэтому в последующие годы отмечено задернение до 85 — 95 % почвенного субстрата. Влияние удобрений в этом варианте опыта также положительное и выражается в увеличении проективного покрытия растений и увеличении задернения субстрата.
Кормовые злаки (культурные инорайонные сорта) на опытных участках без внесения торфа не дали ожидаемого результата и на третий год выпали из состава травосмеси. На экранированных торфом участках эти растения задержали свое развитие на ювенильной стадии и на третий год также выпали. Вместо них заселились местные растения, которые после удобрения участков занимают больше 15 % участка и плодоносят. Опыты показали, что посев семян только культурных злаков не может быть рекомендован для биологической рекультивации.
На участках, засеянных семенами местных дикорастущих злаков, большую роль сыграло экранирование торфосмесью. Здесь произошло не только увеличение проективного покрытия до 95 %, но и задернение поверхности до 50 — 60 %. Средняя высота травосмеси 35 — 40 см. Все виды злаков плодоносят и размножаются самосевом. Внесение удобрений увеличило проективное покрытие на 10—15 %. В табл. 6.5 приведена средняя величина проективного покрытия субстрата при разных вариантах.
Повышение всхожести семян. Для выявления возможности повышения всхожести семян были проведены экспери-
менты по реагированию вейника на различные микроэлементы, способные ускорить его развитие и уменьшить выпадение проростков. Сбор семян проводился на территории Ямбурге кого ГКМ в конце августа 1988 г. Семена хранились в хорошо вентилируемом помещении при температуре 15 — 20 °C в течение 5 мес. С целью повышения их сопротивляемости к неблагоприятным факторами среды семена закаливали, выдерживая в течение 2 ч при температуре 1—2 °C. Всхожесть семян определяли следующим образом. По 100 семян ставили на прорастание и через 24 ч подсчитывали количество наклюнувшихся зерен. Опыты на всхожесть были проведены в трех вариантах с четырехкратной повторностью. Контрольные опыты по определению всхожести семян без микроудобрений показали, что их средняя всхожесть составляет 10—11 %.
В качестве микроудобрений использовали комплекс микроудобрений "Новинка", в каждой таблетке которого содержится 10 % бора, 20 % цинка, 30 % марганца в легкоусвояемой форме, а также биологически активные вещества, способствующие полному и равномерному усвоению микроэлементов растениями, стимуляции роста растений. В этом случае опыты показали, что всхожесть повышается во всех повторностях и составляет в среднем 27 %.
Изучено также влияние сроков хранения семян вейника лапландского на всхожесть. Для опытов брали семена сбора годичной давности и проращивали их с интервалом в два месяца. Установлено, что сроки хранения не влияют отрицательно на всхожесть семян. Наоборот, в первые месяцы наблюдалось некоторое повышение всхожести, что соответствует результатам, полученным ранее другими авторами: семена не теряют всхожести в течение ряда лет, пик их всхожести приходится на третий год хранения.
Оптимизация почвенных условий. Для выявления оптимальных путей биологической рекультивации техногенно- нарушенных почв и влияния противоэрозионного покрытия (на основе универсина В [18, 19]) на рост и развитие растений на территории выработанного песчаного карьера № 10 ЯКГМ был проведен четырехлетний микрополевой опыт с июля 1989 г. по сентябрь 1992 г.
Размер делянок 2x3 м2, количество вариантов — 8, повторностей — 3, культура — вейник лапландский, доза высева — 7 кг/га.
Схема опыта
Вариант № 1 — биологическая рекультивация:
1аблица Ь.б
Результаты микрополевого опыта по биологической рекультивации на Ямбургском ГКМ
Год проведения
Проективное покрытие субстрата, %, на
участке
опыта
4 1 3 Е 2 L 1 1 4 1 3 1 2 1 1 4
3 L21 1
Вариант № 1
Первый
109 | 100 I 8 I 12 I 5 I 0 I 10
17 I 200
Третий
30 I 25 1 35 1 <1 | 20 1 27 | 32 | <1 | 30
35 1 32 I <1
Вариант № 2
Первый
10 ) 12200152 I 10020
104010
Третий
45 [ 322<1254 | 15<135
<1403
контроль;
торф (200 т/га);
торф (200 т/га) + N60P60K30;
торф (200 т/га) + NeoPto^so + доломитовая мука 2 т/га.
Вариант № 2 — биологическая рекультивация с внесением профилактического противоэрозионного состава (ППС) с 3%-ной концентрацией универсина В (масс.):
контроль;
торф (200 т/га);
торф (200 т/га) + NeoPeoK^;
торф (200 т/га) -i-NgoP^Kgo + доломитовая мука (2 т/га).
Как видно из приведенных в табл. 6.6 данных, рост и развитие растений на третий год после заложения опыта значительно улучшились по всем вариантам с внесением торфа, NgoPgoKgo и доломитовой муки. Выпадение растений произошло на одной повторности варианта № 2 с внесением только торфа и торфа + N60P60K30 на фоне ППС. Следует отметить изменение видового состава: если через год рос преимущественно посеянный вейник лапландский, то на третьем году появились ромашка, пушица, хвощ, полынь и другие злаки.
В контрольных вариантах, несмотря на то, что был произведен посев вейника лапландского, его закрепления не произошло даже на третий год. Это позволяет сделать вывод, что посев трав оптимальных местных видов без внесения торфа и минеральных удобрений не дает рекультивирующего результата при полном снятии верхних почвенных горизонтов.
Изменение агрохимических свойств почв за 4 года проведения опыта отражено в табл. 6.7. Как видно из полученных результатов, подкисление почвенного раствора, происшедшее
Номер опыта
Удобрение
pH
Содержание С, %
Содержание Р2О5 (подвижного), мг на
Содержание Na, мг/1кг почвы
Н2О
КС1
100 г
почвы
NaNH4
NaNO3
2
1
4
1
<
1
4
4
Вариант № /
1
Торф + NPK+доломит Торф + NPK '
5,20
5,38
4,56
4,17
3,78
1,57
1,3
1,2
2,2
0,9
31
2
4,03
5,28
3,48
3,94
3,25
1,54
1,3
1,2
1,2
0,1
1.3
3
Торф
3,90
4,87
3,26
3,73
6,76
3,88
0,9
0,8
2,1
0,1
2,2
4
Контроль
5,33
6,02
4,22
4,45
0,84
0,20
1,2
1,0
1,0
Нет
1,0
5
Торф + NPK + доломит
5,28
5,53
4,71
4,15
3,45
1,11
1,6
1.4
2,3
—
2,3
6
Торф + NPK
3,94
5,15
3,46
3,90
3,29
3,38
1,5
0,9
0,3
—
0.3
7
Торф
4,36
5,08
3,50
3,85
4,73
1,81
0,8
0,8
0,7
0,3
10 .
8
Контроль
5,94
5,56
4,36
4,35
0,24
0,74
1,3
0.6
1,9
Нет
1.9
9
Торф + NPK+доломит
5,30
5,73
4,85
4,31
6,01
1,59
1.0
1.0
0,7
—
0,7
10
Торф + NPK
4,06
5,26
3,39
3,87
3,05
1,66
1,6
1,3
1.6
0,1
1.7
И
Торф
4,06
5,18
3,28
3,95
4,37
1,05
1,2
1,1
1.2
0,2
1.4
12
Контроль
5,88
6,02
4,37
4,56
0,35
0,35
1,8
0,8
1,4
0,2
1.6
Вариант № 2
(с ППС)
13
Торф + NPK+доломит
5,42
4,98
4,11
4,33
6,25
4,16
1,1
0,9
4,5
0,8
5,3
14
Торф + NPK
4,31
4,93
3,54
3,95
3,82
2,80
0,8
0,9
5,7
3,3
9,0
15
Торф
4,16
4,53
3,65
3,78
3,13
4,33
0,5
0,8
16,6
22,4
39,0
16
Контроль
4,91
5,62
4,44
4,68
2,83
0,47
0,7
0,6
0,5
Нет
0,5
17
Торф + NPK + доломит
5,42
5,76
4,00
4,81
2,59
2,65
1,0
1,0
9,8
3,4
13,2
18
Торф + NPK
4,83
5,33
3,90
4,29
2,46
2,95
1,0
1.1
5,8
5,6
11,4
19
Торф
4,15
5,33
3,41
4,07
4,47
3,03
0,7
0.7
12,2
15,8
28,0
20
Контроль
5,18
5,78
4,49
5,68
2,05
1,91
0,9
1,0
Нет
Нет
Нет
21
Торф + NPK+доломит
5,73
5,64
5,02
4,51
3,95
2,68
1,1
1,2
1.9
0,3
22
22
Торф + NPK
4,09
4,66
3,62
4,00
4,49
4,29
1,1
0,6
1.3
0,1
1,4
23
Торф
4,05
5,11
3,40
4,11
5,40
2,26
1,0
0,9
0,7
Нет
Нет
24
Контроль
5,83
5,47
4,60
4,73
3,78
2,81
1.3
0,8
0,3
Нет
0.3
Примечание. Данные приведены для
1-го и 4-го года опыта.
Таблица 6.7
Изменение агрохимических свойств почв микрополевого опыта
после внесения торфа совместно с N^P^K^ и только торфа, на четвертый год сглаживается. Это связано как с привносом (надувом) мелкозернистого песка, имеющего менее кислую реакцию среды по сравнению с торфом, так и с минерализацией последнего. На вариантах с внесением доломитовой муки при использовании ППС и без него реакция среды ближе к нейтральной, однако следует отметить, что по сравнению с первым годом после закладки опыта значение потенциальной кислотности увеличилось и превысило таковое для контрольных вариантов. Из этого следует, что способность доломитовой муки к известкованию почвы со временем ослабевает и кислотность всех вариантов выравнивается.
Изучение содержания углерода в почвах микрополевого опыта (см. табл. 6.7) показало его заметное уменьшение, особенно в вариантах с внесением только торфа и торфа совместно с N^P^K^ и доломитовой мукой (без ППС), на 3 — 4 %. Это обусловлено, вероятно, вымыванием г: выдуванием торфа с делянок, т.е. механическими потерями, а также минерализацией торфа. В тех же вариантах опыта с внесением ППС механических потерь торфа практически не наблюдается и уменьшение содержания углерода (в среднем на 1—2 %) можно связать только с минерализационными процессами.
Содержание подвижного фосфора во всех вариантах очень низкое и за четыре года существенно не изменилось.
В составе доступного растениям азота преобладает аммиачная форма, что говорит о протекании преимущественно восстановительных процессов в почве, особенно в вариантах с внесением ППС. Общее содержание подвижного азота очень незначительно, различия по вариантам несущественны. Можно лишь отметить, что при внесении ППС в вариантах с торфом количество азота заметно выше, что указывает на минерализацию торфа.
Изменение ферментативной активности почв за четыре года проведения опыта показано в табл. 6.8. Как видно из полученных результатов, активность уреазы и фосфатазы снизилась, но основные закономерности — более высокая активность в вариантах без применения ППС при внесении торфа и минеральных удобрений и отсутствие ферментативной активности в контрольных вариантах — сохраняются. В то же время активность инвертазы, играющей важную роль в круговороте углерода в биогеоценозе, возрастает на четвертый год почти по всем вариантам опыта, в том числе и при внесении ППС, что подтверждает также интенсивность мине- рализационных процессов торфа и универсинов.
Ферментативная активность почв микрополевого опыта
Номер опыта
Удобрение
Уреаза, мг NH3 на 1 г почвы за 24 ч
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за 1 ч
Фосфатаза, мг фенолфталеина на 1 г почвы за 1 ч
1
4
1
4
4
1
Торф + NPK+до-
Ба 1,800
риант N 0,154
г 1 0,14
0,83
1.17
Следы
2
ломит
Торф + NPK
0,357
0,172
0,15
0,34
Следы
■•
3
Торф
0,939
0,397
0,30
0,48
0,5
4
Контроль
Следы
Следы
Нет
0,32
Следы
5
Торф + NPK+до-
2,380
0,068
Следы
0,36
1,60
6
ломит
Торф + NPK
0,243
0,345
0,14
0,47
Следы
0,5
7
Торф
0,778
0,182
0,18
0,99
0,82
0,5
8
Контроль
0,693
Следы
0,31
0,37
Нет
Следы
9
Торф + NPK+до-
2,170
0,313
0,19
0,34
1,30
10
ломит
Торф + NPK
0,730
0,136
0,18
0,46
Следы
-<
И
Торф
0,768
0,122
0,17
0,21
••
0,30
12
Контроль
Следы
Следы
Нет
0,044
Нет
Следы
13
Торф + NPK+до-
Bapuai 0,460
ип № 2 ( 0,213
с ППС) 0,08
0,013
0,125
0,38
14
ломит
Торф + NPK
0,219
0,136
Нет
0,11
Следы
Следы
15
Торф
0,297
0,241
0,06
Следы
16
Контроль
Следы
0,068
Нет
0,14
Нет
17
Торф + NPK + до-
0,170
0,068
0,06
Следы
1,25
0,38
18
ломит
Торф + NPK
Следы
0,061
Следы
0,14
Нет
0,37
19
Торф
0,528
0,129
0,22
0,18
••
0,30
20
Контроль
Следы
Следы
Нет
0,14
Следы
Следы
21
Торф + NPK + до-
2,010
0,135
0,10
0,21
Нет
0,50
22
ломит
Торф + NPK
0,224
0,112
0,14
0,21
Следы
0,37
23
Торф
0,209
0,094
0,12
0,42
Следы
24
Контроль
0,238
Следы
Нет
Сарды
Нет
••
Примечание. Данные приведены для 1-1
х) и 4-го года опыта.
Таким образом, внесение торфа из расчета 200 т/га и минеральных удобрений NeoPeoKgo безусловно создает благоприятные условия для роста и развития растений, т.е. оказывает рекультивирующий эффект. На четвертый год проективное покрытие почвы растениями увеличивается, более того, появляются другие виды, характерные для естественной тундры.
Внесение профилактического противоэрозионного покрытия не ухудшает агрохимические свойства почв и даже обеспечивает лучшее проективное покрытие вейника лапландского.
Следует отметить, что использованная в микрополевом
опыте доза торфа 200 т/га очень велика для рекультивации почв в реальных условиях, так как требует не только больших затрат на его добычу, транспортировку и разбрасывание, но и приводит к дополнительным нарушениям естественных биогеоценозов вследствие торфодобычи.
В связи с этим был проведен модельный опыт с выращиванием вейника лапландского при дозах торфа от 25 до 200 т/га и минеральных удобрений: (NPK)^, (NPKjeo [4].
Разработка составов торфоминеральных смесей. Для создания плодородного слоя на нарушенных землях Крайнего Севера проведены модельные опыты в условиях, приближенных к условиям полярного лета.
Образцы грунта (мелкий песок) и торфа были взяты с территории карьера № 10 Ямбургского ГКМ. Схема опыта представлена в табл. 6.9.
В стеклянные сосуды объемом 1 л поместили по 500 г грунта, перемешанного с торфом из расчета 200, 100, 60 и
Таблица 6.9
Схема опыта по разработке составов торфоминеральных смесей
Номер опыта
Модель почвы
Грунт
Торф, т/га
Минеральные удобрения
200
100
50
25
N3o
(NPK)3e|
(NPK)60
СаСО3
1
4-
—
2
—
—
—
—-
4-
—
—
—
3
—
—
4-
—
4
4-
—
—
—
—
—
4-
—
5
+
4-
—
—
—
6
4-
—
4-
—
—
—
—
—•
—
7
—
4-
—
—
—
—
—
8
4-
—
—
4-
—
—
—
—
9
4-
4-
—
—
4-
—
—
—
10
—
4-
—
—
4-
—
—
—
И
4-
—
—
4-
—
4-
—
—
—
12
4-
—
—
—-
4-
4-
—
—
—
13
4-
4-
—
—
—
4-
—
14
4-
—
—
—
—
4-
—
—
15
4-
—
4-
—
—
4-
—
—
16
4-
—
—
—
4-
—
4-
—
—
17
4-
4-
—
—
—
—
—
18
—
4-
—
—
—
—
4-
—
19
4-
—
—
4-
—
—
—
4-
—
20
4-
—
—
—
4-
—
—
4-
—
21
4-
4-
—
—
4-
4-
22
4-
—
4-
—
—
—
4-
—
4-
23
4-
—
—
4-
—.
—
4-
—
4-
24
4-
—
—
—
4-
—
4-
—
4-
25 т/га, что в пересчете на сосуд составило 127,3; 63,7; 31,9 и 16 г соответственно. Навески грунта и торфа брали в воздушно-сухом состоянии. Минеральные удобрения — мочевина (NH2)2CO3, кальций фосфорнокислый двузамещенный СНРО42Н2О, калий хлористый КС1 — вносили в дозах N^, (NPK)^ и (NPK)^ из расчета соответствующих доз торфа и 500 г грунта. Влажность доводили до 60 % полной влагоемкос- ти. Удобрения предварительно растворяли в дистиллированной воде и после тщательного перемешивания с грунтом и торфом наполняли ими стаканы. На дно стаканов помещали дренаж из стеклянных шариков, который отделялся от почвы капроновой сеткой: для поддержания воздушного режима использовали полиэтиленовые трубки с отверстиями.
В подготовленную таким образом почву был посеян вейник лапландский из расчета 6 кг/га. Семена были собраны в 1989 г. на естественных ценозах в районе Ямбургского ГКМ. Опыт проводился в теплице с круглосуточным освещением и средней температурой около + 20 °C в течение 70 дней.
Массовые всходы вейника лапландского появились через 3 недели после посева. Растения быстро развивались, кустились, и через 7 недель появились признаки завершения их вегетации. (Как известно, колошение вейника происходит на второй год произрастания).
На 71-й день опыта растения вместе с корневой системой были извлечены из почвы и взвешены. В почвенных образцах изучены агрохимические свойства и ферментативная активность по методике, изложенной в работах [1, 2]. Средний почвенный образец отбирали из трех повторностей, анализы проводили в двух-трех повторностях.
Результаты проведенных исследований показали, что агрономические свойства почвы заметно меняются при внесении различных доз торфа и минеральных удобрений (табл. 6.10).
Содержание углерода в дозе определяется прежде всего количеством внесенного торфа: максимальные значения отмечаются при дозе торфа 200 т/га и последовательно снижаются при ее уменьшении до 25 т/га. Добавление минеральных удобрений способствует минерализации органического вещества торфа, о чем свидетельствует усиление процессов аммонификации при возрастании доз удобрений, т.е. при увеличении количества внесенного азота вдвое содержание N — NH4 в почве возрастает в 5 — 10 раз. При этом меньшие дозы торфа минерализуются интенсивнее. В составе минерального азота с внесением торфа преобладает аммиачный азот, незначительные количества нитратного азота отмечаются только при до-
Таблица 6.10
Агрохимическая характеристика почв
Номер опыта
Удобрение
Масса растений, г
Гумус, %
pH
Гидролитическая кислотность, мг-экв. на 100 г почвы
Содержание Р2О5 (подвижного, мг на 100 г почвы
Содержание N, мг на 1 кг почвы
Н2О
КС1
N— nh4
N—
NO3
Сумма
1
Торф + NPK + доломит
0,23
0,20
Варь 5,46
ант № 4,64
U7
1,60
2,21
0,34
2,55
2
Торф + NPK
0,92
0,25
5,39
4,66
1,13
1,66
2,19
5,04
7,23
3
Торф
2,50
0,22
5,42
4,73
1,13
2,15
1,68
0
1,68
4
Контроль
1,96
0,27
5,36
4,63
0,96
2,75
1,92
7,20
9,12
5
Торф + NPK+доломит
3,85
5,37
4,00
3,53
15,44
1,45
0,82
0
0,82
6
Торф + NPK
6,68
3,50
4,14
3,79
9,50
1,49
1,00
4,93
0
1,00
7
Торф
5,55
0,91
4,29
3,91
5,64
1,38
0
4,93
8
Контроль
3,87
1,00
4,57
4,12
3,59
1,35
1.17
0
1.17
9
Торс) + NPK + доломит
2,73
5,29
4,17
3,61
15,22
1,85
5,0
0,8
5,8
10
Topo + NPK
3,98
3,87
4,22
3,69
10,73
1,06
3,84
0,14
3,98
И
Торо
7,35
2,75
4,41
3,87
5,66
1,07
1,59
0
1,59
12
Контроль
3,38
1,60
4,32
4,11
3,51
0,85
4,45
0
4,45
13
Торф + NPK + доломит
4,18
3,63
Вариант 4,08
№ 2 (с 4,08
ТПС)
17,43
1,19
5,67
3,40
9,07
14
Торф + NPK
5,90
3,11
4,27
4,27
8,71
1,43
16,41
0
16,41
15
Торф
9,43
2,28
4,43
4,43
5,90
1,93
5,99
0
5,99
16
Контроль
4,00
1,88
4,63
4,63
3,50
1,30
4,49
0
4,49
17
Торф + NPK + доломит
5,04
5,63
4,02
4,02
17,73
1,92
22,00
2,63
24,63
18
Торф + NPK
5.69
3.24
4,26
4,26
9,70
2,33
24,70
0
24,70
19
Торф
4,26
1,85
4,40
4,40
5,80
2,21
29,28
0
29,28
20
Контроль
5,85
1,69
4,87
3,25
2,92
2,74
34,64
0,61
35,25
21
Торф + NPK + доломит
2,74
5,15
4,81
4,26
9,94
1,92
15,61
0
15,61
22
Торф + NPK
3,20
2,05
4,94
4,41
5,71
1,67
15,60
0
15,60
23
Торф
4,33
1,18
4,93
4,32
3,60
1,91
1,13
0
1,13
24
Контроль
2,57
0,93
5,26
4,57
2,38
2,35
5,51
0
5,51
бавлении азотных удобрений к самой высокой дозе торфа (200 т/га). Исследования ненарушенных тундровых почв в районе Ямбургского ГКМ показали, что в естественных условиях тундры в питании растений решающая роль принадлежит аммиачному азоту, его количество в торфяных горизонтах тундровой болотной почвы в зависимости от степени разложенности торфа колеблется от 3,1 до 48,4 мг на 1 кг почвы, при этом общее содержание азота в торфе составляет от 8100 до 10 700 мг на 1 кг почвы (табл. 6.11).
Наиболее благоприятные условия азотного питания растений складываются в варианте № 15 с внесением торфа 50 т/га и (NPK)^. Масса растений составляет в среднем 9,43 г на сосуд. В то же время достаточно хорошее развитие растений (7,35 г на сосуд) наблюдается при той же дозе торфа и внесении только азотных удобрений (N^) в опыте №11.
Содержание подвижного фосфора по меркам, принятым для почв средней полосы, даже в вариантах с внесением (NPK)^ в опытах № 17 — 20 низкое и очень низкое во всех остальных. Однако в целом диапазон изменения содержания подвижного фосфора по вариантам опыта находится в пределах, характерных для нарушенных почв с хорошо развитой естественной растительностью.
Таблица 6.11
Агрохимические и биохимические свойства торфяных горизонтов ненарушенных почв
Горизонт
pH
С, %
Поглощенные катионы, мг-экв. на 100 г почвы
Степень насыщен- ности, %
Н2О
КС1
Са2
Мд2+
Н+
сумма
Г, 3-10
4,83
3,75
24,6
4,6
2,0
49,1
55,7
12
Т20-30
4,91
3,92
19,8
3,6
3,1
42,3
49,0
14
Продолжение табл. 6.11
Горизонт
N, мг на 1 кг почвы
Р2О5, мг на 100 г почвы
Уреаза, мг NH3 на 1 г почвы за 24 ч
Дегидрогеназа, мг ТФФ на 1 г почвы за 1 ч
Фосфатаза, мг фф на 1 г почвы за 1 ч
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за 1 ч
N- nh4
N—
NOj
Сумма
Валовой
Подвижный по Чирикову
Г, 3—10
10707
48,4
5,6
205,1
2,9
5,11
0,764
0,62
2,17
Г2 0-30
8106,5
3,1
1,3
137,8
2,9
4,74
0,263
0,19
1,52
Максимальное содержание подвижного фосфора при внесении (NPKJeo наблюдается в варианте с дозой торфа 25 т/га; в вариантах с 50 и 100 т/га его количество почти одинаковое и минимально при 200 т/га. Следует отметить, что содержание подвижного азота в этой серии изменяется в той же последовательности, наиболее благоприятные условия для роста и развития вейника лапландского складываются при дозе торфа 25 т/га (5,85 г на сосуд). Дисперсионный анализ показал отсутствие достоверной разницы по массе растений этого варианта с дозой торфа 100 т/га, что определяет достаточность внесения торфа в количестве 25 т/га на рекультивируемую площадь при дозе минеральных удобрений (NPK)^.
Торф, будучи сильнокислым (рНС0Л = 3,1 —3,6), при смешивании с грунтом (рНсол = 4,6) сдвигает реакцию среды в кислую сторону во всех испытанных соотношениях с ним.
Известкование, рассчитанное на нейтрализацию гидролитической кислотности торфа (25 мг-экв на 100 г почвы) и равное 2,5 т/га при 200 т/га торфа (пропорционально уменьшенное при меньших дозах торфа), не привело к заметному увеличению pH почвенного раствора и в целом не оказало положительного влияния на рост растений. Следует отметить, что торф обладает большой буферностью в кислом интервале и для ее преодоления нужны очень высокие дозы извести. Учитывая этот факт, а также приспособленность тундровой растительности к кислым условиям произрастания, становится очевидной нецелесообразность проведения известкования в этой зоне.
Использование торфа для рекультивации нарушенных почв определяется его способностью улучшать физические свойства и режимы почв (тепловой, водный, воздушный), физико- химические (буферность, окислительно-восстановительный режим), а главное — условия питания растений. Питательные элементы, входящие в состав органического вещества торфа, становятся доступными для растений только после минерализации, которая тесно связана с биохимической активностью. Ферменты участвуют в важных биохимических процессах: синтезе и распаде гумуса, гидролизе органических соединений, переводе остатков высших растений и микроорганизмов в доступное для усвоения состояние. В условиях проведенного опыта определение ферментативной активности позволяет оценить трансформационную способность субстратов в зависимости от дозы торфа и количества минеральных удобрений.
Изучена активность ферментов двух классов: оксидоредуктаз (дегидрогеназа, пероксидаза, полифенолоксидаза) и гидролаз (инвертаза и уреаза) (табл. 6.12).
Оксидоредуктазы лежат в основе синтеза гумусовых компонентов почвы. Различные фенольные соединения растительных остатков после их окисления при участии оксидаз переходят в биохимически активную хиноидную форму и впоследствии в результате реакций поликонденсации, полимеризации и связывания с азоторганическими соединениями образуют молекулы гуминовых кислот.
Дая торфов средней полосы, богатых ароматическими соединениями, характерна высокая активность оксидоредуктаз. Активность этих ферментов в торфяных горизонтах ненарушенных почв тундры низкая, а после перемешивания торфа с грунтом в условиях модельного опыта она еще ниже (см. табл. 6.12). Добавление торфа, минеральных удобрений к
Таблица 6.12
Ферментативная активность почв
Номер участка
Дегидрогеназа, мг
ТФФ на 1 г почвы за 24 ч
Пероксидаза, мг ПБХ на 1 г почвы за 1 ч
Полифенолоксидаза, мг ПБХ на 1 г почвы за 1 ч
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за 1 ч
Уреаза, мг NH3 на 1 г почвы за 24
ч
1
0,010
Bapuai 0,136
ип № 1
0,024
0,063
2
0,017
0,143
0,023
0,111
Следы
3
0,006
0,269
0,020
0,180
0,162
4
0,024
0,186
0,021
0,320
0,117
5
0,048
0,075
0,038
0,724
0,848
6
0,075
0,073
0,032
0,310
0,515
7
0,044
0,223
0,029
0,267
0,388
8
0,030
0,160
0,025
0,176
0,237
9
0,114
0,118
0,047
0,599
0,716
10
0,092
0,082
0,034
0,557
0,545
И
0,079
0,229
0,029
0,407
0,350
12
0,066
0,174
0,028
0,353
0,188
13
0,041
Варит 0,102
ип № 2
0,039
0,763
0,853
14
0,142
0,073
0,038
0,609
0,595
15
0,154
0,136
0,034
0,426
0,371
16
0,065
0,163
0,027
0,244
0,251
17
0,068
0,025
0,042
0,775
1,048
18
0,099
0,114
0,034
0,457
0,543
19
0,085
0,114
0,027
0,293
0,325
20
0,063
0,154
0,032
0,138
0,230
21
0,115
0,129
0,038
0,802
0,858
22
0,109
0,045
0,031
0,557
0,367
23
0,080
0,252
0,027
0,489
0,317
24
0,041
0,199
0,025
0,260
0,194
грунту активизирует деятельность дегидрогеназы и полифено- локсидазы во всех вариантах опыта. Самая высокая активность пероксидазы в отличие от других изученных ферментов проявляется в грунте, что связано с высоким содержанием в ней солей железа и марганца, которые также разлагают перекись водорода. Самые низкие значения пероксидазной активности наблюдаются при внесении торфа в грунт без минеральных удобрений. Добавление одного азота N^ по сравнению с (NPK)30 и (NPK)^ наиболее выраженно стимулирует пероксидазную активность.
Положительное влияние на активность дегидрогеназы оказывает внесение N30 во все дозы торфа. Активность этого фермента при использовании (NPK)30 и (NPK)^ при дозе торфа 200 т/га значительно ниже, а в вариантах с 25 т/га такая же, как и при добавлении одного азота. Увеличение дегидро- геназной активности наблюдается при дозах торфа 100 и 50 т/га и внесении (NPK)30, возрастание минеральных удобрений до (NPK)M угнетает активность этого фермента.
Изменение активности полифенолоксидазы в отличие от других оксидоредуктаз определяется преимущественно количеством торфа: с уменьшением его дозы активность последовательно снижается независимо от внесения минеральных удобрений.
Гидролазы, участвуя в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений, играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами.
Из класса гидролаз изучена активность инвертазы, гидролизирующей сахарозу на глюкозу и фруктозу, и уреазы, катализирующей гидролиз мочевины. Активность этих ферментов в грунте очень низкая, но при внесении торфа увеличивается пропорционально его дозам и мало зависит от количества минеральных удобрений. Следует отметить, что внесение самой большой дозы (NPKJgo, а также СаСО3 не имеет преимуществ перед меньшими дозами удобрений в стимулировании активности как гидролаз, так и оксидоредуктаз.
Между активностью ферментов и массой растений по вариантам опыта не наблюдается какой-либо однозначной связи, однако несомненно, что внесение торфа и минеральных удобрений (даже только N^) на поверхность нарушенных почв, т.е. на голый грунт, значительно повышает его биологическую активность, способствует созданию более благоприятных для роста и развития растительности условий.
Полученные данные позволяют сделать следующие выводы [4].
При рекультивации нарушенных тундровых почв наиболее благоприятные условия для роста и развития растений создаются при внесении в нее торфа из расчета 50 т/га и минеральных удобрений (NPK)^.
Достаточно хорошее развитие растений происходит при внесении 50 т/га торфа и только азотных удобрений N^.
В условиях незначительного запаса торфа для рекультивации можно внести 25 т/га торфа, но при этом необходимо дополнительное внесение (NPK)^.
При отсутствии минеральных удобрений допустимо использование одного торфа в дозе 50 т/га и даже 25 т/га. Неурожай во втором случае снижается на 30 %, связывание грунта корневой системой вейника вполне удовлетворительное.
Использование высоких доз торфа нецелесообразно не только из-за возрастания трудоемкости рекультивации, но и вследствие их отрицательного действия на рост растений, так как при внесении 200 т/га торфа совместно с N^ и (НРК)Ю урожай ниже, чем при 25 т/га с теми же удобрениями.
Использование извести на тундровых почвах не оказывает положительного действия на рост и развитие тундровой растительности, а в ряде случаев даже угнетает ее.
При проведении рекультивации достаточно перемешать внесенную дозу торфа с верхними 5 см слоя грунта.
КОНЦЕПЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
Анализ проблемы восстановления нарушенных земель территории Ямбургского ГКМ позволяет выделить два противоположных мнения в оценке необходимости рекультивации этих земель. С одной стороны, практически отрицается необходимость рекультивации, что обосновывается гипотезой о самовосстановлении нарушенных ландшафтов в течение 3 — 4 лет, с другой — считается необходимым полная инженерная и биологическая рекультивация нарушенных территорий.
Исследования показывают, что ни первый, ни второй подход в полной мере не соответствуют реальной картине. Во- первых, необходимо отметить, что достаточно интенсивные процессы самовосстановления нарушенных ландшафтов в условиях Крайнего Севера скорее исключение, чем правило. По классификатору техногенных нарушений (см. рис. 5.2 и
5.3) самовосстановление нарушенных земель по природным условиям возможно только на увлажненных плоских поверхностях, сложенных преимущественно торфяниками. Во- вторых, анализ проектов полной инженерно-биологической рекультивации показывает, что они основаны на положениях, апробированных для средних и южных широт. Применительно к условиям Крайнего Севера эти положения приводят к весьма значительным неоправданным затратам из-за недопустимо больших объемов земляных работ, необходимости внесения больших доз торфа и удобрений.
Применение научно обоснованных рекомендаций по определению оптимальных составов торфопесчаной смеси, норм внесения семян и удобрений, а также мотивированное исключение (или уменьшение) ряда малоэффективных мероприятий по технической рекультивации (приготовление и мульчирование торфосмеси, нанесение мульчирующего слоя, ограничение объема земляных работ по снятию плодородного слоя и выполаживанию откосов) позволяют снизить стоимость восстановительных работ в 3 — 4 раза при улучшенных конечных результатах [4].
Конкретная реализация разработанных общих принципов рассмотрена применительно к выработанным карьерам месторождения в гл. 16.
Результаты проведенных исследований показывают, что земли, подверженные техногенному воздействию, обладают разной степенью нарушенности, поэтому рекультивационные мероприятия разделяются по классам сложности — от невмешательства в естественные природно-восстановительные процессы до полной инженерно-биологической рекультивации. Так, в каждом четвертом карьере возможны процессы естественного самовосстановления почвенно-растительного покрова; в то же время примерно для 30 % карьеров требуется проведение в полном объеме мероприятий по инженернобиологической рекультивации. Для восстановления земель в оставшейся половине карьеров необходим ограниченный набор мероприятий биологической рекультивации (см. табл. 5.4). Следует также подчеркнуть, что в пределах отдельно взятого карьера восстановительные мероприятия должны носить локально-территориальный характер.
В целом мероприятия по восстановлению нарушенных земель делятся на три вида: самовосстановление; биологическая рекультивация; инженерно-биологическая рекультивация. Обязательной составляющей частью всех трех видов является первичная ("мягкая") техническая рекультивация, включаю-
щая минимальное вмешательство в естественные процессы — очистку территории от мусора и ее локальную планировку.
Таким образом, можно считать, что крайние подходы при разработке природно-восстановительных мероприятий нежелательны: они либо не приводят к конечной цели, либо являются сверхзатратными. Поэтому при составлении проектов рекультивации нарушенных земель необходим индивидуальный подход, основанный на следующих общих принципах.
При разработке мероприятий по биологической рекультивации техногенно-нарушенных почв, т.е. восстановлении почвенно-растительного покрова в условиях Крайнего Севера следует исходить из ряда основополагающих принципов [20]:
все мероприятия должны предусматривать сохранение вечной мерзлоты. В частности, техническая рекультивация должна содержать специальные противоэрозионные мероприятия по защите поверхностного слоя криолитозоны;
необходимо обеспечивать достаточное приближение условий на рекультивируемых участках к естественным условиям окружающей среды;
схемы мероприятий рекультивации, широко используемые в средних широтах, из-за экстремальных природных условий непригодны для Крайнего Севера, и соответствующие мероприятия должны быть разработаны на основе предварительных полевых и лабораторных мерзлотных, геодезических, почвенных, геоботанических, агрохимических, физико-химических исследований;
учитывая, что запасы торфа ограничены и его разработка в условиях тундры приводит к дополнительным нарушениям, состав торфопесчаной смеси для покрытия рекультивируемых участков должен быть подобран на основе полевых опытов с минимально возможным содержанием торфа;
в качестве растений-рекультивантов желательно использовать местные злаки, однако возможно их сочетание в травосмеси с культурными растениями; нормы высева семян должны определяться на основе данных полевых опытов;
при биологической рекультивации не преследуется цель получения биомассы, поэтому удобрения необходимо вносить в минимальных дозах, обеспечивающих создание благоприятных стартовых условий для закрепления растений- рекультивантов.
Комплекс мероприятий инженерно-биологической рекуль-
тивации для площадных территорий типа карьеров можно представить в следующем общем виде:
Рекомендуемые мероприятияПланировка территорииВнесение торфаПеремешивание торфа с верхним слоем грунта и рыхление грунта Посев травВнесение удобренийПрикатывание почвыРекомендуемые мероприятияПланировка территорииВнесение торфаПеремешивание торфа с верхним слоем грунта и рыхление грунта Посев травВнесение удобренийПрикатывание почвыОрудия и техникаБульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчикБульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчикДорожная фреза ДС-74Широкорядные газонные сеялкиГазонные сеялкиВодоналивной катокОрудия и техникаБульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчикБульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчикДорожная фреза ДС-74Широкорядные газонные сеялкиГазонные сеялкиВодоналивной каток
Рекомендуемые мероприятия
Планировка территории
Внесение торфа
Перемешивание торфа с верхним слоем грунта и рыхление грунта Посев трав
Внесение удобрений
Прикатывание почвы
Рекомендуемые мероприятия
Планировка территории
Внесение торфа
Перемешивание торфа с верхним слоем грунта и рыхление грунта Посев трав
Внесение удобрений
Прикатывание почвы
Орудия и техника
Бульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчик
Бульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчик
Дорожная фреза ДС-74
Широкорядные газонные сеялки
Газонные сеялки
Водоналивной каток
Орудия и техника
Бульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчик
Бульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчик
Дорожная фреза ДС-74
Широкорядные газонные сеялки
Газонные сеялки
Водоналивной каток
Участок, предназначаемый для рекультивации, планируется одновременно с засыпкой оврагов привозным грунтом. Торф рекомендуется вносить из расчета 50 т/га. Внесенный торф планируется бульдозером и перемешивается дорожной фрезой ДС-74.
Так как мощность торфяных и перегнойных горизонтов в районе карьера составляет около 20 см, достаточно нанести слой измельченного торфа и обработать фрезой до глубины 15 см.
Посев трав зависит от района, в котором производится рекультивация, и устанавливается по результатам исследования процессов естественного самозарастания нарушенных тундр.
Для рекультивации земель Ямбургского месторождения рекомендуется одновидовой посев вейника лапландского из расчета 6 кг/га. Норма высева рассчитана исходя из полученных данных лабораторных и полевых опытов. Минеральные удобрения рекомендуется вносить в минимальных дозах (7 — 8 кг/га), так как при биологической рекультивации не преследуется цель получения биомассы посеянных трав. Удобрения предназначаются для создания благоприятных стартовых условий закрепления растений на рекультивируемых участках нарушенных земель.
Известкование для предложенной схемы рекультивации нецелесообразно, так как цель рекультивации — закрепление субстрата нарушенных участков и создание условий для развития потенциальной растительности, а известкование приведет к смещению pH в сторону, неблагоприятную для большинства видов естественной тундры, в том числе мхов и лишайников.
Необходимость в инженерно-биологической рекультивации возникает и при защите от оврагообразования. На отдельных участках осваиваемых территорий севера Западной
Сибири защита от оврагообразования сводится к научно- техническому обоснованию и составлению схем частных методов защиты для предупреждения ослабления, исключения термоэрозии или полного восстановления нарушенных оврагами участков [4, 5]. Основные методы защиты от оврагообразования, пригодные для условий севера Западной Сибири, рассмотрены далее в гл. 12.
Глава 7
КОНЦЕПЦИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИНАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ НА ОСНОВЕАЛЬГОФИТОМЕЛИОРАЦИИ
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ АЛЬГОФИТОМЕЛИОРАЦИИНАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ КРИОЛИТОЗОНЫ
Исследование возможностей использования методов и аль- гофитомелиорации для восстановления почвенно-растительных структур Крайнего Севера проводилось в течение ряда лет. Для условий Ямала и месторождений Медвежье и Ям- бургское из почвенных проб выделены чистые культуры водорослей в лабораторных условиях. Исследованы особенности их размножения в сочетании с местными растениями на торфопесчаных субстратах, проведены опыты по изучению взаимного влияния альгофлоры и высших растений. Установлено, что почвенные водоросли уменьшают эрозию грунтов. Заложен полевой опыт на одном из карьеров строящейся железной дороги Обская — Бованенково.
Исследования показали, что альгомелиорациия в условиях Крайнего Севера может стать перспективным составляющим всего комплекса мероприятий по охране земель, так как почвенный покров тундры богат разными видами альгофлоры, адаптированной к местным условиям.
Альгомелиорация позволяет интенсифицировать почвообразовательные процессы на нарушенных территориях. Почвенные водоросли связывают атмосферный азот и тем самым улучшают свойства почвы; они также способствуют биологическому закреплению удобрений в почве. На голых песчаных субстратах водоросли являются пионерами зарастания.
Почвенные водоросли ослабляют процессы эрозии и термоэрозии, увеличивают аэрированность почв, сохраняют их
влажность. Нитчатые и зеленые водоросли связывают частицы песка нитями (их длина достигает 92 м на 1 г почвы) и вязкими клеточными выделениями. Пленочные покрытия из колоний водорослей на поверхности почвы улучшают условия стока талых и дождевых вод. На участках с водорослями ускоряется процесс самозарастания и отпадает необходимость полной биологической рекультивации.
По сравнению с существующими методами рекультивации альгофитомелиорация позволяет в 5—10 раз уменьшить стоимость работ за счет существенного сокращения объемов разработки и внесения торфа, а также количества вносимых удобрений. Кроме того, методы альгофитомелиорации более удобны в применении и технологичны. Почвенные водоросли можно выращивать из чистых культур на месте аквариумным методом; впоследствии их разбавляют до необходимой концентрации водой и в виде суспензии вносят в почву методом полива.
Альгофитомелиорация почв является экологически чистым методом, поскольку она использует только местные культуры, исключает применение удобрений, химических мелиорантов и химических закрепителей почвогрунтов (латекса, битумов и др.). В зависимости от конкретных условий альгофитомелиорация может быть применена самостоятельно или в комплексе с физико-химическими и инженерно-биологическими методами защиты и восстановления ландшафтов.
Предлагаемый метод является новым, и его использование в условиях Севера не имеет зарубежных и отечественных аналогов (известны отдельные разработки по применению альгомелиорации почв для закрепления подвижных песков Казахстана и Средней Азии).
Роль почвенных водорослей в природных ландшафтах тундры. Почвенные водоросли составляют совокупность различных экологических группировок водорослей: а) наземных; б) водно-наземных; в) собственно почвенных. Подавляющее большинство их имеет микроскопические формы [11].
Роль почвенных водорослей в природе велика и заключается в следующем: 1) продуцировании вещества; 2) фиксации атмосферного азота; 3) противоэрозионном действии; 4) взаимодействии с высшими растениями, микроорганизмами и животными; 5) колонизации голых участков суши и заложения основ сукцессии фитоценозов [12]. '
Биомасса водорослей в почве колеблется от 7 — 8 до 600 кг сырой массы на 1 га; скорость обновления биомассы — от 0,3 до 11,7 кг/га в сутки [13].
Особенно велико значение водорослей в качестве накопителей органического вещества в биоценозах, развивающихся в экстремальных условиях, где высшие растения либо вообще не развиваются, либо роль их существенно снижена [14]. В условиях тундры, где запасы фитомассы невысоки, вклад водорослей в создание органического вещества значителен. По данным Г.Н. Перминовой, биомасса почвенных водорослей в тундре в пределах 0,78 — 311 мг/г почвы в период вегетации обновляется через каждые 3 — 5 дней.
В биологической продуктивности сформировавшихся фитоценозов доля органического вещества водорослей незначительна (1—2 % массы высших растений), однако водоросли, заполняя пространства, не занятые высшими растениями, служат фактором дополнительной ассимиляции лучистой энергии. Кроме того, за счет водорослей удлиняется вегетационный период фитоценоза, что т&кже создает предпосылки дополнительной ассимиляции [14].
Другой важной особенностью водорослей является способность синезеленых фиксировать атмосферный азот [15, 16]. В почвах тундры азотфиксирующие синезеленые водоросли также играют существенную роль. Выявлена положительная корреляции между интенсивностью азотфиксации, численностью азотфиксирующих водорослей и влажностью почвы [17]. В этой же работе определено количество азота, накапливающегося в почвах тундры (1,6 —9 кг на 1 га за месяц).
Способность водорослей к образованию слизи благоприятствует развитию в них бактерий. Особое значение имеют водоросли с азотфиксирующими и олигонитрофильными бактериями. Азотфиксирующая способность альгобактери- альных составов, как правило, выше, чем фиксация азота отдельными компонентами [14].
Выделяя биологически активные вещества, почвенные водоросли как прямо, так и косвенно влияют на рост и развитие высших растений [18]. Азот, фиксированный сине- зелеными водорослями, также может быть использован высшими растениями. Установлено, что наибольший процент использования азота водорослей высшими растениями составляет 7,5 [15].
Оказывая разнообразное влияние на жизнь биогеоценоза, водоросли принимают активное участие в структурировании почв [16]. Ослабление процесса эрозии — одна из важнейших сторон влияния водорослей на жизнь почвы. На поверхность эродированных и эрозионно опасных земель они
оказывают двойное действие: с одной стороны, слизистые вещества чехлов и клеточных оболочек склеивают почвенные частицы, а с другой — переплетающиеся нити водорослей связывают почвенные агрегаты. Особо заметна закрепляющая роль нитчатых водорослей.
Одной из форм химического воздействия водорослей на почву является изменение кислотности. Известно, что водоросли, ассимилируя в процессе жизнедеятельности углекислый газ, подщелачивают среду [18].
Водоросли также аэрируют почвы за счет выделяемого при фотосинтезе кислорода. Особенно важно это для заболоченных, тяжелых, плохо аэрируемых почв. Кислород водорослей способствует улучшению дыхания корней высших растений и жизнедеятельности аэробных микроорганизмов.
На первых этапах почвообразования водоросли участвуют в процессе выветривания горных пород и создания первичного гумуса. Водоросли, произрастающие на поверхности почвы, образуют, как правило, пленку, которая оказывает влияние на водно-физические свойства почв. Как показали исследования ряда авторов, водоросли способствуют увеличению набухаемости, влагоемкости, вязкости, поглощению влаги, уменьшению фильтрационной способности.
Таким образом, почвенные водоросли в природных ландшафтах тундры играют значительную роль, участвуя в продуцировании органического вещества, фиксации в почвах атмосферного азота, первичном заселении на нарушенных (лишенных растительности) участках и создании на них условий для развития высших растений, т.е. условий самовосстановления.
Полный качественный и количественный учет альгофлоры нарушенных почв п-ова Ямал на песчаных карьерах строящейся железной дороги Обская — Бованенково выявил 49 видов водорослей, относящихся к следующим отделам: синезеленые, зеленые, желтозеленые, диатомовые и эвгленовые. В образцах почв карьеров преобладали виды одноклеточных зеленых водорослей и синезеленых водорослей, устойчивых к экстремальным условиям тундры. Самым разнообразным по видовому составу был отдел зеленых водорослей, к нему относится 27 видов. По другим отделам водоросли разделились следующим образом: синезеленые — 10 видов; диатомовые — 7 видов; эвгленовые — 2 вида; желтозеленые — 3 вида.
К видам, встречающимся почти во всех отобранных пробах, относятся нитчатые синезеленые формидиум и одно-
клеточные зеленые. Эти же виды доминировали количественно.
Поселение водорослей становится первым этапом естественного зарастания песчаных карьеров. Видовое разнообразие водорослей в большой мере зависит от возраста карьера, степени биологической рекультивации (особенно степени проективного покрытия высшими растениями) и гидрологического режима.
В карьере 1, расположенном в долине р. Ханвей (самом старом), обнаружено 30 видов и внутривидовых таксонов водорослей, которые относятся к различным жизненным формам.
В карьерах 2 (11 км) и 3 (14 км), прошедших рекультивацию в 1988 г., альгофлора также довольно разнообразна. В образцах карьера 2, прошедшего инженерно-биологическую рекультивацию, насчитывается 19 видов водорослей, относящихся к 4 отделам с преобладанием гормогониевых синезеленых. Это карьер с искусственным травостоем из тимофеевки луговой и посадками ив.
Изучение видового состава участков показало значительное совпадение (50 — 70 %) альгофлоры карьеров 1 и 2. Карьер 1 характеризуется многообразием участков с разной степенью естественного восстановления растительности. Особенно схожи по видовому составу водорослей участки начальной стадии естественного зарастания — одновидовые сообщества из ромашки Хукера и "искусственного" зарастания после посева тимофеевки и саженцев ив.
15 видов насчитывает альгофлора карьера 3, хотя здесь биологическая рекультивация не проводилась. Однако такое многообразие видов водорослей встречается только на участках у водоема, где началось естественное возобновление растительности (овсяница, колокольчик, антропогенные виды мхов, ожига) и существует благоприятный гидрологический режим. Представлены водоросли в основном одноклеточными из отдела хлорофиты.
Очень мало видов (1—2) водорослей было выявлено в карьерах, недавно прошедших инженерную рекультивацию (карьеры 35—141 км и 28—129 км), а также на участках карьеров, где сукцессия остановилась на первичной стадии из- за бедности песчаных почв. Виды водорослей, встречающихся в этих образцах, представлены Ch-формами и относятся к порядку хлорококковые (виды-убеквисты, обладающие выносливостью к различным экстремальным условиям и лабильности питания).
Виды-убеквисты доминировали во многих образцах; это связано с тем, что они способны жить при низкой температуре и кислой реакции субстрата.
Водоросли Н-формы (гетеротрикс, трибонема, улотрикс), не устойчивые к засухе, были обнаружены на влажных участках, находящихся в низинах, либо у водоемов, либо на участках с достаточно высоким проективным покрытием высших растений (30 — 50 %), что также способствует влаго- удержанию.
С-формы (виды рода хламидомонада) встречались в карьерах, где была проведена биологическая рекультивация, т.е. имелся искусственный травостой, либо на участках естественного возобновления растительности. Как правило, эти виды теневыносливых водорослей, развивающиеся на поверхности почвы под укрытием высших растений.
Часто наблюдались P-формы, особенно в карьерах 2 и 3 на участках с невысоким проективным покрытием (до 5 %) после биологической рекультивации, где, видимо, отмечался недостаток питательных веществ. Это объясняется тем, что P-формы являются типичными ксерофитами, преобладающими в аридных почвах, и обычно занимают пространство между растениями.
Таким образом, исследование почвенных образцов по трассе строящейся железной дороги Обская — Бованенково показало наличие в этих почвах различных групп почвенных водорослей. Всего выявлено 49 видов водорослей, относящихся к 6 отделам. Водоросли обнаружены как в естественной тундре, так и на нарушенных участках (карьерах). Обнаружен ризосферный эффект, заключающийся в положительном влиянии друг на друга водорослей и высших растений тундры.
Качественный и количественный состав почвенных водорослей территории Ямбургского месторождения приведен в табл. 7.1.
Всего обнаружено 11 видов водорослей, относящихся к 4 отделам. Самые представительные из них — отделы ционофи- ты и бациллофиты. Эти же водоросли были доминантными. Сквозной для всех образцов — вид диатомовых водорослей.
Проведен анализ альгофлоры по жизненным формам. Жизненная форма — это группы водорослей, устойчивых к определенным условиям (температура, влажность, освещенность и т.д.). Анализ показал, что преобладающими являются представители В-форм (влаголюбивые и хладостойкие диатомовые водоросли). Кроме них встречаются представители
Таблица 7 1
Состав почвенных водорослей территории Ямбургского месторождения
Вид водорослей
Жизненная форма
Место отбора проб
Карьер № 26
Карьер Na 49
Карьер № 9
Отдел цианофи- ты (cyanophyta) Phormudium tenue
P
1
Phormudium
P
3
—.
—
angustissima Synechococuss sp
Ch
3
—
Nogtoc hnkia
CF
—
—
1
Отдел хлорофиты (Chlorophyta) Chlorococcum
Ch
1
1
humicola Chlamydomonas
C
—
—
2
Отдел бацилло- фиты (Bacillariophyta ) Pinnulana boreale
В
1
3
3
Hautzshia am-
В
—
1
1
phyoxys
Navicula ventncasa
В
2
Navicula pelhculasa
В
—
—
1
Отдел ксанофиты (Xantophyta) Heterothnx exilis
Н
—
—
1
Р-формы (нитчатые, синезеленые, не азотфиксаторы, образующие слизь), Ch-формы (одноклеточные зеленые водоросли, устойчивые к экстремальным условиям), С-формы (слизеобразующие хламидомонады) и Н-формы (влаголюбивые нитчатые зеленые и желтозеленые водоросли).
Выделение чистых культур водорослей. Почвенные образцы, отобранные на карьерах, служили для выделения культур водорослей. Работа велась в двух направлениях:
выделение альгологически чистых культур, т.е. культур, состоящих из клеток одного вида водорослей. В дальнейшем культуры использовались для изучения противоэрозионной и водоудерживающей способности различных водорослей при внесении их в почву;
выделение природных ассоциаций водорослей. Выделение альгологически чистых культур водорослей проводили из всех почвенных образцов, независимо от стадии зарастания высшими растениями. Для работы использовали почвенные образцы с участков карьера, где отсутствовал растительный покров, представленный высшими, но наблюдалось образование пленок водорослей, скрепляющих песчаный грунт.
Первоначально получали накопительную культуру на средах минерального состава различной консистенции (жидкая и с добавлением твердой субстанции агар-агар). Состав минеральной среды, г/л: KNO3-1; К2НРО4 —0,2; MgSO4-7H2O-0,2; СаС12 — 0,15; NaHCO3 — 0,2; микроэлементы — 1 мл.
Состав микроэлементов, г: ZnSO4-7H2O — 0,22; MnSO4 — 1,81; CuSO4-5H2O - 0,079; NaBO3-4H2O - 2,63; (NH4)6MoyO23x x4H2O - 1; FeSO4-7H2O - 9,3; CaCl2 - 1,2; Co(NO3)2-H2O - 0,02; ЕДТА (трилон В) - 10.
Водоросли культивировали в колбах объемом 500 мл, содержащих по 300 мл среды, при комнатной температуре и непрерывном освещении люминесцентными лампами ДС-80 (освещенность 2000 лк). Среду продували воздухом со скоростью 0,5 л/мин.
Альгологически чистые культуры получали изоляцией одиночных микроколоний, отделением нитей, фрагментов трихома, используя для этого капиллярные трубки, бактериологическую петлю, иглу и ланцет.
Все среды стерилизовали автоклавированием при 1,5 атм. в течение 40 мин, стеклянную посуду (колбы, пипетки, чашки Петри) — сухим жаром в сушильном шкафу в течение 1 ч при температуре 180 °C, остальные инструменты — спиртом. Работы по пересеву проводили над пламенем спиртовки.
Каплю взвеси накопительной культуры водорослей с помощью бактериологической петли или микропипетки (0,1 — 0,2 мл) переносили в чашку Петри на поверхность агаризо- ванной минеральной среды (состав приведен выше). Среду после стерилизации охлаждали до 40—15 °C и разливали в чашки Петри тонким слоем (0,5 см). Агаровые пластинки подсушивали при 80 °C в течение 30 мин для удаления поверхностного конденсата, потом охлаждали до комнатной температуры и производили засев истощающим мазком с помощью стеклянного шпателя последовательно в три чашки. Чашки переносили в люминостат и выдерживали 7—10 дней, периодически проверяя образование изолированных микроколоний или трихомов. После появления микроколоний, которые были обнаружены при исследовании чашек с помощью бинокулярной лупы или под микроскопом, производили отделение микроколоний водорослей. Для этого с помощью стерильных микрокапилляров, приготовленных на пламени спиртовки, колонии пассировали в пробирку с 5 мл жидкой питательной среды. Пробирки помещали в люминостат; через 10 дней проводили контроль выделенных культур микроскопированием.
Рис. 7.2. Radiosphera dlssecta
Выделены следующие альгологически чистые культуры водорослей: Chlorella vulgaris, Neospongiococcum sp., Synechocustis sp., Chlorococcum sp., Phormidium sufuscum, Spongiochloris: Spongiosa, Chlorosarcine sp., Radiospeeradis- secta, Chlorhomidium nitens.
Рис. 7.3. Spongiochloris spongiosa
Рис. 7.4. Neospongiococum sp.
Таким образом, выделены 9 видов из 49, являющиеся наиболее приспособленными в местных условиях.
Кроме того, выделены альгосообщества:
Phormidium angustissimum, Chlorococcum sp. из почв образцов карьера № 2а.
Рис. 7.5. Chlorococcum infusionum
Рис. 7.6. Chlorhormldium nitens
Tribonema monochlorom, Nevisula moltika из почв образцов карьера Ns 1.
Chlorella vulgaris Chlorococcum sp. из почв образцов карьера № 2а.
Scenedesmus guadncauda, Chlorella vulgans, Chloro-
coccum humicola, Phormidium angustissimum, Cosmarium moiliforme, Chlamudomones sp., Ankistrodesmus angustus.
Сообщества водорослей выделяли и из временных водоемов, образовавшихся на территории карьеров после механической рекультивации. Водоросли выращивались на почвенном экстракте и на иловой вытяжке. Почвенный экстракт обладает хорошей буферностью по отношению к железу и содержит микроэлементы. Использовался способ Прингсхей- ма: 1 кг садовой земли кипятили в 1 л водопроводной воды. Настой оставляли на двое суток и затем сливали. При использовании настой разбавляли шестью частями дистиллированной воды и на 1 л жидкости вносили 0,5 г КО3. Перед употреблением раствор стерилизовали. Для приготовления иловой вытяжки использовались иловые отложения озера Сирянь-Туба (Гафурийский район, Башкортостан). Иловые отложения, взятые со дна водоемов, стерилизовали с небольшим количеством воды в колбочках и по мере надобности пипеткой вносили на дно колбочек с минеральной средой по 1 — 2 мл на 50 мл среды.
Было получено 5 вариантов устойчивых сообществ: 2 — на сапропелевой вытяжке, 3 — на почвенной вытяжке.
Некоторые из выделенных чистых культур приведены на рис. 7.1—7.6 (фотографии сделаны под микроскопом с увеличением в 600 раз). На рис. 7.1 показана культура одноклеточной синезеленой водоросли (размеры 1 — 1,5 мкм), на рис. 7.2 —7.5 — культуры разных видов одноклеточных зеленых водорослей (размеры 8 — 20 мкм), на рис. 7.6 — нитчатая зеленая водоросль.
Влияние водорослей на всхожесть семян и рост злаков. В лабораторных опытах использованы сообщества и культуры водорослей, выделенные из тундровых почв и временных водоемов Ямала и Ямбурга. В качестве грунтов использованы грунты криолитозоны. В качестве высших растений были взяты овсяница луговая, а также три вида травосмеси:
Мятлик луговой, бекмания обыкновенная, лисохвост луговой.
Ежа сборная, тимофеевка, мятлик, овсяница луговая.
Вейник лапландский.
В ходе экспериментов обнаружено, что внесение водорослей в грунт увеличивает всхожесть семян и скорость роста их проростков, улучшает рост стебля и корневой системы. Эти эффекты в целом составляют 30 — 50 %.
Наилучшие результаты получены для второго вида травосмеси, который дает наилучшую всхожесть и наибольшую
массу растений. Наиболее слабое развитие водорослей обнаружено под вейником лапландским.
Влияние противоэрозионных составов на развитие водорослей. Проблемы развития водорослей при использовании различных вяжущих и структурообразующих веществ, используемых для закрепления грунтов, подробно изучены в работе [19]. Результаты исследований противоэрозионной роли почвогрунтов с альгофлорой, полимерами и высшими растениями приведены в работе [20].
Для исследования противоэрозионной роли почвогрунтов с водорослями были проведены лабораторные эксперименты. Образцы проб помещали в емкость цилиндрической формы диаметром 18 мм и высотой 20 мм, покрытую с двух сторон металлической сеткой с диаметром отверстий 1 мм. Емкость подвешивали на кронштейне и опускали в воду возвратно- поступательными движениями (качаниями). Амплитуда качаний — 0,2 м, скорость движения емкости — 0,4 м/с. Масса образцов во всех опытах составляла 3,5 г. Всего было выполнено 8 серий опытов с различными образцами, каждый опыт
Таблица 7.2
Исследование противоэрозионной роли почвогрунтов с альгофлорой, полимерами и высшими растениями
Вид грунта
Количество качаний
Масса размытого грунта, % к исходной массе
Отношение массы размытого грунта к числу качаний
Визуальные характеристики
Песок
6
80
0,45
Длинные проростки семян
Песок и растения
6
80
0,45
Плохая связь с грунтом
Песок и водоросли
9
64
0,27
Пленки водорослей не размываются, результат зависит от их количества в образце
Песок, растения и водоросли
10
61
0,23
Наличие водорослей улучшает прорастание семян, поверхностный смыв пленки водорослей отсутствует
Песок и полимер
70
14
0,0066
Полимер схватывает всю поверхность грунта, слабый размыв
Песок, водоросли
70
33
0,017
Хорошая поверхностная пленка полимер — водоросли. Поверхностная пленка не размывается
Песок, водоросли и полимер
70
11
0,0043
Слабая размываемость
Песок, полимер и растения
70
5
0,0019
Слабая размываемость
проводился в 9 повторностях. Полученные результаты приведены в табл. 7.2.
Для эксперимента использован песок из опытного карьера. В качестве полимера использовали поливиниловый спирт [21, 22]. Высшая растительность представлена злаковыми: мятликом луговым, бекманией обыкновенной, лисохвостом луговым. Семена вносили в чашку Петри из расчета 16 кг/га после полимеризации (использовали 1%-ный раствор полимера). Водоросли вносили вместе с полимером (50 млрд, кл/л) и подвергали заморозке. В отличие от высшей растительности водоросли при замораживании не погибают и при повышении температуры начинают бурно размножаться.
В отсутствии водорослей песок с полимером быстро высыхает, и при малейшем механическом воздействии закрепленный грунт рассыпается. Внесенная пленка водорослей обладает влагоудерживающим свойством и способствует более длительному закреплению песчаного грунта полимером. Полимер не оказывает токсичного влияния на водоросли.
Гидравлические расчеты по определению механической работы размыва почвенных образцов были проведены по результатам опытов. Прежде всего для условий опыта определяли режим течения путем оценки числа Рейнольдса
Re = —,V
где 1 — характерные размеры частиц песка и ячейки сетки экспериментальной установки; v — скорость потока; v — кинематическая вязкость воды.
В условиях опыта оказалось, что Re » 1, т.е. обтекание водным потоком частиц грунта является нестоксовым, поэтому при расчетах можно использовать модель идеальной несжимаемой жидкости. Для такого режима течения сила сопротивления, испытываемая частицами грунта со стороны водного потока, определяется по формуле
F = ^cS,
2
где р — плотность воды; S— площадь поперечного сечения частиц; с — коэффициент сопротивления (для рассматриваемого режима течения Re >> 1 эта величина изменяется в пределах от 0,7 до 1).
Тогда работу, необходимую для размыва и уноса потоком единицы массы грунта, можно рассчитать по формуле
A = KNF2L,
где N — число качаний, необходимое для размыва и уноса единицы массы грунта (определяется из экспериментальных данных); 2L — путь, пройденный ячейкой за время одного качания (2L = 0,4 м); К — коэффициент просветности сетки (К = 0,65).
Результаты расчетов приведены ниже.
Работа по размыву грунтов
Вид грунтаА. Дж/кг
Песок 11,11
Песок и водоросли 20,81
Песок, растения и водоросли24,32
Песок и полимер 741,62
Песок, водоросли и растения943,62
Таким образом, механическая работа по размыву грунта с водорослями примерно в два раза больше, чем работа размыва чистого песка. Добавление полимера существенно (в 70 — 90 раз) увеличивает противоэрозионную устойчивость песка.
7.2. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫАЛЬГОФИТОМЕЛИОРАЦИИ
Основные параметры установки для выращивания аль- гомелиоранта. Рассчитывают норму внесения водной суспензии альгомелиоранта на 1 га обрабатываемой поверхности.
Водный раствор суспензии вносится до полного влагона- сыщения слоя поверхности толщиной h = 1 см. Тогда объем суспензии, вносимой на 1 га, определяется по формуле
V = kSh,
где к — коэффициент влагонасыщенности грунта (для песков к = 0,4); S = 10 000 м2; h = 0,01 м.
Таким образом, V = 40 м3.
Средняя плотность вносимой суспензии — 5-109 клеток на 1 л (суспензия бледно-зеленого цвета).
Число клеток, вносимых на 1 га,
N = 40 103-5 1 09 = 2,1014.
Объем одной клетки
v = — кг3 = ЗЗЮ18 м3.
з
Суммарный объем клеток, вносимых на 1 га,
V = Nv = 6,6 • 10~3 м3.
Масса клеток водорослей, вносимых на 1 га,
М = Vp = 6,6 кг.
Здесь р = 1000 кг/м3 — средняя плотность клеток.
Полученная М = 6,6 кг — эта масса влажной биомассы. Для пересчета на сухую биомассу альгофлоры значение М умножают на 0,01.
Таким образом, необходимая масса сухого субстрата для 1 га Мс = 6600 0,01 = 66 г.
В зависимости от условий выращивания (температура, освещенность, конструкция установок) и вида водорослей уро-
Рис. 7.7. Блок-схема установки для выращивания альгомелиоранта:
1 — стенки установки (металлический каркас, покрытый двумя слоями полиэтиленовой пленки); 2 — разделительная перегородка (металлическая стенка, покрытая полиэтиленом); 3 — перфорированная полиэтиленовая трубка для подачи углекислого газа в среду (располагается на дне установки); 4 — газовый счетчик (расход газа 5 л/(м2-ч)); 5 — баллон с углекислым газом; 6 — перемешивающее устройство (центробежный насос, гребной винт или мешалка лопастного типа); 7 — центрифуга для снятия урожая водорослей; 8 — среда водорослей. Размеры установки: а = 2,6 м, в = 5 м, глубина h =
жайность водорослей изменяется в пределах 5 — 30 г сухой биомассы на 1 м2 поверхности установки за 1 сут.
В ходе лабораторных экспериментов для условий Ямбурга выделены следующие типы штаммов оптимальных водорослей: одноклеточная синезеленая и нитчатая синезеленая из класса гормогониевые. Для них среднюю урожайность можно принять равной 10 г/сут на 1 м2 сухой биомассы.
Из сравнения результатов пп. 3 и 4 следует, что урожай, снимаемый за 1 сут с 1 м2 установки, достаточен для обработки 0,15 га поверхности.
Исходя из этого примем площадь установки равной 13 м2 (для суточной обработки 2 га поверхности).
Блок-схема установки приведена на рис. 7.7.
Эксплуатация установки.
Установку монтируют в помещении с подводом электроэнергии, сверху освещают 5 люминесцентными лампами.
Установку заполняют водой 400 л.
В воду добавляют штаммы выращенных водорослей (посевной материал) и специальную питательную среду следующего состава (в расчете на 1 л раствора): KNO3 — 2 г; К2НРО4 - 0,30 г; MgSO4-7H2O - 0,3 г; FeSQ4-7H2O - 5,0 мг; CaNO3 - 10,0 мг; Co(NO3)-6H2O - 0,02 мг; CuSO4-5H2O - 0,01 мг; ZnSO4-7H2O — 1,0 мг; MnSO4 — 1,0 мг; Н3ВО3 — 0,6 мг; (NH4)6Mo7O24-4H2O - 0,5 мг.
Эти микроэлементы в определенной степени являются взаимозаменяемыми; на практике полный набор состава питательной среды не обязателен.
Выращивают колонию водорослей при освещении, циркуляции и подаче газа (ежесуточно за 2 смены по 8 ч) в течение 7 сут.
Ежесуточно (при специальной периодической добавке питательной среды до 30 — 40 сут и более без замены воды и повторной загрузки установки) центрифугированием снимают урожай водорослей порядка 130 г/сут сухой биомассы или соответственно 13 кг влажной биомассы.
Выращивают посевной материал для установки (штаммов выделенных водорослей) в лабораторных условиях в эйлермейеровских колбах по специальной методике. Дозировка посевного материала — 50 кг сухой биомассы водорослей на 1 л раствора. Таким образом, всего для установки необходимо подготовить 20 г сухой биомассы. Посевной материал выращивают в течение недели.
Технология внесения альгофлоры в почву. Весной водо-
росли в виде водной суспензии вносят в почву методом полива. Суспензию готовят из накопительных культур, выращиваемых на установке, описанной выше. Плотность суспензии составляет 50 млрд, клеток на 1 л (суспензию разбавляют до бледно-зеленого цвета). Водный раствор суспензии вносят до полного влагонасыщения верхнего слоя почвы толщиной 1 см. В начальный период в сухую погоду необходим полив почвы примерно 1 раз в неделю. При посеве семян высших растений водную суспензию водорослей вносят после посева.
Список литературы к ч. III
Аринушкина Е.В. Руководство по агрохимическому анализу почв. — М.: Изд-во МГУ, 1972.
Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. — М.: Наука, 1976. — 179 с.
Коноровский А.К. Режимы мерзлотных пойменных почв долины Лены. — Новосибирск: Наука, 1974. — 167 с.
Инженерно-биологическая рекультивация нарушенных территорий Ям- бургского ГКМХИ.Л. Хабибуллин, С.А. Лобастова, И.М. Габбасова, А.Р. Мар- гулов, Р.Х. Сулейманов. — М.: ВНИИЭГазпром, 1991. — 29 с.
Лобастова С.А. Методы защиты от оврагообразования на севере Западной Сибири: Д^с. канд. техн. наук. — М., 1990. — 219 с.
Хусаинов А.Ф. Синтаксомания и антропогенная динамика растительности месторождения Медвежье (север Западной Сибири): Дисс. канд. биол. наук. — Уфа, 1996. — 154 с.
Хусаинов А.Ф., Ишбирдин А.Р., Назирова З.М. Опыт флористической классификации естественной и нарушенной растительности тундр района месторождения Медвежье (Западная Сибирь)ХХБиологическйе науки, 1989. — 30 с. - Деп. в ВИНИТИ 19.12.88. № 189-Б89.
Хусаинов А.Ф. О некоторых принципах биологической рекультивации в условиях севераХХПромышленная ботаника: состояние, перспективы развития. — Донецк, 1990. — С. 232-237.
Габбасова И.М., Хазиев Ф.Х., Хусаинова Л.Е. Ферментативная активность естественных и нарушенных почв Ямбургского ГКМ: Тез. докл. Всес. конф. Биология почв в антропогенных ландшафтах. — Днепропетровск, 1991. - С. 131-132.
Лобастова СЛ., Хабибуллин И.Л., Ананенков А.Г., Ставкин Г.П. Экологические основы инженерно-биологической рекультивации в криолитозо- неХХСб. научн. тр. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. - С. 269-273.
И. Штина ЭЛ. Водоросли нечерноземных почв и их роль в создании почвенного плодородияХХРазвитие и значение водорослей в почвах нечерноземной зоны: Материалы межвуз. конф. — Пермь, 1977. — С. 71—73.
Штина ЭЛ. Роль водорослей в биогеоценозах сушиХХАльгология. — 1991. - № 1. - С. 23-35.
Штина ЭЛ., Кузякина Т.И./ХБиомасса водорослей в почвах СССРХХБиологическая продуктивность и круговорот химических элементов в растительных сообществах. — Л., 1971. — С. 171 — 175.
Вассер С.П. Водоросли: Справочник. — Киев: Наукова думка, 1989. — С. 85 — 96.
Панкратова Е.М. Роль синезеленых водорослей в обогащении почвы азотомХХМетоды изучения и практического использования почвенных водо- рослейХТр. Киров, сельхоз. ин-та, 1972. — С. 98—106.
Штина Э.А., Голлербах М.М. Экология почвенных водорослей. — М.: Наука. 1976. - С. 42-51; 106-115.
Гецен Н.В., Костяев В.Я. Интенсивность фиксации молекулярного азота в водоемах и почвах Большеземельной тундры//Споровые растения тундровых биогененозов/Тр. Коми филиала АН СССР. 1982. — № 49. — С. 66 - 75.
Голлербах М.А., Штина Э.М. Почвенные водоросли. — Л.: Наука. 1969. - С. 111-120.
Дубовик И.Е. Водоросли эродированных почв и альгологическая оценка почвозащитных мероприятий. — Уфа: Изд-во Башкир, ун-та, 1995. — 156 с.
Дубовик И.Е., Шарипова М.Ю., Хабибуллин И.Л., Минибаев Р.Г. О возможности использования почвенных водорослей при мелиорации нарушенных земель тундры//Освоение Севера и проблемы рекультивации: Докл. II Междунар, конф. — Сыктывкар, 1994. — С. 208 — 213.
ЧастьIV
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ ТЕРМ03Р03ИНИ ТЕХНОГЕННОГО 0ВРАГ00БРА30ВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙМЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Глава 8
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙПРОЯВЛЕНИЯ ЭРОЗИИ
ТЕРМОЭРОЗИЯ И ОВРАГООБРАЗОВАНИЕ
Обеспечение надежного функционирования геотехнических комплексов Крайнего Севера при условии сохранения естественных природных ландшафтов представляет собой важную социально-экономическую проблему, решение которой в первую очередь зависит от специфики инженерногеокриологических условий региона.
Инженерно-геокриологические условия определяются естественными природными факторами и комплексом техногенных воздействий. Между ними существует нелинейное синергетическое взаимодействие, поэтому особую актуальность приобретают проблемы прогнозирования изменений состояния природной среды под воздействием техногенеза и оценки обратного влияния изменяющейся природной среды.
В условиях Крайнего Севера изменения природной среды прежде всего проявляются в виде инженерно-геокриологических процессов, результатом которых являются новые геологические и геоморфологические образования [1].
К инженерно-геокриологическим процессам относятся: термокарст — термические осадки грунтов как результат вытаивания подземного льда; термоэрозия — склоновый процесс, который сопровождается вытаиванием грунтового льда и размывом мерзлых грунтов склона водными потоками; со-
лифлюкция - процесс сползания оттаивающего слоя почвогрунтов; пучение; подтопление территории, приводящее, как правило, к последующему усилению прогрева почвенногрунтового комплекса и подстилающих мерзлых грунтов; иссушение промерзающего сезонноталого слоя, его усадка и растрескивание; криогенное повышение напора грунтовых вод с возможным последующим их изливанием на поверхность через трещины, пустоты или талики.
Из склоновых процессов, развивающихся на равнинах субарктики, наибольшую опасность представляют термоэрозия, солифлюкция и термокарст. Эти процессы и в естественных условиях являются геологическим и геоморфологическим факторами, изменяющими рельеф местности.
Наиболее характерный процесс для геотехнических систем — термоэрозия. Существует несколько определений термоэрозии, отражающих те или иные особенности этого процесса по сравнению с эрозией. Так, С.С. Коржуев делает упор на термические процессы, сопровождающие механический размыв [2]. А.Я. Стремяков основное значение придает тепловому и механическому взаимодействию мерзлых льдистых пород с водотоком [3]. В.К. Данько стремится расширить содержание термина "термоэрозия", считая его процессом разрушения горных пород совместным воздействием энергии тепла и размыва [4]. Следует ограничить применение термина “термоэрозия" для мерзлых горных пород и в зависимости от масштабов взаимодействия водотока с мерзлым массивом использовать его в более узком или более широком смысле, что будет отражать исторический подход в изучении процессов эрозии и термоэрозии [5].
Под собственно термоэрозией понимается процесс одновременного теплового и механического воздействия водных потоков на мерзлые породы [6] или, с точки зрения морфологии, — процесс врезания водного потока в мерзлый массив, что соответствует в природе бороздковой термоэрозии. В широком смысле термоэрозия есть комплекс взаимодействующих процессов образования оврагов в области многолетнемерзлых пород, включающий собственно термоэрозию, эрозию, оплывание и обрушение бортов, суффозию, нивацию, дефляцию и термокарст, что соответствует морфологической форме проявления в природе овражной термоэрозии [5].
Отличительной чертой термоэрозии как инженерногеологического процесса является большая скорость развития, зачастую приводящая к необратимым или даже катаст-
рофическим последствиям по отношению как к природной среде, так и к инженерным объектам и коммуникациям [1].
В зависимости от количественных соотношений тепловой и гидромеханической энергии потока термоэрозию можно представить в виде совокупности следующих типов размыва: мерзлоэрозионного, мерзлотермоэрозионного, предельно термоэрозионного, термоэрозионного, эрозионного. В зависимости от конкретных условий образования водотока имеет место и определенный вид термоэрозии: плоскостная под действием рассеянного стока и струек талых и дождевых вод или линейная под действием сосредоточенного водного потока [6].
Очаги термо эрозии зарождаются при незначительных уклонах поверхности с нарушенным почвенно-растительным покровом. В результате развития очагов термоэрозии изменяется мезорельеф и образуются ложбины, рытвины, борозды, размоины. Следующим этапом развития тормоэрозии является образование глубоких промоин и оврагов, в том числе овражных систем типа долин или балок. Основной результат термоэрозионного процесса — изменение рельефа и нарушение естественных ландшафтов природной среды [5].
Овражная термоэрозия многолетнемерзлых пород (ММП) получила планомерное освещение в литературе в последние три десятилетия в связи с интенсивным освоением природных богатств, в первую очередь газовых и газоконденсатных месторождений севера Западной Сибири.
Первые сведения о развитии овражной сети на севере Западной Сибири приведены Б.М. Житковым [8], отметившим большое количество оврагов на речных террасах и вдоль побережий крупных озерных котловин на п-ове Ямал, где они приурочены главным образом к участкам развития глубоко- протаивающих песчаных отложений. На наличие овражной сети и рост оврагов в устье р. Енисей указывал Д.А. Драни- цин [9]. Глубоко врезанные овраги в районе Усть-Ени- сейского порта описаны И.М. Ивановым [10]. Проявление овражной эрозии на Гыданском п-ове отмечено А.И. Толмачевым и Б.Н. Городковым [И, 12]. Было установлено, что наиболее интенсивно овражная термоэрозия развита на крутых подмываемых склонах речных долин, сложенных песчаными грунтами. В более плотных суглинистых грунтах овражная сеть менее развита, однако овраги здесь относительно узкие, с крутопадающим продольным профилем, характеризуются значительной глубиной.
С 1958 г. Б.Ф. Косовым [13] и с 1967 г. им совместно с
Г.С. Константиновой проводились наблюдения за интенсивностью развития оврагов в районе г. Салехарда и пос. Сале- мал. В более поздних работах этих исследователей широко освещены особенности развития оврагов в тундре, морфология и распространение овражных форм, а также вопросы их картирования. Результаты многолетних наблюдений обобщены в работе [6]. Широкое развитие оврагов в нижнем течении р. Оби и на побережье Обской губы отмечалось Е.М. Трепетцовым [14], на Гыданском п-ове — Б.П. Любимовым [15], а в центральной части Ямала — И.И. Шамановой [16]. Термокарстово-термоэрозионные овраги на полигональных торфяниках, образовавшиеся под влиянием техногенных нарушений в условиях Болыпеземельской тундры, изучены в стационарных условиях в работе [17]. Процессы термоэрозионного оврагообразования в центральной Якутии обусловлены техногенными нарушениями, развиваются в периоды интенсивных летних осадков и вызывают серьезные изменения ландшафта и мерзлотных условий. Более того, изменяя почвогрунтовые условия в конусе выноса, они приводят к полному отмиранию леса [18].
Целенаправленные исследования термоэрозии начали проводиться в МГУ в проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов с 1969 г., несколько позже — на кафедре мерзлотоведения геологического факультета. Так, в 1970 — 1977 гг. сотрудники кафедры занимались изучением тормо- эрозии в низовьях Енисея [19, 20]. Под руководством Э.Д. Ершова выполнен большой объем лабораторных исследований по изучению механизма и закономерностей размыва мерзлых пород [7, 19]. Лабораторные и натурные эксперименты по изучению термоэрозии в районе городов Салехард и Лабытнанги проведены сотрудниками Башкирского государственного университета совместно с ПНИИИСом [20, 21].
Установлена взаимосвязь термоэрозии с другими геологическими и мерзлотными процессами, приводящими к нарушению сплошности растительного покрова, такими как термокарст, морозобойное растрескивание, солифлюкция, дефляция, нивация, суффозия, оползание и др. [6, 15, 20, 24, 25]. Сложность этой взаимосвязи заключается в том, что, с одной стороны, указанные процессы могут быть причиной возникновения и развития оврагов в естественных условиях и стимулировать рост овражности, а с другой — в ряде случаев способствовать их замедлению или прекращению. Необходимым условием возникновения термоэрозии при наличии водотока является нарушение почвенно-растительного покрова.
Принципиальное значение имеет вопрос о роли ММП в образовании и развитии оврагов. Эта роль различными авторами оценивается по-разному. По одним данным, ММП тормозят или ограничивают оврагообразование [26, 27, 13, 2); согласно другой точке зрения ММП не препятствуют и не ограничивают его [28 — 30]. Однозначно ответить на этот вопрос нельзя, поскольку в зависимости от соотношения механической энергии текущей воды и тепловой энергии водного потока, воздействующего на мерзлую породу, литологического состава и льдистости размываемых отложений будет наблюдаться либо стимулирующее, либо ограничивающее влияние мерзлых пород на развитие термоэрозии [4]. Соотношение указанных факторов определяет взаимное расположение границы размыва и фронта оттаивания, которое, в свою очередь, приводит к различию в механизме размыва. Впервые указано на различие скоростей эрозии и оттаивания при разной механической энергии потока и на этой основе выделены типы размыва [31]. Более детальный физический анализ механизма размыва проведен в работе [32]. Закономерности размыва мерзлых пород достаточно подробно исследованы в работах [4, 6, 19, 30].
При предельно термоэрозионом типе размыва наиболее отчетливо наблюдается отличительная черта термоэрозии по сравнению с эрозией немерзлых пород, а именно резкое снижение противоэрозионной стойкости грунта в момент оттаивания. При этом возможны два варианта механизма размыва. Первый характеризует песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые грунты и проявляется в том, что грунт оттаивает и насыщается водой с потерей до определенного уровня сил сцепления между частицами. Происходит вынос грунта в виде минеральных частиц. В этом случае интенсивность размыва зависит от скорости капиллярного увлажнения, разбухания грунта. Второй вариант отмечается в основном у суглинков и глин и проявляется в том, что происходит вынос микроагрегатов и агрегатов, еще не разрушенных полностью на минеральные частицы и потерявших силу сцепления друг с другом вследствие вытаивания ледяных включений [5].
Отметим, что интенсивность эрозии 1 при различных типах размыва выражается двумя аналогичными соотношениями в зависимости от кинетической энергии потока Ек, отражающей его эрозионную способность, и тепловой энергии Ет воздействия водного потока на мерзлый грунт. При эрозионном и термоэрозионном типе размыва
J=—EK, [£J = Bt/m2, [KJ = Дж/м3;(8.1)
EK = 0,5pBav3, v = c^^R.(8.2)
где К, — механический показатель размываемости, отражающий противоэрозионную устойчивость грунта; рв — плотность воды, кг/м3; a — коэффициент кинетичности потока, определяемый по формуле Г.В. Железнякова [33]; v — скорость потока; с — коэффициент Шези, определяемый по формуле Г.В. Латышенкова [34]; i — уклон поверхности, равный тангенсу угла наклона, доли ед.; R — гидравлический радиус потока.
Значение Кх зависит от состава, строения и свойств породы и изменяется со временем, отражая при этом переход от термоэрозионного к эрозионному типу размыва.
При предельно термоэрозионном типе размыва
J = —Ет. [Ет] = Вт/м2, [К2] = ^;(8.3)
К2м
Е = '■А(8.4)
(Хт aTJ
где tB — температура воды, К; ?ф — температура фазового перехода грунта из мерзлого состояния в талое, К; 5 — толщина талого слоя на поверхности мерзлого, м; Хт — теплопроводность грунта в талом состоянии, Вт/(м-К); ат — коэффициент теплообмена на контакте вода — грунт.
Теплофизический показатель размываемости
к2 = , °* •(8.5)
1 - ет / Ет
где 0ф — объемная теплота фазового перехода грунта, Дж/м3; ет — тепловой поток, поступающий в область мерзлого грунта и зависящий от его теплофизических свойств, Вт/м2.
Учитывая, что затраты тепла на нагревание мерзлого грунта значительно меньше затрат тепла на фазовый переход, можно считать с высокой степенью приближения К2 равным Оф.
При освоении и обустройстве газовых и газоконденсат-
ных месторождений Крайнего Севера образование оврагов имеет следующие отличительные особенности [35]:
густота и длина овражной сети увеличиваются очень быстро;
овраги имеют значительно большую длину по сравнению с поперечными размерами;
развитие овражной сети происходит не столько за счет удлинения основного ствола оврага, сколько в результате образования и роста отвершков;
интенсивность роста оврагов пропорциональна содержанию в них льда и интенсивности его вытаивания.
Рост овражной сети в криолитозоне обусловлен развитием целого ряда взаимодействующих деструктивных инженернокриологических процессов, таких как термокарст, солифлюкция, термоэрозия. Тем не менее начальная стадия овраго- образования — промоина, возникающая на месте локального нарушения сплошности почвенно-растительного покрова при наличии уклона поверхности и водотока, обусловлена в основном развитием процесса термоэрозии [5].
На основе анализа литературных данных [6, 35], результатов экспериментальных и полевых исследований выделены факторы, ограничивающие развитие процесса термоэрозии: короткий период схода снежного покрова; небольшое количество осадков, равномерное их выпадение; выровненный рельеф поверхности.
Благоприятствующими считаются следующие факторы:
общего направления:
легко размываемые грунты;
высокая влажность воздуха, которая при низких положительных температурах способствует избыточному увлажнению почвы;
неравномерность и длительность периода схода снежного покрова, поддерживающего питание водотоков;
короткий вегетационный период для восстановления почвенно-растительного покрова (ПРП);
связанные с геокриологическими условиями:
нарушение температурного и влажностного режима грунтов, их свойств под влиянием изменений природных факторов и техногенных воздействий (изменения высоты и плотности снега, режима водоемов, степени заболоченности и осушения поверхности, структуры радиационно-теплового баланса, а также рельефа, удаление верхнего слоя почв и грунта, создание насыпей, перемычек, подсыпок, выемок, котлованов, карьеров, искусственных покрытий и т.д.);
нарушение почвенно-растительного покрова в результате
техногенеза и развития различных инженерно-геокриологических процессов;
высокая льдонасыщенность;
распространенность слоистых слоисто-сетчатых криогенных текстур;
наличие близко залегающих к поверхности надмерзлотных горизонтов грунтовых вод;
наличие повторно-жильных льдов.
Конечной целью исследований, связанных с изучением развития термоэрозии и оврагообразования, является определение целесообразности мероприятий по управлению этими процессами для обеспечения надежности инженерных сооружений, экологической безопасности производства, охраны и восстановления нарушенных земель.
ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования закономерностей термоэрозии в натурных условиях проведены на двух участках с различными типами мерзлотно-грунтовых отложений [22, 23].
Размыв суглинистых отложений салехардской свиты осуществлялся на участке, расположенном на расстоянии 15 км к западу от г. Лабытнанги, на левом склоне долины ручья Вындяда-Хасырей. Источником регулируемого водотока служил водопровод. В мерзлотном отношении площадка сложена многолетнемерзлыми породами сливающегося типа, мощность сезонно-талого слоя ко времени проведения экспериментов (конец августа — начало сентября) составила около 1,4 м; мерзлые суглинки, вскрытые с глубины 1,4 м, содержали ледяные включения тонко- и микрошлировой структуры в форме слегка наклоненных слоев. Толщина шлиров льда и расстояние между ними не выдержаны по разрезу, что резко сказывается на льдистости и суммарной весовой влажности. Подробная характеристика вскрытых отложений суглинков приведена в табл. 8.1. Отметим, что температура мерзлых размываемых грунтов составляла — 1... —1,4 °C, что для суглинков соответствует области фазовых превращений воды.
Экспериментальные исследования термоэрозии на песчаных отложениях казанцевской свиты проведены в окрестностях г. Салехарда. Рабочий участок представляет собой поверхность III аллювиальной террасы р. Оби со среднегодовой температурой грунтов —1,5...1,0 °C. Поверхностные отложения опытных площадок, располагающихся на склонах небольших термокарстовых озер, представлены мелкими пыле-
Таблица 8.1
Геокриологические условия проведения натурных экспериментов
Вид грунта
Характеристика размываемых отложений|
Интервал глубины залегания Дг, м
Суммарная весовая влажность ДЖ %
Льдис- тость за счет видимых включений льда
Объемная масса грунта, 10-3 кг/м3
Тип криогенной структуры
Суглинок талый
0-1,4
20-25
0
1,95—2,05
—
Суглинок мерзлый
1,4-1,5
52-58
10-15
1,64-1,70
Слоистая микро- тонко- шлировая
1,5-1,7
70-77
30-35
1,50-1,56
Слоистая тонкошли- ровая
1,7-1,9
38-43
1-5
1,76-1,82
Массивная
1,9-2,2
41,6-46
5-8
1,73-1,76
Преимущественно массивная
Песок талый
0-0,5
6-8
0
1,76-1,82
—
Песок мерзлый
0,3-0,8
25-47
—
1,53-1,64
Массивная
ватыми песками. Значение СТС по времени проведения эксперимента изменялось от 0,3 ~ 0,4 м в нижней части склонов, занятых кустарниково-моховой растительностью, до 0,8 — 1,2 м в верхней их части, где преобладает травяно-кустарниковый покров. Суммарная влажность подстилающих мерзлых песков изменялась вдоль по склону в пределах 25 — 47 %, составляя в среднем 30 %. Температура песчаных отложений находилась в пределах —0,3...0,5 °C, что для песков соответствует переходной области незначительных фазовых превращений воды. Характеристики размываемых песчаных отложений приведены в табл. 8.1.
Полевые исследования овражной термоэрозии проведены на территории месторождений Ямбургское и Медвежье. Выбор районов исследований обусловлен возможностью изучения процесса термоэрозии в разнообразных и типичных природных условиях при аналогичных техногенных воздействиях на поверхностный слой криолитозоны, характерных для обустройства и эксплуатации месторождений севера Западной Сибири.
Приведем краткую сравнительную характеристику природных условий месторождений Медвежье и Ямбургское на основании литературных источников.
Оба месторождения расположены на территории Западно- Сибирской равнины: Медвежье на Надымской низменности, а Ямбургское значительно севернее — на Тазовском п-ове. Рельеф территорий определяется структурно-тектоническими особенностями Западно-Сибирской плиты и характером залегания пород четвертичного периода. В орографическом плане характерно залегание плоских, слабовогнутых, пологоволнистых и холмистых поверхностей, расположенных на различных уровнях, расчлененных эрозионной сетью, с большей заозеренностью и заболоченностью для Ямбургского месторождения. Абсолютные отметки рельефа поверхности невысоки и составляют для Ямбурга от 0 —5 (побережье Обской губы) до 60 м и более (юг месторождения), для Медвежьего — от 50 — 70 для северной и средней части месторождения до 70 — 100 м для южной части.
На обоих месторождениях широко распространены отложения Салехардской свиты, перекрытые с поверхности отложениями казанцевской свиты морского и прибрежноморского генезиса (суглинки, супеси с прослоями песка, пески) для Ямбургского месторождения и озерно-аллювиальными отложениями (пески, супеси, суглинки) для Медвежьего. С поверхности встречаются также отложения каргинского, зы- ряновского и сартанского возраста.
Исследуемые территории расположены в субарктическом климатическом поясе. Климат Ямбургского месторождения отличается большей суровостью по сравнению с Медвежьим. Зима длится 9 — 9,5 mccvco среднемесячной температурой самого холодного месяца февраля —26 °C, в то время как на Медвежьем соответственно 8 мес. и —24,8 °C. Среднемесячные температуры самого теплого месяца соответственно 9 и 15,5 °C. Среднегодовые скорости ветра — 6,2 и 3,6 м/с при максимальных порывах до 26 — 32 и 24 м/с. Среднегодовых осадков на территории Ямбургского месторождения выпадает 300 — 380 мм, причем 70 % в теплое время года; на Медвежьем эти показатели составляют 490 мм и 50 %.
В мерзлотном отношении оба месторождения находятся в области практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород с глубиной залегания для Ямбурга до 400 м и для Медвежьего до 300 м. На территории Ямбургского месторождения глубина слоя сезонного оттаивания изменяется от 0,3 м на торфяниках до 1,3 м на песчаных грунтах. Наи-
более низкая среднегодовая температура грунтов наблюдается на буграх пучения от —0,5 до — 6,0 °C; для торфяников характерна температура —4... —5 °C; для сильнообводненных болот, покрытых зарослями пушицы, среднегодовая температура — 2...—2,5 °C. Глубина слоя годовых колебаний температуры 10 — 14 м. Для Медвежьего температура ММП на глубине нулевых колебаний изменяется от 0 °C в южной до — 5 °C в северной части месторождения; наиболее низкими температурами также характеризуются торфяники и бугры пучения. Мощность СТС колеблется от 0,3 —0,5 м на торфяниках до 2,0 —3,0 м на песчаных грунтах. Мерзлые грунты имеют для этого месторождения невысокую льдистость, наибольшее содержание льда отмечается в торфе (до 40 — 60 % от объема породы). В мерзлых супесях и песках содержание льда 15 — 30 %. Грунты Ямбургского месторождения отличаются высокой льдистостью: торфяники 40 — 70 %, суглинки и глины до 55 %; супеси и пески содержат до 30 — 50 % видимого льда, количество которого колеблется в зависимости от содержания растительных остатков. В талом состоянии высокольдистые грунты обладают текучей консистенцией.
Методика исследований термоэрозии. Для изучения некоторых закономерностей и механизма термоэрозии проведены эксперименты на песчаных и суглинистых отложениях в натурных условиях, особенностью которых являлось воспроизведение собственно термоэрозии на грунтах естественного строения в условиях, характерных для выпадения летних осадков [5].
Подготовка к проведению экспериментов проводилась следующим образом. На экспериментальном участке удаляли СТС грунта. Размываемый горизонт мерзлых суглинков находился в интервале глубин залегания 1,5 —2,0 м, а мерзлого песка — на глубине корнеобитаемого слоя растений в интервале 0,3 —0,8 м. На выровненной поверхности мерзлого грунта подготавливалось начальное русло длиной 5—10 м, положение створов фиксировалось через 1 м. Наблюбдение за развитием области размыва осуществлялось по трем створам (4 < I < 9). Размыв суглинков с torp = — 1... —1,4 °C проводился при расходах водного потока 2 — 6-10 м3/с и температуре 10 °C, размыв песков с torp = —0,3... —0,5 °C — при расходах водного потока 2,5 —3,0 м3/с и температуре 11,5—19 °C. Условия проведения натурных экспериментов приведены в табл. 8.1.
В процессе эксперимента проводились замеры основных взаимосвязанных параметров термоэрозии: ширины Ь, и глу-
бины z, образующейся промоины; мощности талой прослойки 5, на границе вода — грунт; температуры воды tB, и скорости потока v,. При размыве суглинков зарисовывался эскиз поперечного профиля развивающейся промоины с обозначением размеров ниш и карнизов. Частота замеров диктовалась интенсивностью процессов и изменялась от 3 — 5 мин для песков до 30 — 60 мин для суглинков.
Экспериментальные данные параметров процесса термоэрозии z, Ь, 8, v получали для суглинков усреднением показателей z—z,0, 1/2(Ь,—Ью), v„ 8. Для песков брали аналогичные показатели среднего равноудаленного от вершины и устья створа. Далее строили зависимости параметров термоэрозии от времени т, на основании которых проводили расчет интенсивности донного Iz и бокового 1Ь размыва и кинетической энергии потока Ек. Интенсивность донного (бокового) размыва рассчитывали как скорость углубления (расширения) образующейся промоины, определяемую отношением приращения глубины (ширины) к интервалу времени, за который это приращение произошло:
J(t) = —. (8.6) dt
Кинетическая энергия, затрачиваемая потоком на эрозионную работу, в единицу времени рассчитывалась по формуле (8.2). Результаты опытов на суглинистых грунтах позволили для каждого створа построить в масштабе поперечные профили промоины S в зависимости от времени. Изменения формы отдельных поперечников характеризуют локальные особенности термоэрозии, механизм ее взаимодействия с другими склоновыми процессами. Планиметрические определения величины S в зависимости от положения створа L, и момента измерения т, позволили построить для каждого эксперимента семейство кривых Stj = ЦЕи ту) и подсчитать объем промоины для момента времени ту. По этим данным строились кривые V(t), которые характеризуют динамику наиболее сложного и комплексного параметра термоэрозии — объема разрушения.
Лабораторный эксперимент позволяет исследовать взаимосвязь термоэрозии и температурного поля мерзлого массива в широком диапазоне внешних и внутренних факторов природной среды.
В лабораторных условиях размыву были подвергнуты образцы однородного мелкозернистого песка массивной криогенной текстуры суммарной льдистостью 15 — 20 % и объем-
ной массой 1600—1800 кг/м3. Грунт замораживали в холодильнике при фиксированной температуре в течение 15 — 20 ч до стабилизации температурного поля. Перед замораживанием подготовленный образец насыщался водой. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 8.1. Основная часть ее — металлическая кювета размерами 0,19x0,15x0,50 м, в которой находился исследуемый грунт. На боковой поверхности кюветы имелись отверстия для термопар. Термопары вводились в центр симметрии кюветы в увлажненный грунт при его послойной отсыпке с последующим уплотнением. Первая термопара располагалась под исходным руслом на расстоянии 0,010 м, остальные термопары — на расстоянии 0,022 м друг от друга. ТермоЭДС регистрировалась потенциометром класса точности 0,5.
В верхней части кюветы размещалось водоподающее устройство, обеспечивающее равномерное поступление воды в русло при постоянном расходе. Вода из крана поступала в
Рис. 8.1. Схема экспериментальной установки:
1 — кювета; 2 — грунт; 3 — водоподающее устройство; 4 — термостат ТС-16А; 5 — отстойник; 6 — холодильная камера С1—0,15; 7 — термопары;
8 — нуль-термостат; 9 — потенциометр ПТ-63; 10 — переключатель термопар
термостат, который при необходимости стабилизировал температуру с точностью до 1 °C.
При подготовке к размыву кювету закрывали крышкой из оргстекла с отверстием для ввода стержней — измерителей глубины зоны размыва и помещали в холодильную камеру. Для исключения вибрации работающего холодильника и установления определенного угла наклона кювету подвешивали на перекладине с помощью штоков. Условия проведения экспериментов приведены в табл. 8.2.
Полевые исследования овражной термоэрозии проведены на землях, отведенных в постоянное и временное пользование ООО “Надымгазпром" и “Ямбурггаздобыча". Основной задачей исследований являлось изучение механизма возникновения, закономерностей и динамики оврагообразования в условиях техногенеза. Полевые работы включали проведение маршрутных и стационарных исследований по методике [3].
На нарушенных землях месторождений Ямбургское и Медвежье было обнаружено интенсивное оврагообразование на территории промплощадок УКПГ и дожимных компрессорных станций (ДКС). Овраги, развивающиеся в опасной близости к инженерным объктам, систематизированы и пронумерованы. Например, 8 — 4, 4 — 1 — Б. Первая цифра означает привязку к соответствующему газовому промыслу, вторая — номер оврага на промысле, буква — крупный от- вершек овражной системы.
При стационарных исследованиях первоочередное значение придавалось геометрической съемке поперечного профиля S(x„ yif Zt). Положение измеряемого профиля по длине тальвега относительно вершины оврага характеризовалось координатой zjt координаты х, и у, описывали размеры поперечного профиля. Шаг по тальвегу Ду, выбирали в зависимос-
Таблица 8.2
Условия лабораторных экспериментов по размыву мелкозернистого песка
Номер опыта
Температура воды, •с
Расход воды, фЮ5, м3/с
Начальный уклон, град
Температура грунта, *С
Время размыва, мин
1
6
1,83
0,5
-14,0
1980
2
7
0,67
1,0
-4,5
1800
3
7
2,16
2,0
-10,5
1380
4
7
2,00
2,0
-13,0
1740
5
8
0,83
1.0
— 12,0
2340
6
8
1,00
1,0
-16,5
1500
7
9
1,83
1.0
-11,5
1380
8
16
2,50
5,0
-20,0
720
9
16
2,50
2,0
-8,2
720
ти от общей длины объекта L в интервале 10 — 30 м и измеряли рулеткой. Положение поперечника S являлось переменной величиной по длине тальвега в периодических измерениях. Параметры переменного створа х, и у, измеряли координирующим устройством из двух взаимосвязанных мерных лент. Металлическую рулетку длиной до 20 м, отождествляемую с координатой х„ натягивали на переносных металлических колышках между бровками. На нее одевали пластмассовый держатель мягкой 10-метровой рулетки, позволяющий перемещать ее между бровками и фиксировать изменение глубины. Для измерения глубоких и широких объектов каждый метр рулеток координатника маркировали яркими флажками.
Стационарные наблюдения проводились ежегодно в начале августа. Выполняли привязку оврагов и овражных систем к инженерным объектам и коммуникациям, устанавливали год возникновения, сроки и объемы вмешательства в развитие, определяли виды техногенного воздействия, источники водотоков, геокриологические, геоморфологические и геоботанические факторы среды, составляли базы комплексных данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Натурные эксперименты позволили рассмотреть некоторые закономерности формирования продольного и поперечного профиля термоэрозии и механизм размыва мерзлых дисперсных грунтов ненарушенного сложения при температурах, соответствующих области фазовых переходов воды [5].
В динамике термоэрозии при постоянном расходе и температуре потока выделено три стадии — активная, переходная и затухания, которые характеризуются соответственно предельно термоэрозионным, термоэрозионным и эрозионным типами размыва (рис. 8.2 —8.5).
В активной стадии предельная интенсивность размыва Г не зависит от времени и имеет постоянное значение. Предельная интенсивность размыва прежде всего определяется составом мерзлого грунта (Г песчаных отложений почти на порядок превышает Г суглинистых отложений — см. рис. 8.4 и 8.5) и его криогенной текстурой (Г суглинков слоистой текстуры превышает Г суглинков массивной криотекстуры — см. рис. 8.4). Для грунтов одного и того же состава, строения и свойств значение Г определяется количеством растительных остатков в размываемом горизонте. Для корнеобитаемого
ббaa(z,b,&) 10 2,м(z,b,&) 10 2,м°3672 108 144 х10 '2с°3672 108 144 х10 '2с(z, b, 8) 102,m(z, b, 8) 102,m3232Рис. 8.2. Термоэрозия на мерзлых суглинках:а — суглинки со слоистой криогенной текстурой; б — суглинки с массивной криогенной текстурой; 1, 2 — глубина и ширина промоины; 3 — толщина талого слояРис. 8.2. Термоэрозия на мерзлых суглинках:а — суглинки со слоистой криогенной текстурой; б — суглинки с массивной криогенной текстурой; 1, 2 — глубина и ширина промоины; 3 — толщина талого слояРис. 8.3. Термоэрозия на мерзлых песках:1, 2 — глубина и ширина промоины соответственно; 3 — толщина талого слоя; 4 — энергия потокаРис. 8.3. Термоэрозия на мерзлых песках:1, 2 — глубина и ширина промоины соответственно; 3 — толщина талого слоя; 4 — энергия потока
б
б
a
a
(z,b,&) 10 2,м
(z,b,&) 10 2,м
°3672 108 144 х10 '2с
°3672 108 144 х10 '2с
(z, b, 8) 102,m
(z, b, 8) 102,m
32
32
Рис. 8.2. Термоэрозия на мерзлых суглинках:
а — суглинки со слоистой криогенной текстурой; б — суглинки с массивной криогенной текстурой; 1, 2 — глубина и ширина промоины; 3 — толщина талого слоя
Рис. 8.2. Термоэрозия на мерзлых суглинках:
а — суглинки со слоистой криогенной текстурой; б — суглинки с массивной криогенной текстурой; 1, 2 — глубина и ширина промоины; 3 — толщина талого слоя
Рис. 8.3. Термоэрозия на мерзлых песках:
1, 2 — глубина и ширина промоины соответственно; 3 — толщина талого слоя; 4 — энергия потока
Рис. 8.3. Термоэрозия на мерзлых песках:
1, 2 — глубина и ширина промоины соответственно; 3 — толщина талого слоя; 4 — энергия потока
слоя растений Г снижается не менее чем в два раза, для частично заторфованных грунтов — не менее чем в пять раз по сравнению с грунтом без включений растительных остатков (см. рис. 8.5).
В активной стадии процесса, когда толщина талого слоя 8 очень мала, по всей зоне размыва происходит интенсивная
Рис. 8.4. Интенсивность термоэрозии на мерзлых суглинках:
1, 2 — J суглинков слоистой и массивной криогенной текстуры соответственно; 3, 4 - Ем суглинков слоистой и массивной криогенной текстуры
соответственно
абв
Рис. 8.5. Интенсивность термоэрозии на мелких пылеватых песках: а — без включения органики; б — с растительными остатками; в — за- торфованных
отдача тепловой энергии потока в грунт (рис. 8.6, а). Это означает, что в продольном сечении промоины скорости протаивания и размыва грунтов близки, т.е. средний уклон поверхности размыва сохраняется. В этой стадии формируется около 70 — 90 % всей глубины промоины, в то время как ее длительность составляет от общей длительности 3 — 8 % для песчаных отложений и около 20 % для суглинистых.
В переходной стадии начинается замедление глубинного и
Рис. 8.6. Изменение температуры воды:
а — со временем по длине русла; /-Ом; 2 — 4 м; 3 — 6 м; 4 — 8 м; 5 - 10 м; б — по глубине талого слоя
бокового размыва, происходит постепенное нарастание талого слоя. Размеры его уже превышают размеры минеральных частиц грунта, а тип размыва становится термоэрозионным. Стадия затухания характеризуется прекращением врезания водного потока в мерзлый грунт, стабилизацией продольного и поперечного профиля промоины. В этой стадии происходит значительное нарастание 8, а тип размыва выступает в качестве эрозионного. Затухание процесса и стабилизация параметров сопровождается уменьшением:
механической энергии потока вследствие снижения скорости потока (см. рис. 8.4). Скорость потока падает в результате изменения продольного и поперечного профиля промоины;
тепловой энергии потока в грунте в связи с изменением характера теплообмена на границе вода — грунт при возникновении и развитии талого слоя (см. рис. 8.2, 8.3, 8.6, а);
среднего уклона продольного профиля вследствие снижения интенсивности глубинного размыва по длине промоины при падении температуры потока вдоль зоны размыва. В опытах на суглинках уклон поверхности размыва изменяется от начального 2 — 3 до конечного 1—0,5°, в опытах на песках от 10— 12 до 1 —2°.
Отличительная особенность опытов на песках — более быстрое по сравнению с суглинками снижение температуры воды вдоль зоны размыва и интенсивности глубинного размыва. Соответственно для песков наблюдается заметное преобладание бокового размыва и более резкое уменьшение кинетической энергии потока. Именно эта особенность термоэрозии песчаных грунтов обеспечивает относительную кратковременность процесса при постоянных расходах и температурах водотока.
Эксперименты позволили установить, что тепловая энергия воздействия потока на грунт зависит от кинетической энергии потока. С увеличением кинетической энергии возрастает тепловая энергия и наоборот. На основе экспериментальных данных по формулам (8.2) и (8.4) проведено количественное сопоставление значений кинетической энергии потока Ек и тепловой энергии его воздействия на мерзлый грунт Ет. При этом в формуле (8.4) принято, что 8/2^ >> 1/оц. и величиной 1/а, можно пренебречь в отличие от члена 8/^, отражающего кондуктивную теплоотдачу в талом слое при линейном квазистационарном распределении в нем температуры. Условие квазистационарности подтверждено экспериментально (рис. 8.6, б). Исключение ат позволяет избежать опре-
деления этого коэффициента, что очень трудно (как теоретически, так и экспериментально) из-за сильной зависимости его от многих параметров, отражающих теплофизические и гидродинамические условия процесса. Расчет показывает, что в активной стадии размыва Ет превышает Ек, в переходной стадии они сопоставимы, а в стадии затухания Ет становится со временем меньше Ек (табл. 8.3).
С другой стороны, причиной замедления процесса и стабилизации параметров термоэрозионной промоины является изменение физико-химических свойств размываемых отложений, возрастание противоэрозионной устойчивости в направлении от грунтов оттаивающих, разупроченных в активной стадии, к талым, начинающим консолидироваться в переходной и восстанавливающим оптимальную структурную прочность в стадии затухания. Наглядным свидетельством упрочнения грунта служит то обстоятельство, что локальное увеличение скорости потока в отдельных створах до начальной или даже большей не приводило к размыву уже достаточно большего по величине талого слоя в затухающей стадии. Интенсивность размыва в этой стадии полностью определяется количественными значениями кинетической энергии потока и противоэрозионной устойчивостью грунта талого слоя.
Высокая интенсивность размыва песчаных отложений по сравнению с суглинистыми обусловлена с точки зрения физико-механических свойств практическим отсутствием сцепления между грунтовыми частицами в момент оттаивания, а с точки зрения их теплофизических свойств — большей теплопроводностью песков, определяющей высокую скорость протаивания. Отсутствие сцепления обусловливает значительное преимущество песков бокового размыва по сравнению с глубинными (см. рис. 8.3). Так, при малых энергиях потока
Таблица 8.3
Сопоставление кинетической и тепловой энергии потока
Стадия термоэрозии
Ек-Ю3 Вт/м2
Ет103 Вт/м2
Суглинки
Пески массивной текстуры
Суглинки
Пески массивной текстуры
слоистой текстуры
массивной текстуры
слоистой текстуры
массивной текстуры
Активная
1,2
1,5
1,5
3,3
2,2
20
Переходная
0,6
0,8
0,2
1.0
0,5
0,9
Затухающая
0,5
0,6
0,1
0,4
0,3
0,3
Рис. 8.7. Влияние кинетической энергии потока на интенсивность термоэрозии и эрозии:
1 — пылеватый песок мерзлый; 2 — песок пылеватый талый; 3,4 — суглинок мерзлый, текстура слоистая (3), массивная (4); 5 — суглинок талый
наблюдается рост поперечного профиля промоины вследствие обрушения в поток несвязанных минеральных частиц оттаивающих карнизов.
Способность грунта сохранять сцепление минеральных частиц при оттаивании, предельная интенсивность размываемых отложений, а также скорость консолидации грунтов после их оттаивания являются важнейшими факторами термоэрозии. Очевидно, что величина сцепления оттаявших грунтов определяет критическое значение энергии водотока Екр [31], необходимой для выноса оттаявших частиц (рис. 8.7).
На рис. 8.8 показана эволюция поперечного профиля термоэрозионной промоины для суглинка слоистой криотекстуры при расходе потока 4-10-3 м3/с. Наглядно прослеживается влияние на форму профиля локальных неоднородностей льдосодержания как в вертикальном, так и в горизонтальном разрезе мерзлой толщи. В натурных опытах получены своеобразные формы поперечного профиля термоэрозионной промоины. Все образующиеся промоины имеют в целом расширяющийся книзу поперечный профиль и нависающие карнизы в виде ярусов разной толщины, которые по прошествии одних-двух суток обрушиваются в результате гравитационно-склоновых процессов. Характер поверхности карнизов позволил предположить, что механизм отрыва размываемого грунта связан с криогенной текстурой. Исследование
Рис. 8.8. Изменение поперечного профиля термоэрозионной промоины со временем для суглинков слоистой криотекстуры
Рис. 8.9. Изменение объема термоэрозионной промоины:
/ — суглинки слоистой криогенной текстуры, расход потока 410-3 м3/с;
2 — суглинки массивной криогенной текстуры, расход потока 6-Ю"3 м3/с;
3 — суглинки слоистой криогенной текстуры, расход потока 210~3 м3/с
твердого стока показало, что при низкой мутности поток насыщен грунтово-мерзлыми агрегатами, размеры которых (0,01—0,02 и 0,05 — 0,09 м) совпадают с размерами слоистосетчатых криотекстур, определенных при бурении по видимой льдистости. При размыве горизонта суглинков с массивной криотекстурой возрастала мутность потока, но "поймать" мерзлые кусочки грунта аналогично предшествующему опыту в конце зоны размыва не удавалось.
Профили, аналогичные представленным на рис. 8.8, построены для всех опытов на мерзлых суглинках. Графикопланометрическим методом определены их площади, по зависимостям S(L„ ту) рассчитана интегральная характеристика термоэрозии — объем разрушения V и его изменение во времени У(т) (рис. 8.9). Полученные результаты показывают значительное возрастание объема термоэрозионных разрушений в активной и переходной стадиях.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ
Условия лабораторного эксперимента, приведенные выше, показывают, что используемая физическая модель термоэрозии приближена к реальным процессам размыва мерзлых массивов при сбросе теплых промышленных стоков на мерзлые грунты.
По результатам экспериментов определено изменение интенсивности глубинного размыва во времени. В опытах № 1, 8, 9 размыв происходил по предельно термоэрозионному типу во всем интервале изменения глубины промоины (5 = = 0,0001). Остальные опыты завершены при термоэрозионном типе размыва. В конце глубинного размыва образовалась талая прослойка с 5 = 0,002 м. Наиболее общей закономерностью предельно эрозионного типа размыва низкотемпературных несвязанных грунтов является сложный характер зависимости предельной интенсивности размыва от времени Г(т). Предельная интенсивность размыва Г изменяется до максимально возможной потенциальной интенсивности размыва Гп (рис. 8.10) [36].
В работах [4, 6] дается определение потенциальной предельной интенсивности размыва мерзлого грунта, из которого следует, что в диапазоне энергий предельно эрозионного типа размыва /’ достигается при размыве неконсолидированного оттаявшего грунта или грунта, прогретого до температуры фазовых переходов на значительную глубину. При
Рис. 8.10. Изменение предельной интенсивности размыва J* во времени:1 — опыт 9; 2 — опыт 7; 3 — опыт 1; 4 — опыт 3; 5 — опыт 5; 6 — опыт 6;7 — опыт 2Рис. 8.10. Изменение предельной интенсивности размыва J* во времени:1 — опыт 9; 2 — опыт 7; 3 — опыт 1; 4 — опыт 3; 5 — опыт 5; 6 — опыт 6;7 — опыт 2
Рис. 8.10. Изменение предельной интенсивности размыва J* во времени:
1 — опыт 9; 2 — опыт 7; 3 — опыт 1; 4 — опыт 3; 5 — опыт 5; 6 — опыт 6;
7 — опыт 2
Рис. 8.10. Изменение предельной интенсивности размыва J* во времени:
1 — опыт 9; 2 — опыт 7; 3 — опыт 1; 4 — опыт 3; 5 — опыт 5; 6 — опыт 6;
7 — опыт 2
этом отсутствует замедляющее действие оттаивания пород. Это означает, что Г должна изменяться от некоторого начального до /'. Авторами выполнен значительный объем экспериментальных работ по изучению 7*. Однако продолжительность этих опытов составила 2 с для песков и 5 с для суглинков, когда Г = const и практически соответствует начальному значению Ц. Характер зависимости Г(т) ранее не исследовался.
Рассмотрим динамику предельной интенсивности размыва мерзлых грунтов (см. рис. 8.10). По особенностям взаимодействия водного потока и мерзлого грунта можно выделить четыре временных интервала.
Первый интервал характеризует время от пуска воды до начала размыва. В зависимости от t„ torp и расхода потока в опытах 1—9 величина этого интервала соответствует (0,6 — 4,8) 102 с. Тепловая энергия потока затрачивается на прогрев ближней зоны грунта, размыв не происходит.
На втором временном интервале длительностью от 3,0-102 до 6,6-102 с сохраняется постоянное значение 1^. Фронт прогрева располагается вблизи границы протаивания — размыва, поэтому при размыве выносится незначительное количество оттаявшего грунта. Размыв происходит с минимальной предельной интенсивностью. Величина Iq изменяется в пределах (0,17—1,1) 10”4 м/с и определяется теплофизическими условиями экспериментов.
В третьем интервале длительностью от 2,4-104 до 7,2-104 с происходит нарастающее увеличение предельной интенсивности от Iq до потенциальной предельной интенсивности размыва. При этом фронт прогрева все более существенно опережает фронт протаивания-размыва. Поскольку прогреваются все более прогретые слои грунта, можно говорить о расширяющейся зоне воздействия тепловой энергии потока на грунт. Это приводит к ускоренному продвижению границы протаивания — размыва и соответственно к ускоренному увеличению предельной интенсивности от Го до Z*(8,5x х 10"4 м/с). Значение предельной интенсивности размыва определяется в основном физико-химическими свойствами оттаявшего неконсолидированного грунта данного состава, строения, свойств и посткриогенной текстуры.
В лабораторных условиях ко времени достижения потенциальной предельной интенсивности тп при выработке базиса эрозии щелевидный профиль промоины изменяется на 1-образный. Дальнейший размыв происходит по термоэрозионному типу. В связи с этим в четвертом временном интервале при т > тп характер зависимости Г^ определен по аналогии с результатами натурных экспериментов, проведенных на мерзлых грунтах с температурами, очень близкими к температурам области фазовых превращений воды в соответствующих грунтах (см. рис. 8.4 —8.5). Из этого следует, что в активной стадии термоэрозии при т > тп размыв по предельно термоэрозионному типу происходит при предельной интенсивности Г = Z* = const. Причем для мелких пылеватых песков ненарушенного сложения I* = 5,010~4м/с, для суглинков слоистой криогенной текстуры Z* = 0,6010"4 м/с, для суглинков массивной криогенной текстуры Z* = 0,56-10~4 м/с.
Динамика потенциальной предельной интенсивности размыва мерзлых грунтов в общем виде представлена на рис. 8.11.
На рис. 8.12 показана зависимость изменения температуры на разных глубинах от начального уровня границы размыва, оределенная в опыте № 9. Аналогичные зависимости получены в других опытах. Отличие относится к промежутку времени, за который температура в каждой измеряемой точке по глубине образца возрастала от начальной до 0 °C. Эксперименты показывают ускоренное продвижение нулевой изотермы во времени, наиболее ярко выраженное на заключительном этапе размыва, что объясняется перемещением фронта прогревания. Так, если прогревание первой и второй термопар начинается соответственно с —20 и -18,2 °C, то
Рис. 8.11. Динамика предельной интенсивности размываРис. 8.11. Динамика предельной интенсивности размываРис. 8.12. Изменение температуры грунта на разных глубинах от начального положения границы размываРис. 8.12. Изменение температуры грунта на разных глубинах от начального положения границы размыва
Рис. 8.11. Динамика предельной интенсивности размыва
Рис. 8.11. Динамика предельной интенсивности размыва
Рис. 8.12. Изменение температуры грунта на разных глубинах от начального положения границы размыва
Рис. 8.12. Изменение температуры грунта на разных глубинах от начального положения границы размыва
прогревание нижних пятой и шестой термопар к моменту перемещения фронта протаивания к их ближнему уровню начиналось с —15 и —14,4 °C. Это приводит к ускоренному размыву и достижению /’.
Обобщив результаты лабораторных и натурных опытов, можно дать следующее определение: потенциальная предельная интенсивность размыва — это интенсивность предельного термоэрозионного типа размыва, которая для грунтов одинакового состава, строения, свойств и криогенной текстуры независимо от начальных теплофизических условий размыва достигает одинакового максимального значения при соотношении энергий потока Ет > Ек> ЕкрХ. При этом теплофизические условия размыва определяют время, необходимое для достижения потенциальной предельной интенсивности размыва, но не влияют на ее значение.
Результаты исследований динамики предельной интенсивности размыва подтверждают неоднозначный характер влияния ММП на развитие процесса термоэрозии. Размыв по предельно термоэрозионному типу при малых запасах тепловой энергии в водотоке происходит с незначительной интен-
сивностью Iq, например при затяжной холодной весне. При достаточных запасах Ет воздействие потока приводит к размыву мерзлых грунтов с потенциальной предельной интенсивностью, которая в 10 — 40 раз превышает Го; такой раз мыв можно считать катастрофическим. Катастрофический характер носит размыв при сбросе горячих промышленных и сточных вод на мерзлый грунт, а также в конце снеготаяния при воздействии стокообразующих осадков на грунты, прогретые до температуры области фазовых переходов. При этом даже маломощные водотоки приводят к интенсивному развитию овражной термоэрозии.
ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ОВРАГООБРАЗОВАН ИЯ
На нарушенных площадях месторождений Медвежье и Ямбургское развиваются деструктивные инженерно-геологические процессы, возникают новые техногенные ландшафты. Как показали наблюдения на стационарных площадках, наиболее опасные нарушения поверхности, представляющие угрозу нормальной эксплуатации газопромысловых объектов, связаны с овражной термоэрозией [5, 37, 38].
Первоначально рассмотрим результаты исследований техногенного оврагообразования на промплощадках УКПГ месторождения Медвежье, учитывая более длительный срок его эксплуатации по сравнению с Ямбургским ГКМ.
Результаты исследований на месторождении Медвежье получены в полевые сезоны 1984—1986 гг. [37]. На территориях вокруг скважин и промплощадок УКПГ-1, -2, -5 заметного оврагообразования не обнаружено. В табл. 8.4 приведен перечень техногенных воздействий на поверхностный слой криолитозоны с указанием оврагов и овражных систем.
Рассмотрим одну из наиболее характерных для севера Западной Сибири техногенных овражных форм — систему 4—1, примыкающую к промплощадке УКПГ-4. В плане овражная система имеет вид разветвленного дерева; в ней выделено четыре основных взаимосвязанных оврага: 4—1—А, 4 — 1—Б, 4 — 1—С и 4—1—Д, каждый из которых имеет систему отвершков, например Б —А (рис. 8.13, 8.14).
В 1980 г. по картографическим данным овражная система состояла из двух оврагов — 4— 1 — А и 4 — 1 — Б, имела общую протяженность около 350 м, максимальную ширину по бровке 5 м, глубину до 2 м; объем нарушений за счет выноса грунта составлял менее 1000 м3. Общая площадь нарушенной поверхности приближалась к 10 000 м2. В последующий
Таблица 8.4
Перечень техногенных воздействий на поверхностный слой криолитозоны месторождения Медвежье
Техногенное воздействие
Инженерная характеристика техногенного воздействия
Объекты овражной термоэрозии
Нарушение ПРП (полное или частичное, первичное или вторич- ное)
Проезды гусеничнотракторной техники
3-1; 3-5; 8-1; 9-4;
9-1; 9-2; 9-3; 4 — 1 — Б;
4-1-Д 4-1-С
Площадное строительство
3-3; 3-2; 7-1; 7-2; 7- 3; 8-5
Пожары
—
Искусственная денудация грунта при строительных работах
Выемка грунта под траншеи линейных ИК и т.п.
3-3; 4-1-А 4 — 1 — Б;
4-1-С; 7-1; 7-3; 9-1;
8 —4 —А 9-2; 9-3
Планировка поверхности
4-1-С; 4-1-Б; 8-4- А 8-4-Б; 8-4-С
Обвалование
4-1-С; 4-1-Д 8-2
Отепляющее действие линейных инженерных коммуникаций и виды прогрева грунта
Шлейфы и коллекторы, нефте- и газопроводы
7-1; 7-3; 9-2; 3-3; 9-3; 9-5
Теплотрассы и водоводы
7-3; 8-4-А 8-4-С
Сжигание нефтешлаков
4 — 1 — С (отвершек СС); 4-1-Д
Искусственные водотоки
Теплые промышленные и бытовые стоки после очистной установки КУ-12
4-1-Б (старая КУ-12);
4-1-С (новая КУ-12); 7-3; 8-4-А 9-1
Аварийный сброс горячей воды из резервуаров
4 — 1 — А (отвершек СА); 8-4-С
Искусственная концентрация талых, дождевых и ливневых вод
Снегонакопление и просадка грунта под зданиями
4-1-Б; 4-1-С; 7-1; 7-2; 8-3; 8-5; 8-4- А8-4-Б
Подпруживание автодорог, насыпей, трубопроводов
3-1; 4-1-А 7-2; 7- 3; 8-1; 9-2; 9-3; 9-5
Химическое загрязнение
Нефтезагрязнение химреактивами
4-1-Д 8-3; 4-1-С
период в связи со строительством и пуском в эксплуатацию новой установки по очистке бытовых и технологических стоков КУ-12, а также устройством земляного отстойника для нефтезагрязнений и сжиганием в нем нефтешлаков возникли овраги 4—1—С и 4—1—Д. В целом с 1980 по 1983 г. произошли значительные изменения в размерах овражной системы. Общая протяженность увеличилась до 1180 м, мак-
Рис. 8.13. Овражная система 4-1 (на 30.09.84 г.)
Рис. 8.14. Инженерно-геокриологические условия овражной системы 4-1:
1 — суглинки; 2 — супеси: 3 — пески: 4 — положение кровли мерзлых пород на 29 — 30.09.84 г.
симальная ширина по бровке —15 м, глубина — 3 м, объем выноса около 7000 м3. Общая площадь нарушений поверхности превысила 40 000 м2.
Высокие темпы развития и наступление вершин оврагов на инженерные объекты вынудили производственников принять соответствующие меры: в августе 1983 г. были отсыпаны планировочным грунтом несколько дамб и перемычек с устройством трубчатых водопропусков. В последующие годы проводились работы по ремонту этой гидротехнической сис-
темы. Основная дамба в устье просуществовала до 1986 г. и была размыта весенним паводком. Влияние временных гидротехнических сооружений отразилось на параметрах овражной системы в период их действия.
Возникновение и развитие овражной системы 4—1 обусловлено практически всеми видами техногенных воздействий. Техногенез осуществлялся на фоне следующих природных факторов: многолетняя норма осадков — 488 мм/год, общая площадь водосбора — 0,4 км2, уклоны поверхности — 0,009 — 0,028, промплощадка расположена на склоне южной экспозиции водораздельной гряды. На инженерно-геокриологическом разрезе (см. рис. 8.14) показано, что здесь развит преимущественно суглинистый тип отложений, в котором выделяются две части. Верхняя мощностью 5,3 —6,0 м представлена суглинками тяжелыми и средними с включениями растительных остатков; для нижней характерно чередование суглинков, супесей, реже глин и в небольшом количестве песков.
Овражная термоэрозия оказывает существенное влияние на ландшафтные и инженерно-геокриологические условия территории. Так, мощность сезонноталого слоя на участках со сплошным уничтожением почвенно-растительного покрова достигает 2,2 и 2,5 м под руслами овражных водотоков, тогда как на ненарушенных она составляет 1,3 — 1,8 м. Средняя весовая влажность грунтов СТС изменилась от 25 % в ненарушенных условиях до 20 % в нарушенных.
Грунты СТС имеют тонко- и среднешлировую текстуру, объемную льдистость 10 — 20 %. Ддя суглинков, находящихся в многолетнемерзлом состоянии, весовая влажность составляет 20 — 23 %, криотекстура — тонко- и среднешлировая в сочетании с массивной, объемная льдистость — около 10 %. Температура пород на глубине 10 м в пределах нарушенного участка изменяется в интервале —0,2... —1,8 °C, а глубина СТС под руслами — от 2,8 до 7,2 м. Различия в диапазонах этих величин объясняются сложностью теплообмена грунтов с внешней средой в новых условиях техногенного микро- и мезорельефа. Решающее влияние на понижение кровли ММП, а также на мощность подруслового СТС оказывают искусственные теплые водотоки, а затем уже снежный покров, накапливающийся в овражных формах. Образование максимального СТС под устьем оврага 4 — 1 — Б обусловлено действием на естественную ложбину стока в период 1977 — 1980 гг. теплых сточных вод с температурой 20 — 30 °C от установки КУ-12 и аварийным сбросом горячих вод с температурой до 90 еС из водорезервуаров в 1983— 1984 гг.
Одной из морфометрических особенностей исследованных объектов является "древовидная" разветвленность, характерная для оврагов, развивающихся на длинных пологих склонах с полностью нарушенным почвенно-растительным покровом в очагах возникновения (4—1, 8 — 4, 8—1, 9 — 4). Овраги, развивающиеся на относительно крутых задернованных склонах, не имеют или имеют незначительное количество коротких прямых отвершков (9—1, 8 — 3 и др.). Овраги, развивающиеся на задернованных пологих склонах, имеют отвертки в местах нарушении дерна проездами гусенично-тракторной техники, и их развитие идет по колеям (9 —4 в средней части). Овраги, развивающиеся на крутых склонах, затухают на задернованных, поросших деревьями и кустарниками участках, однако локальное нарушение такого склона единичными поперечными проездами гусеничной техники вновь активизирует овражную термоэрозию (9 — 2, 9 — 3). Особенность техногенного оврагообразования — ограниченность линейного роста вершинной части: при приближении вершины оврага к инженерному объекту (дорога, сооружение) ее засыпают привозным грунтом, предотвращая тем самым дальнейшее продвижение вершины. Однако вынос грунта, образование новых отвершков и их развитие активно продолжаются. Направление развития ствола определяется уклоном поверхности, но при наличии линейных коммуникаций на пологих склонах овраг будет развиваться по направлению коммуникаций и только при резком увеличении угла склона изменит направление (4—1—А, 9 — 2, 9 — 3).
Все исследованные овраги развивались на выпуклых (8 — 4, 8 — 5, 9—1, 9 — 2, 9 — 3), слабовыпуклых (9 — 4, 8—1) и пологих склонах (4—1) и имеют характерные изменения площади поперечного сечения по длине русла. При этом наибольший вынос грунта приходится на средние части склона. Нарушения почвенно-растительного покрова и другие виды техногенеза в нижней части склона или у водораздельной линии не приводят к большим объемным нарушениям (рис. 8.15).
Таким образом, возникновение оврагов и овражных систем на территории месторождения вызвано техногенным воздействием на мерзлые грунты. Развитие оврагов происходит при совокупном воздействии благоприятных природных и техногенных факторов, причем наблюдается комплексное воздействие различных видов техногенеза, таких как нарушение ПРП, искусственная денудация грунта, отепляющее действие линейных сооружений, искусственные водотоки, искусственная концентрация талых, дождевых и ливневых
S.M2
Рис. 8.15. Изменение площади поперечного сечения по длине оврага 9-4
вод и др. (см. табл. 8.4). При прочих равных условиях активность овражной термоэрозии обусловлена масштабами техногенных воздействий.
За основные характеристики развития овражной термоэрозии приняты объем разрушения V и коэффициент его годового прироста К, характеризующий относительную скорость роста объемных разрушений.
Коэффициент К, рассчитываемый по формуле
К = -^-1^-100 %,(8.7)
где V, — объем разрушения на z-й год исследований; Vi+X — то же, на Z + 1-й год исследований.
Анализ результатов полевых исследований показывает, что объем разрушений в наибольшей степени зависит от масштаба техногенного воздействия, а также состава, строения, свойств и криотекстуры мерзлых грунтов. Коэффициент годового объемного прироста определяется главным образом возрастом исследуемого объекта.
Расчет коэффициента годового объемного прироста (табл. 8.5) позволяет выявить внутреннюю взаимосвязь возраста оврага с пространственной скоростью его развития К. Динамика овражной термоэрозии характеризуется в обобщенном виде графической нелинейной зависимостью К(Т), приведенной на рис. 8.16. На кривой К(7) можно выделить четыре стадии, соответствующие возрастным особенностям процесса оврагообразования: начальную, активную, переходную и затухание.
В процессе многолетнего развития оврага постепенно уве-
Таблица 8.5
Расчетные значения коэффициента годового объемного прироста разрушения
Объект
Год зарождения
Возраст Т, годы
Основной объем разрушения V, м3^
Коэффициент годового объемного прироста К, %
1985 г.
1986 г.
3-1
1975
12
670
730
9
4—1—А
1980
6/7
1420
1866
31
4-1-Д
1982
5
479
720
50
8-1
1977
10
1550
1670
8
8-2 (лето)
1985-1986
0,5
80
100
25
8-3
1979
8
270
310
15
8-4-А
1979
8
1060
1230
16
8-4-В
1984
3
460
820
79
8-5
1985-1986
1
100
685
585
9-1
1981
6
1220
1520
25
9-2
1983
4
1250
2206
76
9-3
1983
4
345
590
71
9-4
1979
8
8200
9640
18
личивается мощность сезонноталого слоя подрусловых пород, что приводит к изменению физико-механических, химических и теплофизических свойств размываемых грунтов. При этом внешние факторы среды (тепловая и кинетическая энергия водотоков, среднемесячные температуры воздуха и др.) год от года имеют постоянные (в среднем) значения, а внутренние факторы (состав, строение и свойства грунтов) анизотропно изменяются с возрастом объекта. Это косвенно
Рис. 8.16. Динамика овражной термоэрозии на месторождении Медвежье
указывает на возможную взаимосвязь стадий овражной термоэрозии с известными типами размыва мерзлых пород при бороздковой термоэрозии [6].
В течение длительного периода развития оврага соответствующие типы размыва выделяются по их преимущественному вкладу в изменение пространственных характеристик процесса в единице временного развития — годичном цикле. Количественно каждая стадия развития овражной термоэрозии несколько условно выделена по величине годового прироста объема разрушений (табл. 8.6). Такой подход показывает, что закономерности овражной термоэрозии во времени обусловлены в основном закономерностями собственно термоэрозии при количественно иных временных масштабах и наложении других процессов.
Начальная стадия развили с коэффициентом годового объемного прироста до 20 % характерна для объектов, возникновение которых началось в теплый период на консолидированных талых грунтах. Если овраг возник в зимневесенний период, то его развитие начнется со II стадии преимущественно при предельно термоэрозионном типе размыва мерзлых грунтов и количественно будет выражаться очень высокими темпами годового объемного прироста (100 — 600 % и выше). Однако активная стадия продолжается сравнительно недолго — для условий месторождения Медвежье 1—2 года.
В последующие 3 — 8 лет развития оврага отмечается высокая скорость годового объемного прироста (20—100 %), что характерно для годичного цикла термоэрозионного типа раз-
Таблица 8.6
Преимущественные типы размыва мерзлых пород в динамике овражной термоэрозии
Характеристика стадий
Преимущественный тип размыва грунтов в годичных циклах
Обозначение
Наименование
Возраст Т, годы
Коэффициент годового объемного прироста
I
Начальная
0-1
<20
Эрозионный
II
Активная
0-2
100 -600 и выше
Предельно термоэрозионный
III
Переходная
3-8
100-20
Термоэрозионный
IV
Затухания
>8
<20
Эрозионнотермоэрозионный, склоновые процессы, восстановление
ПРП
мыва. Далее, в возрасте свыше 8 лет развитие овражной термоэрозии замедляется. Размыв будет происходить по эрозионно-термоэрозионному типу, и скорость годового объемного прироста в этом периоде падает до 20 % и ниже. В последующие годы развитие склоновых процессов выполаживает стареющий овраг, а полное восстановление почвеннорастительного покрова довершает процесс затухания.
Результаты исследований техногенного оврагообразования на Ямбургском ГКМ получены в основном в полевые сезоны 1986—1992 гг. [5, 38], более поздние данные взяты из анализа картографических и служебных материалов ООО “Ямбурггаздобыча'' [53].
Обустройство и эксплуатация Ямбургского ГКМ в широком масштабе начались с осенне-зимнего сезона 1985 — 1986 гг. На основе стационарных наблюдений за выявленными объектами овражной термоэрозии для учтенных оврагов и овражных систем разного возраста были проведены расчеты коэффициента годового объемного прироста нарушений К (табл. 8.7). Взаимосвязь между возрастом оврага и пространственной скоростью его развития — коэффициентом годового объемного прироста представлена на рис. 8.17 в виде графика. От аналогичной кривой для месторождения Медвежье (см. рис. 8.16) она отличается следующим: данная кривая К(Т^ характеризуется более высоким и широким пиком значений коэффициента при К > 600 % для объектов с возрастом 0,5 — 2 года, а при Т > 2,5 переходит к значениям К около 200 %. Таким образом, в возрастном интервале 0,5 — 4 года объекты имеют коэффициент годового прироста более 80 % и, следовательно, находятся в активной стадии развития, длительность которой не менее чем в 1,5 раза превышает соответствующую величину для месторождения Медвежье. Кроме того, максимальное значение коэффициента К для Ямбургского месторождения почти в 2 раза превышает аналогичный показатель для Медвежьего. Переходная стадия — 5-й год развития — затухает с возраста объекта > 6 лет.
Приведем краткую характеристику объектов исследований (см. табл. 8.7).
Овраг № 1, расположенный перед ручьем вдоль дороги на аэропорт, образовался весной — летом 1986 г. в результате снятия почвенно-растительного покрова на участке длиной около 30 м для подсыпки основания дороги. Источниками водотока являются болото в привершинной части, питающее постоянный водоток, а также талые, дождевые и ливневые стоки. Уклон поверхности изменяется от 2 — 3 до 3 — 5°. На не-
Таблица 8.7
Характеристики техногенного оврагообразования на Ямбургском ГКМ
Номер объекта
Год за- рож- дения
Объем нарушений, тыс. м3 (числитель) и длина оврага, м (знаменатель)
Коэффициент годового прироста объемных нарушений, %
Приме- чание
Возраст объекта, годы
0,5-1
1,5-2
2,5-3
4
5
6
7
0,5-1
1,5-2
2,5-3
3,5-4
5
6
7
1
1986, весна- лето
2,18/ 142
0,62/ 122
1,03/ 148
206/ 165
3,01/ 182
—
>1000
67
104
46
—
Засыпка грунтом
2
1986, зима
3,87/ 30
4,18/ 140
10,7/ 140
14,91/ 415
17,6/ 438
>1000
156
339,3
14,4
—
—
Засыпка, исключение горячих стоков
2-А-А
1986, весна
0,04
0,37
0,9
—
—
—
—
825
143
—
—
—
—
2-А-С
1988, весна
0,85/ 42
1,71/ 42
1,82/ 46
—
—
101
6,4
—
Засыпка и исключение водотока
3
1986, весна
0,01/ 45
0,32/ 53
0,39/ 55
0,41/ 55
0,42/ 57
220
22
4
3
Исключение промышленных стоков
5
1987, лето
1,34/ 150
1,49/ 188
4,81/ 252
7,32/ 263
—
—
—
>1000
2
223
52
—
—
—
Засыпка, планировка
6
1987, лето
0,84/ 120
0,89/ 187
3,98/ 232
6,21/ 255
—
—
—
>1000
347
56
—
—
—
То же
7
1988, лето
0,033/ 40
0,16/ 72
0,48/ 117
—
—
—
—
>1000
385
200
—
—
—
—
8
1988, лето
0,016/ 8
0,13/ 17
0,5/ 43
—
—
>1000
712
285
—
—
—
—
Рис. 8.17. Динамика овражной термоэрозии на Ямбургском месторождении нарушенной территории почвенно-растительный покров представлен кустарничково-лишайниковыми тундрами. Почвообразующими породами являются высокольдистые легкие суглинки.
Объект № 2 представляет собой овражную систему, расположенную у водоочистных сооружений (ВОС) на северо- восточном склоне озера [38]. При строительстве ВОС и прокладке линейных коммуникаций на поверхности склона осуществлены следующие виды техногенного воздействия: наезды гусеничной техники с наибольшей интенсивностью по площади водосбора 0,019 км2; выемка грунта при устройстве газопровода и последующая его обратная засыпка в траншею; отепляющее действие газопровода на подстилающие мерзлые грунты; отвод трубы сброса аварийных вод от резервуаров ВОС на середину основного склона и сброс горячих вод с температурой до 90 °C перед запуском ВОС.
В результате активного механического и теплового воздействия на почвенно-растительный покров и подстилающие грунты при благоприятных геоморфологических условиях зимой — весной 1986 г. сформировалась овражная система, которая летом того же года имела общий объем овражных нарушений около 3500 м3. На второй год развития основные части овражной системы соединились, создалось направление единого концентрированного стока, суммирующего воды с водосборной территории S и аварийные водосбросы. На третий год развития объем термоэрозионных нарушений поверхности склона составил почти 10 000 м3, а площадь — около 9200 м2.
Почвенный покров в районе ВОС представлен тундровыми глеевыми почвами на вершине водораздела и в верхней части склона и тундровыми глеевыми иллювиально-гумусовыми на склонах водораздела. Почвы маломощные, подстилающие породы — мелкие пылеватые пески, местами встречаются легкие суглинки и супеси.
Легкий механический состав и небольшая мощность гумусового горизонта способствовали существенному нарушению почвы вследствие техногенных воздействий. На значительной площади верхние слои почвы отсутствуют, на поверхности оказались иллювиальные горизонты и даже подстилающие породы. В нижних частях склона и местами по всему склону водораздела природные почвы погребены снесенными сверху подстилающими породами.
По типу первичной растительности исследованный участок можно разделить на два типа. 1. Кустарничково-лишайниковая тундра, расположенная на склоне ниже водораздельной линии. Естественное зарастание на этом участке происходит крайне медленно. Участок полностью нуждается в биологической рекультивации. 2. Кустарниковая тундра, расположенная между водораздельными линиями, полностью нарушена проездами вездеходов и другой техники. На месте кустарниковой тундры восстанавливается пушицево-осоково-политри- ховое сообщество с осокой арктосибирской, осокой прямостоящей, пушицей Шейхцера, пушицей рыжеватой.
На склоне активно развито трещинообразование на прилегающих к овражной системе участках, сопровождающееся оползанием дернины.
Характерной особенностью является выраженный термокарстово-термоэрозионный характер развития овражной системы. На нарушенных проездами техники участках первоначально образовались термокарстовые просадки грунта, а затем по просадкам концентрируются талые, дождевые, ливневые стоки; термокарст также вносит существенный вклад в питание овражного водотока.
В первые годы развития овражная система состояла из трех основных стволов — А, Б, С с многочисленными отвершками, которые слились в единую систему на третий год развития.
Объект № 3 представляет собой небольшой овраг, расположенный параллельно объекту № 2 на расстоянии около 300 м на том же склоне. Овраг образовался весной 1986 г. в результате частичного нарушения почвенно-растительного покрова при забивке свай под водовод. Овраг имеет V-образную форму без отвершков. На третий год развитие оврага замедли-
лось, что связано с незначительной площадью водосбора и ограниченной длиной склона (29 м) с базисом эрозии 113,7 м. Естественный почвенно-растительный покров кустарничковолишайниковых тундр ограничил разветвление оврага, способствуя сохранению мерзлоты.
Овраг № 5, расположенный на склоне небольшого ручья около УКПГ-1, образовался в 1987 г. в результате сброса теплых промстоков с УКПГ с расходом около 4 л/с. Впоследствии сброс вод был прекращен, и со второго года развитие оврага осуществлялось за счет концентрации естественных водотоков перед водопропуском через окружную автодорогу. Изменение водного режима резко повлияло на рост объемных нарушений, замедлив его таким образом, что коэффициент объемного прироста снизился до 13 %. Овраг развивается на пологом склоне длиной около 180 м, сложенном высокольдистым песчаником, который с поверхности на водоразделе защищен слоем торфа мощностью до 1 — 1,5 м.
Овраг № 6, расположенный параллельно объекту № 5 на склоне того же ручья около УКПГ-1, образовался весной 1987 г. в результате снятия ПРП проездами техники. Овраг развивается под действием естественных водотоков с водосбора и вытаивания грунтового льда. На второй год появились три небольших отвертка.
На территории УКПГ-5 летом 1988 г. зафиксированы три небольших оврага (№ 7, 8 и 9) в начальной стадии развития — промоины, развивающиеся по эрозионному типу.
Овраг № 10, расположенный вдоль участка автодороги ПК-67 —ПК-71 на территории УКПГ-2 при переходе через ручей, развивается на западном склоне длиной около 190 м; высота базиса эрозии — 13,3 м, уклон поверхности — 0,0702°. Имеется дополнительный северный уклон в поперечном направлении длиной 120 м с высотой базиса эрозии 2,5 —0,9 м. Причина возникновения оврага — устройство в 1985 г. водо- пропуска из трубы диаметром 1400 мм через временную дорогу к складу; водопропуск зарегулировал сток на поверхность с частично нарушенным растительным покровом. При этом не было предусмотрено водогасительное устройство, не укреплена ложбина стока.
В активную стадию развития овраг вступил на второй год в результате увеличения поверхностного стока с северного склона, возникшего при полном уничтожении верхних почвенных горизонтов. В связи с тем, что участок сложен с поверхности высокольдистым мелким пылеватым песком, даже незначительные осадки активно влияют на углубление про-
дольного русла оврага. Попытки ликвидировать овраг путем планировки и срезки естественного грунта бульдозером с проходами вдоль уклона привели к смыву грунтов с поверхности всего участка и образованию 10 отвершков перпендикулярно основному стволу, что резко ускорило рост объемных нарушений основного ствола оврага. Общая площадь техногенно-нарушенного склона с полностью снятым почвенно-растительным покровом в области развития овражной системы составляет 0,023 км2.
ТЕХНОГЕННОЕ ОВРАГООБРАЗОВАНИЕ В РАЙОНЕУКПГ-1В ЯМБУРГСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Естественные условия. Район строительства промплощад- ки УКПГ-1В расположен на правом берегу р. Нгарка- Пойловояха. Общий уклон территории — в сторону реки. Повышение местности над уровнем реки составляет 11 — 12 м. Площадка располагается на плоском, слабопологом участке, поверхностный сток с которого до начала строительства был распределенным и осуществлялся по хорошо задернованным полосам стока по системе природных балок, условно названных восточной, центральной и западной (материалы топографической съемки ЮжНИИгипрогаза).
Геологически площадка однородна и сложена преимущественно мелкозернистыми мерзлыми песками, которые сверху покрыты маломощными мерзлотными подбурами и кустарничковыми тундрами. Местами, особенно вблизи берегов реки, встречаются торфяники мощностью 1—2 м. При нарушении почвенно-растительного покрова грунты, слагающие поверхностный слой криолитозоны, легко размываются.
В естественных условиях разрушение почвенно-растительного покрова концентрированными поверхностными водами происходит только, во-первых, на участках сосредоточенного стока, во-вторых, при предварительном нарушении сплошности ПРП в результате морозобойных трещин, трещин усыхания, при выпадении (замерзании) растений на отдельных микроплощадках, а также при некоторых других криогенных процессах. Поэтому в природе овраги зачастую приурочены к берегу реки, где благоприятные условия для их развития встречаются чаще за счет активизации в береговой зоне криогенных процессов, а также благодаря значительным уклонам, повышающим энергию концентрированных водных потоков; с удалением от реки эрозионная деятельность водных потоков в естественных условиях быстро затухает.
Таблица 8.8
Характеристики техногенного оврагообразования на УКПГ-1В на 1995 г. (данные Ю.Б. Баду и В.Ш. Цыпина)
Номе- ра оврагов 1-го порядка
Параметры, м
Типич- ный поперечный профиль
Криогенные процессы
Весенний сток, м3
Прирост длины за 1988- 1995 гг„ м
Длина
Глубина
Ширина
на склонах
в днище
Площадь водосбора,
Повтопяемость. %
2
10
30
3
810
6-8
25—30
^-образный
Медленная солифлюкция и оползание грунтов
Аккумуляция, размывы и вынос грунта
1.5
4,0
3,0
2,3
160
3.1
50-160
3-5
5-10
U-об- разный
Оттаивание грунтов и оплывание, термоэрозия
Термоэрозия, вынос, переотложение
0,8 западный 0,7 восточный
2,15
1,85
1,6
1.2
150-250
8
4
250
5-6
15-18
Медленное оползание грунтов
Аккумуляция и слабый вынос грунта
0,15
—
—
—
80
4.1
50-160
3-5
5-10
V-об- разный
Оттаивание грунтов и оплывание, термоэрозия
Термоэрозия, вынос грунта
100-150
5
5.1
405
50 — 250
5-7
1-3
25-40
3-6
^/-образный
U-об- разный
Медленное оползание грунтов Оттаивание и оплывание грунтов
Аккумуляция и слабый вынос грунта Термоэрозия в вершинах, вынос грунта
2,05
5,25
4,0
3,1
150
250 — 350
6
6.1
285
50-100
2-4
1-2
15-20
2-5
V-об- разный
Кустарничковые склоны с медленным оползанием грунтов Кустарничковые склоны
Аккумуляция и слабый вынос грунта
Термоэрозия в вершинах, вынос
0,6
1,8
1,3
1.0
50
30-50
7
600
2-4
15-20
-
Интенсивный пачммд
Грунта Интенсивный па^ммп и пмипг
2,2
5,5
4,2
3,2
100
Рис. 8.18. Фрагмент карты техногенного оврагообразования на УКПГ - 1В Ям- бургского ГКМ:2, 5, 6, 7 — номера овраговРис. 8.18. Фрагмент карты техногенного оврагообразования на УКПГ - 1В Ям- бургского ГКМ:2, 5, 6, 7 — номера оврагов
Рис. 8.18. Фрагмент карты техногенного оврагообразования на УКПГ - 1В Ям- бургского ГКМ:
2, 5, 6, 7 — номера оврагов
Рис. 8.18. Фрагмент карты техногенного оврагообразования на УКПГ - 1В Ям- бургского ГКМ:
2, 5, 6, 7 — номера оврагов
Техногенез и начало оврагообразования. С началом строительства гидрогеологическая обстановка на территории, примыкающей к УКПГ-1В, быстро изменилась. Отсыпка площадки, устройство постоянных и временных дорожных насыпей способствовали перераспределению стока поверхностных вод. Сток из поверхностного распределенного превратился в сосредоточенный, резко возросла его размывающая способность. Транспортные колеи сориентировали поток вдоль оси эстакады шлейфов 102 В и 103 В. Термоэрозионные размывы начались именно вдоль этой эстакады. В результате в июне — июле 1988 г. сформировалась овражная система с устьем у центральной балки, обозначенная на плане под № 3 (табл. 8.8), развитие которой активизировало донные процессы в балке, изменило общий базис эрозии с последующей волной активизации в начале сентября 1988 г.
Следовательно, причиной возникновения оврагов служило нарушение ПРП при производстве строительных работ в зоне развитой балочной системы, что сопровождалось изменением базиса эрозии и резким увеличением притока воды за счет перехвата поверхностного стока со значительной части склона насыпями подъездной дороги и зимника, перехвата части поверхностного стока, который в естественных условиях сбрасывается в восточную балку, а также таяния погребенных льдов.
Проект ЮжНИИгипрогаза по борьбе с эрозионными процессами в районе УКПГ-1В начал осуществляться в 1989 г. Согласно проекту была построена система водоотводящих и водопереливных дамб для объектов № 2 (рис. 8.18) и № 3, которые должны были сдерживать и направлять потоки дождевых и паводковых вод. Дамбы укреплялись термосваями для сохранения грунтов в замороженном состоянии во избежание их разрушения. Термосваи были установлены, но не заполнены жидким пропаном. Кроме того, установленные дамбы не имели водослива для сброса накапливающейся воды в р. Нгарка-Пойловояха.
Условия и последствия активизации овражной термоэрозии. К началу лета 1990 г. все водопереливные дамбы были разрушены полностью или частично. Прилегающая к ним территория была поражена активной овражной термоэрозией. При тщательном осмотре установлено, что накопление воды перед дамбами приводит к размыванию берегов и образованию обходящих дамбы водотоков. Кроме того, из-за накопления воды происходит отепление поверхностных слоев мерзлых грунтов, что способствует развитию термоэрозии.
Необходимо отметить, что при строительстве дамб дополнительно был нарушен почвенно-растительный покров и стимулировано развитие деструктивных криогенных процессов.
Указанная система дамб не способна остановить овраго- образование, даже если она будет восстановлена. Наблюдения показали: началось активное образование новых оврагов и отвершков. Количественно скорость роста можно проследить на контрольных оврагах № И и 12, которые увеличились в летний период 1990 г. до размеров 150 м3/42 м и 230 м3/72 м соответственно (см. табл. 8.7) и к 1995 г. превратились в овражную систему, обозначенную в плане под № 5, с основной длиной 405 м и длиной отвершков 50 — 250 м. Среднегодовой прирост длины составил, таким образом, более 50+70 м/год.
На рис. 8.18 представлен фрагмент геотехнической карты зоны влияния УКПГ-1В на 1995 г. (составители Г.И. Махонин, Ю.Б. Баду, В.Ш. Цыпин), иллюстрирующий состояние и условия развития овражной системы № 5 на УПГ-1В.
Всего в период с 1989 по 1993 г. на территории УКПГ-1В образовалось 9 оврагов и овражных систем. В табл. 8.8 приведены их обобщенные характеристики на 1995 г., полученные сотрудниками ПНИИСа и НИОСП [53].
Особенности динамики техногенного оврагообразования. Результаты натурного обследования территории УКПГ-1В и прилегающей части берега р. Пойловояха летом 1991 г., изучение материалов инженерно-геокриологических исследований и аэрофотосъемок 1990 г. показали, что на данном участке образовалась овражная термоэрозионная система № 5 (см. рис. 8.18), представленная тремя крупными, разветвленными в плане оврагами, у которых ветви 2-го порядка развиваются по двум основным типам оврагообразования — термоэрозионному (I тип) и эрозионно-термокарстовому (II тип) (4, 6].
Термоэрозионные овраги развиваются в мерзлых льдистых грунтах с массивной и шлировой криогенной текстурой на участках с достаточно глубоко расположенным базисом эрозии. В отличие от них эрозионно-термокарстовые овраги развиваются на участках мерзлых льдистых грунтов с полигонально-жильными льдами, перекрытыми слоем торфа. Их активное развитие происходит даже там, где глубина базиса эрозии чрезвычайно мала. Главным образом оно обусловлено изменением теплофйзического состояния грунтов при техногенном нарушении растительного и торфяного покрова.
В орографическом плане исследованный участок расположен на плосковолнистой поверхности аллювиальной надпой-
менной террасы верхнечетвертичного возраста. Гидрографическая сеть представлена долиной реки, в бортах которой врезаны овраги и балки. Длина балок варьирует от 300 до 500 м при ширине в устье до 50 —60 м и глубине 6—10 м.
Овраги имеют существенно меньшие размеры и более крутые склоны, чем балки. Их длина колеблется в пределах 50—150 м при ширине в устье до 30 — 35 м, а глубина не превышает 4 —6 м. В устьевой расширенной части овраги имеют наименьший уклон (Г —ГЗО'). Средневзвешенная величина уклона составляет 2°30‘ — 3°. Максимальная крутизна склонов отмечена в средней части центрального оврага (22 — 27°), наименьшая — в верховьях (13—15°). В местах вреза оврагов в долину реки и в слоны балок крутизна их бортов не превышает 20 — 22°. Форма оврагов в плане ветвистая с длинными и узкими отвершками. Поперечный разрез в основном имеет U-образный профиль, но в верховьях преобладает V-образ- ная форма сечения. В устье оврагов расположен слабовыпуклый конус выноса с ручейком на поверхности. Склоны задернованы и покрыты кустарником, снос с них невелик, но у основания грунт не задерживается, а уносится водотоком. Вершины оврагов разветвленные, радиально расходящиеся от основного ствола и образующие в плане чашеобразные вогнутые амфитеатры, которые служат для возвышенных участков водосборами. В привершинных трещинах и ложбинах почти все лето лежит снег, медленно тающий и пополняющий водоток оврага. Размеры привершинных амфитеатров варьируют в пределах 30—150 м в зависимости от длины и глубины самих оврагов и крутизны прорезаемых склонов.
Водоток обычно небольшой, но в периоды дождей и весеннего снеготаяния (поздней стадии) разрушительный, струится по неширокому (до 2 м) тальвегу, эродируя подстилающие грунты.
В естественных условиях активный рост протекает быстро, и овраги, не достигая большой длины, переходят в стадию замедленного роста и оплывания. Но в районах активного техногенного влияния стадия активного роста продолжается длительное время (до 5 лет и более) вследствие изменения условий, способствующих возникновению и развитию новых отвершков, которые также проходят все стадии.
Овраги II типа возникают на весьма пологих склонах (1 — 1,5°) при очень неглубоких базисах эрозии в мерзлых породах с полигонально-жильными льдами. Длина их может достигать несколько сотен метров. В плане они наследуют рисунок полигональной поверхности, в поперечном сечении —
почти вертикальные стенки. Водоток узкий, постоянно действующий все лето и осень за счет вытаивания полигональножильного льда. Привершинные части оврага в отличие от вышеописанных не разветвляются. Вершины их имеют закругленную форму и плавно сливаются с основным стволом; привершинная стенка оврага обрывистая, с резким уступом к тальвегу. Овраги этого типа в течение некоторого времени развития остаются неглубокими, так как эрозионный процесс опережается оползаниями и солифлюкцией на бортах оврага и прибровочных частях склонов. Оползающие грунты при слабом, их выносе предохраняют лед от таяния, термоэрозия замедляется. Затем процесс может резко возобновиться и развиваться по описанному типу.
В пределах обследованного участка овраги были небольшими и неактивными, но стали активно развиваться после того, как началось уничтожение мохово-лишайникового и торфяного покрова машинно-тракторными механизмами. Ускорению роста оврагов способствовали заметный уклон поверхности, резкий уступ к р. Пойловояха, близкое залегание льдонасыщенных мелкозернистых и пылеватых песков и супесей, широкое развитие в этих грунтах полигональножильных льдов под торфяником небольшой мощности. За три-четыре неполных летних сезона центральный и правый овраги существенно активизировались в отвершках, появились свежие ложбины и канавы с признаками активного роста. Левый овраг активизировался позднее (в сезоны 1988 — 1990 гг.), когда эрозией были затронуты края обширного торфяника с полигонально-жильными льдами.
Сложившаяся к 1991 г. овражная система находится на разных стадиях возникновения и развития новых оврагов и отвершков, которые очень важно выделить для оптимизации выбора противотермоэрозионных мероприятий.
В местах, где морозобойные трещины и трещины усыхания ориентированы вниз по склону, талые и дождевые воды активно разрабатывают грунт, растепляя его, разжимая и вынося по склону. При этом трещинные водотоки очень быстро растут в длину и ширину, соединяются и преобразуются в узкие термоэрозионные ложбины, являющиеся I стадией развития оврагов [20]. На этой стадии находятся овражные отвертки левого и центрального оврагов.
На II стадии развития тепловое воздействие водотока приводит к подтаиванию обнаженных почти отвесных стенок ложбин, грунт с них обваливается и выносится вниз по узкому и крутому тальвегу. Происходит дальнейшее расшире-
ние, углубление и удлинение ложбин, причем темп их роста теперь наиболее быстрый в сравнении с последующими стадиями. По мере активного роста и расширения ложбин крутизна стенок уменьшается, образуются крутостенные дельтовидные врезы, активно растущие в длину, ширину и глубину и размывающие грунт в тальвегах. Оттаивающий грунт стенок успевает выноситься водотоком.
Дальнейшее развитие крутостенных дельтовидных врезов происходит на III стадии развития: образуются молодые растущие овраги с преобладанием активных склонов и русловых процессов в привершинной и средней их части и некоторым замедлением в нижней приустьевой. Водотоки здесь поддерживаются в течение всего лета тающим грунтовым льдом и снежниками, а также дождями. Водотоком выносится практически весь оттаявший склоновый материал и углубляется тальвег, но в приустьевой части начинается аккумуляция выносимого грунта.
По мере дальнейшего развития овражной системы аккумуляция начинается и у основания склонов выше по оврагу — склоны начинают выполаживаться. Там, где они достигают крутизны естественного откоса, появляются ивняк, моховотравянистая растительность. Глубина протаивания при этом уменьшается. Но в преобладающей части оврага доминируют термоэрозионные процессы, особенно в привершинных частях, где возникают и растут все новые и новые трещины- ложбины.
IV стадия развития оврага наступает с появлением признаков угасания активности термоэрозионного процесса в средней и нижней части. Склоны начинают зарастать ивняком и моховым ольшанником, уменьшается глубина сезонного протаивания. На склонах доминируют солифлюкционные процессы, выполаживающие их. Глубинная эрозия в основном стволе оврага практически полностью сменяется активной аккумуляцией переотложенных грунтов. Тем не менее на склонах местами образуются новые термоэрозионные ложбины и крутостенные дельтовидные врезы в отвертках.
Следует обратить внимание на то, что привершинные трещины-ложбины, веерообразно расходящиеся от основного ствола оврага, расширяются по указанной схеме (I —II стадии) и постепенно превращаются в крутостенные дельтовидные врезы. Расстояния между их бровками сокращаются, и со временем соседние врезы соединяются, образуя чашеобразные формы рельефа. Размеры термоэрозионно-соли- флюкционных амфитеатров варьируют в пределах первых
десятков метров. Эти формы сами создают благоприятные условия для образования на их склонах промоин и коротких оврагов. Таким образом, процессы термоэрозии возобновляются и повторяются.
В любом случае в конце концов на выположенном днище зарастающих оврагов глубинная эрозия практически прекращается. У подножия склонов образуются шлейфы из оползающего грунта, поперечный профиль приобретает корытообразную форму, продольный профиль выравнивается благодаря преобладанию на днище аккумуляции. Овраги заканчивают свое развитие, перерождаясь в балки (V стадия развития) [9, 20].
Факторы интенсификации термоэрозионных процессов. Результаты обследования показали, что в первые годы эксплуатации газопромысла не были учтены последствия нарушения ранее сложившегося динамического равновесия в водном балансе территории, отвода поверхностных и фильтрационных вод. Деформация поверхностного слоя почвеннорастительного покрова привела к концентрации, возникновению и ускоренному техногенному оврагообразованию и необходимости борьбы с ним.
Решение последней проблемы, включающей как предыдущие задачи, так и множество других, следует начинать со снегомерной съемки участка газопромысла и прилегающей территории. При отсутствии древесной растительности крутизна склонов и сильные ветры зимой приводят к неравномерному распределению снежного покрова в тундре. Основное количество снега концентрируется в подветренных склонах и в других понижениях рельефа. Здания и сооружения различного типа играют здесь роль своеобразных снегозадерживающих устройств, где скапливается в 1,8 — 2 раза больше снега, чем рядом в тундре. Плотность снега при этом очень высока (от 0,4 до 0,45 г/см3). Снежный покров благодаря малой теплопроводности как термоизолятор предохраняет мерзлые грунты от охлаждения зимой. Это в значительной мере ускоряет переход температуры мерзлого грунта через 0 еС практически скачком, что сопровождается разупрочнением оттаивающих грунтов и их выносом весенним стоком.
Рассмотрим динамику развития термоэрозионного процесса, которая наблюдалась на участке антропогенного микрорельефа в районе правого склона центрального оврага, пересекаемого действующим трубопроводом высокого давления, уложенным на свайных фундаментах из труб. Ряд свай на протяжении нескольких десятков метров был забит в мерз-
лые песчаные гунты с полигонально-жильными льдами. Гусеничным транспортом разрушен лежащий на льду торфяной покров толщиной до 0,5 м, при этом образовались борозды параллельно трубопроводу, т.е. вниз по уклону склона. В начале мая талая вода отступала с вышележащего так же нарушенного водосбора мелкими ручейками преимущественно в дневное время. Во второй половине мая таяние снега резко усилилось, увеличились размеры канавок стока и талая вода достигла поверхности ледяных жил. За две недели теплового и механического взаимодействия быстротекущей талой воды и подземного льда образовался узкий и глубокий овраг, обнаживший на 2 — 4 м подземную часть забитых свай-труб.
Термоэрозионный процесс, развивающийся на антропогенном участке микрорельефа в верховьях правого оврага, представляет небольшую опасность для устойчивости проложенных поблизости трубопроводов. Поэтому произвели засыпку оврага по известному проекту местным песчаным грунтом выше отметок бровок. Однако поверхность засыпки была плохо спланирована, а на некотором расстоянии изборождена колесным и гусеничным транспортом, сбита в кучи трактором и т.д.
Следующей весной овраг стал заново возрождаться, и с еще большей скоростью, чем в естественном состоянии. Мерзлое состояние насыпных грунтов из-за их слабой уплотненности (р = 1,40—1,45 г/см3) и небольшой величины сцепления после оттаивания не явилось помехой для водной эрозии. Снеговая вода, увеличивая объем и скорость течения, за несколько недель промыла насыпной грунт и достигла естественного тальвега. Размытый грунт практически весь был вымыт за пределы этого оврага в основное русло и образовал конус выноса.
Наблюдения за развитием всех трех оврагов термоэрозионной системы № 5 участка УКПГ-1В показывают, что с возраста 5 — 6 лет основной прирост овражной системы в длину происходит главным образом за счет образования новых отвершков. Эти отвертки возникают непрерывно в связи с продолжающимися нарушениями поверхности тундры, увеличением заснеженности застроенной территории и перераспределением снегового покрова. Обычно одни отвершки перестают функционировать в отдельные сезоны, быстро достигнув стадии затухания, другие активно развиваются при благоприятных условиях. Интенсивность развития зависит от расхода водотока. Б связи с этим следует отметить, что при разработке противоэрозионных мероприятий должны быть учтены абсолютно все подобные формы мезорельефа.
Тальвеги в основной части эрозионно-термокарстовых оврагов (без отвершков) сложены, как правило, песками и супесями с редкими включениями гальки и прослоями растительных остатков и торфа. Эти грунты достаточно сильно сопротивляются размыву, поэтому скорость углубления здесь сравнительно мала. Значительно легче размываются и выносятся продукты солифлюкционного и термоденудационного разрушения склонов, накапливающихся в днищах оврагов за предыдущий год.
На средних участках склона, где идет интенсивный вынос грунта и переформирование русла оврагов (левого и центрального) за счет боковой термоэрозии, образуются крупные ниши. При последующем углублении тальвега откосы подрезаются, грунты тают и сползают отдельными блоками по откосам. Оттаивание грунтов на откосах оврагов обычно сопровождается их переувлажнением и жидким течением грунта. При этом здесь важную роль играет снежник. На границе снежник — грунт последний всегда сильно переувлажнен и поэтому течет вниз до тех пор, пока продолжается таяние снежника (порой весь период года с положительной температурой воздуха).
В июне-августе из-за небольшого количества дождевых осадков эрозионные процессы практически затухают. Лишь со второй половины августа с началом сезона дождей вновь активизируются склоновые процессы. Оплывающие и сползающие грунтовые массы частично остаются на склонах, частично поступают к их подножию, формируя солифлюкцион- ны террасы, на которых из останцев естественного ПРП идет зарастание.
Глава 9
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМОЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ЦЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯТЕРМОЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Прогнозирование зарождения и развития процесса термоэрозии, оценка ее потенциальной опасности имеют немаловажное значение для обеспечения надежного функционирования инженерных сооружений, сохранения благоприятных экологических условий, выработки и принятия конкретных мер по предупреждению оврагообразования и борьбы с уже развивающимися оврагами. Достоверный прогноз изменений
инженерно-геокриологических условий под воздействием внешних факторов возможен лишь на основе глубокого изучения закономерностей развития криогенных процессов, наблюдаемых в районах Крайнего Севера [39 — 42]. Можно выделить три группы задач мерзлотного прогноза [39]:
изменений мерзлотных условий, связанных с естественной динамикой геологических и географических факторов;
локального изменения мерзлотных условий, обусловленных конкретной производственной деятельностью;
региональных изменений мерзлотных условий при комплексном хозяйственном освоении территории.
Задачи первой группы включают в себя оценку влияния динамики климата, неотектоники и изменений соотношения суши и моря, процессов денудации и осадконакопления, динамики ледяных покровов, гидрогеологических и геоботанических условий на распространение, мощность, температурный режим, строение, состав, свойства многолетнемерзлых пород, развитие мерзлотных процессов [43, 44].
Задачи второй группы решаются для оценки и влияния на мерзлотные условия таких техногенных воздействий, как удаление или изменение характера естественных покровов, создание искусственных водоемов, осушение поверхности и дренаж верхних горизонтов пород, изменение рельефа при планировке местности, удаление или замена верхнего слоя грунта, создание выемок, котлованов, карьеров, возведение насыпей, перемычек, подсыпок, создание искусственных покрытий, тепловое воздействие сооружений на грунты основания, механическое воздействие на грунты основания [45]. Результаты решения этих задач позволят оценить устойчивость природных ландшафтов к техногенным воздействиям.
Задачи третьей группы решаются для оценки региональных изменений мерзлотных условий и сопутствующих изменений других природных компонентов под среднеинтегральным влиянием комплекса мероприятий, проводимых при хозяйственном освоении больших территорий [46]. При постановке этих задач должны учитываться тенденции естественной многолетней динамики природной среды.
Составление прогноза развития инженерно-геокриологических процессов (в частности, процесса термоэрозии) возможно лишь на основе глубокого изучения закономерностей и количественной оценки изменения природных условий в естественных условиях и под влиянием антропогенного воздействия. Обязательным при составлении прогноза является изучение изменений естественных покровов, микроклима-
та, рельефа поверхности, гидрогеологических и гидрологических условий, состава, влажности и свойств грунтов, теплового, механического, химического и биологического воздействия техногенных факторов.
Прогноз развития инженерно-геокриологических процессов служит научным обоснованием для управления мерзлотными процессами с целью обеспечения надежности сооружений (конструктивные решения, технологический режим эксплуатации, организация строительства), а также для организации мероприятий по охране окружающей среды.
Рассмотрим подробнее методы прогноза одного из наиболее интенсивных криогенных процессов — процесса термоэрозии.
Как отмечалось выше, в зависимости от количественных соотношений тепловой и механической энергии воздействия водного потока на мерзлый грунт, а также механических свойств грунта можно выделить различные типы размывов по признаку "взаимное расположение границы смыва и фронта протаивания". Основное содержание экспериментально определенной закономерности заключается в том, что с консолидацией талых грунтов во времени растет их сопротивление действию водного потока [31], однако грунты, подвергавшиеся действию промерзания и последующего оттаивания, по своим физико-механическим свойствам отличаются от грунтов, не испытавших перемены при прочих равных условиях [43].
Наиболее активно происходит развитие очага термоэрозии при предельно термоэрозионном типе размыва, когда ввиду значительного уменьшения сил сцепления между агрегатами в оттаивающих породах под влиянием процессов коагуляции и текстурообразования при промерзании даже слабые потоки воды с небольшой энергией механического воздействия могут вызывать мгновенный смыв оттаявшего слоя [39]. В действительности, в чистом виде такой вид размыва наблюдается только в период установившегося хода процесса и лишь в короткое время при определенных условиях. Важной задачей является исследование динамики процесса термоэрозии в целом при неустановившемся режиме его развития. К сожалению, пока не существует математической модели, описывающей процесс развития термоэрозии от начала до конца, т.е. с момента зарождения этого процесса до его затухания, что очень важно для практического использования результатов прогноза.
Также не существует методов прогноза, предсказывающих
влияние развития процесса термоэрозии на развитие и ход других инженерно-геокриологических процессов, так как ввиду сложности исследования и прогнозирования криогенных процессов их обычно рассматривают по отдельности. В связи с этим надо отметить, что такой подход является в некоторой степени идеализацией наблюдающихся в природе явлений.
В действительности все криогенные процессы связаны между собой и зачастую переходят друг в друга. Так, например, морозобойное растрескивание, солифлюкция, термокарст подготавливают условия для термоэрозии, которая в свою очередь может привести к просадке грунтов, а в некоторых случаях к термокарсту и т.д. [1, 35, 39]. Поэтому необходим комплексный подход к прогнозированию совокупности инженерно-геокриологических процессов.
Ввиду особой распространенности, а также потенциальной опасности термоэрозии, особенно в районах с нарушенным почвенно-растительным покровом, исследованию этой проблемы уделяется достаточно много внимания на различных уровнях: экспериментальном, качественном и количественном (рис. 9.1) [6, 31, 39].
При рассмотрении вопроса с количественной точки зрения исследователи опираются прежде всего на известные законы сохранения массы, количества движения, энергии. Для замыкания системы уравнений используются определенные гипотезы и упрощения. Существующие количественные методы прогноза можно представить в виде табл. 9.1.
Экспериментальные методы исследования включают в себя натурное и лабораторное моделирование. К натурному моделированию относятся экспериментальные исследования на местности. Преимущество этого метода состоит в том, что в модели в неискаженном виде воспроизводятся мерзлотные
Экспериментальные методы-лабораторный и натуральный эксперимент, мерзлотные наблюдения, аэрофотосъемка местности [100,105,106]
I
Качественные методы прогноза (выражаются в геологических понятиях и обобщенных представлениях) [39,40]
i
Количественные методы прогноза w (устанавливают функциональную связь между характеристиками криогенного процесса и природными факторами антропогенного воздействия) [45,47-50]
Рис. 9.1. Взаимосвязь методов исследования процесса термоэрозии
Таблица 9.1
Количественные методы прогноза развития процесса термоэрозии
Подход
Краткая характеристика
Геометрический
Теплофизический [21, 41, 42, 49, 51]
Гидромеханический:
полуэмпирические методы
методы обычной эрозии
Применяются методы экстраполяции и интерполяции; при помощи пространственно-временной экстраполяции осуществляется прогноз развития формы нарушенного участка тундры. Основание для использования метода — сохранение закономерностей процесса в рассматриваемом промежутке времени
Учитывает в основном теплофизическую сторону развития процесса; гидромеханическая сторона учитывается лишь косвенно [6, 31]. Используется аппарат математической физики, решается задача Стефана. Определяется глубина протаивания, измеряется температурный режим. Расчеты приводятся для предельного термоэрозионного типа размыва. Постановка задачи квазисцацио- нарная Используются методы на основе натурных и лабораторных экспериментальных работ, полевых наблюдений [44, 50, 52, 53]. Определяются полуэмпирические формулы для определения различных механических и геометрических характеристик процесса. Постановка задачи стационарная На основе законов сохранения массы и количества движения при помощи аппарата дифференциальных уравнений и математической физики определяются:
донное течение [53], сопротивление потоку грунтов с растительным покровом [54], гидравлическое сопротивление [55];
максимальная неразмывающая скорость потока [44, 48];
режимы, при которых (не) осуществляются аккумуляция наносов на дно и транспорт наносов [56, 57];
развитие формы русла [58 — 60], формы сечения. Рассматривается установившийся процесс
процессы и явления. Однако большая продолжительность и трудоемкость экспериментов ограничивают применение метода. Надежные результаты могут быть получены и при использовании лабораторных моделей. При решении некоторых задач взаимодействия сооружений с грунтами в лабораторных условиях трудно обеспечить одинаковые критерии подобия модели и натурного объекта, однако, несмотря на это, лабораторные испытания грунтов остаются незаменимыми для прогнозирования изменения их свойств.
Проведение исследований на более высоком уровне требу-
ет достоверных экспериментальных данных, следовательно, необходимо дальнейшее развитие экспериментальных методов.
В последнее время наметилась тенденция к пренебрежению качественными прогнозами. Это неверная позиция, так как качественные исследования на основе переработки материала геоморфологических изысканий, различных (мерзлотных, аэрофото-) съемок, наблюдений дают обширную информацию о путях развития процесса, характеризуют картину в целом. Достоинством количественных методов является выражение интересующих исследователей и практических пользователей величин в конкретном, численном виде. Ввиду сложности изучаемого явления при создании количественной модели прогноза приходится прибегать к некоторым упрощениям. Принимаемые количественные модели основаны на результатах экспериментальных методов исследований и количественных методов прогноза. Достоверность количественных математических методов полностью определяется правильностью нахождения и выбора исходной информации.
При использовании различных количественных методов можно применять как детерминированные, так и стохастические модели описания явления. К детерминированным относят модели, позволяющие установить функциональную связь характеристик грунтов и происходящих в них процессов с природными факторами и параметрами инженерных сооружений [41, 42, 49]. В отличие от детерминированных в стохастических моделях независимые переменные задаются как случайные [60, 61]; применяется также иногда теория графов [60]. Стохастические (вероятностные) модели полнее детерминированных, однако при практическом использовании последние удобнее. Качество прогноза, осуществляемого количественными методами, существенно зависит от достоверности исходной информации, получаемой в результате лабораторных и натурных экспериментов, наблюдений, качественных прогнозов.
Анализ результатов исследований в области прогнозирования развития термоэрозии и других криогенных процессов свидетельствует о том, что достоверные и практически значимые результаты можно получить лишь при комплексном подходе к решению проблемы, который подразумевает применение как качественных, так и количественных методов прогноза. В настоящее время существующие математические подходы описывают лишь частные стороны процесса (см. табл. 9.1), отсутствует комплексный подход к решению проблемы (в частности, отдельно рассматриваются теплофизиче-
ская и гидромеханическая стороны процесса). Последнее объясняется тем, что исследователи ввиду сложности изучаемого явления стремились создать упрощенную модель с тем, чтобы применить тот или иной математический аппарат. Естественно, учесть все факторы, определяющие развитие процесса, невозможно, но учет основных закономерностей необходим.
Неотложной является задача объединения теплофизического и гидромеханического подходов. Таким образом в модели будут использоваться три закона сохранения: массы, количества движения и энергии. Один из вариантов такого подхода рассматривается далее в разд. 9.2.
В работах, исследующих теплофизическую сторону процесса, не используется понятие силы, которая является причиной изменения состояния системы или меры ее движения. В работах, использующих только гидромеханический подход, учитывается не в полной степени или совсем не учитывается влияние температуры.
Перспективное направление прогнозирования — применение методов пространственно-временной экстраполяции к прогнозированию развития формы очага нарушения поверхности криолитозоны под действием совокупности внешних факторов, характер действия которых сохраняется во времени. Достоинством такого подхода является его комплексность. К недостаткам относится необходимость наличия экспериментальных данных об исходной форме наблюдаемых объектов. Метод можно применять только при сохранении тенденций (закономерностей) воздействия внешних факторов. В разд. 9.3 приведен вариант методики прогноза на основе пространственно-временной экстраполяции.
Критерием достоверности разрабатываемых прогнозов служит практика, т.е. результаты натурных и лабораторных экспериментов, наблюдений, мерзлотных и аэрофотосъемок.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы:
для дальнейшего развития исследований об антропогенных (техногенных) изменениях мерзлотных условий требуется разработать экспериментальные методы, которые позволяли бы получать достоверную информацию. В целях изучения теплофизических и механических характеристик грунтов, их строения, определения влияния нарушения естественных режимов тепло- и массообмена на развитие инженерно-геокриологических процессов необходимо проведение экспериментальных исследований;
на основе имеющегося экспериментального материала не-
обходимо развивать комплексные методы прогнозирования развития различных инженерно-геокриологических условий, а именно:
учитывать взаимосвязь и взаимозависимость зарождения и развития инженерно-геокриологических процессов, а также нестационарный характер их развития;
создавать комбинированные модели процесса термоэрозии на основе объединения гидромеханического и теплофизического подходов;
развивать методы пространственно-временной экстраполяции;
полнее учитывать в математических моделях конкретные характеристики исследуемых районов.
Составленный прогноз развития инженерно-геокриологического процесса, в частности термоэрозии, позволяет дать оценку устойчивости ландшафта к воздействию внешних факторов, а также разработать методы защиты окружающей среды и восстановления нарушений, ухудшающих экологические условия. Разработка и внедрение тех или иных методов профилактики и борьбы с очагами термоэрозии или другими инженерно-геокриологическими процессами требует научно обоснованного прогноза их применения для предупреждения нежелательных последствий и определения наиболее эффективных средств и методов.
ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССАТЕРМОЭРОЗИИ [621
Полевые исследования, проведенные на территории газовых месторождений Тюменского Севера (Медвежье, Уренгойское, Ямбургское), показали интенсивное развитие в этих регионах процессов термоэрозии, представляющих собой результат одновременного теплового и механического воздействия водных потоков на грунты. Следствием термоэрозии являются возникновение развитой сети промоин и оврагов, деградация мерзлоты, подтопление и заболачивание территорий. Отличительная черта термоэрозии - высокая скорость развития, зачастую носящая катастрофический характер. Так, на территории Ямбургского месторождения относительный годовой прирост объемных нарушений очагов термоэрозии и оврагов в первые два года их развития достигает 400 — 700 %. Для прогноза развития термоэрозионных процессов важное значение имеют количественные методы, основанные на физико-математическом моделировании.
Термоэрозия представляет собой совокупность ряда взаимосвязанных процессов гидродинамки (движение водных потоков по склонам), теплофизики (изменение температуры грунтов и фазовые переходы в системе лед — вода) и механики грунтов (изменение прочностных свойств грунтов, смыв грунтовых частиц водным потоком и эрозия поверхности) [6]. При моделировании термоэрозии указанные процессы, как правило, рассматриваются отдельно, единая термогидродинамическая модель процесса термоэрозии еще не создана. Поэтому представляет интерес исследование термоэрозионных процессов с учетом взаимосвязи гидромеханических и теплофизических аспектов.
Согласно существующим в настоящее время представлениям процесс термоэрозии характеризуется наличием склонового потока воды, оттаиванием мерзлых пород, уменьшением сцепления частиц грунта и уносом этих частиц водным потоком. Геометрическая схематизация этого процесса приведена на рис. 9.2. Области 1, 2, и 3 относятся соответственно к поверхностному водному стоку, талому и мерзлому грунтам; х, у, z — продольная, поперечная и вертикальная координаты; Ф — угол наклона базиса эрозии; ^(х, у, t) и S(x, у, t) — свободные подвижные границы, определяющие соответственно поверхности водного потока, эрозии (смыва) грунтов и оттаивания мерзлых грунтов.
При таком рассмотрении процесса математическая постановка задачи включает уравнение движения воды в области 1, уравнение теплопроводности в областях 2 и 3 и соответствующие граничные условия. Температуру воды в области 1 можно считать постоянной, фильтрация жидкости в области 2 не учитывается. Поверхностный сток воды можно рассмат-
Рис. 9.2. Геометрическая схема процесса термоэрозии
ривать как пограничное турбулентное течение. Тогда, интегрируя уравнения гидродинамики (уравнение Рейнольдса) по вертикали и преобразуя их совместно с уравнением неразрывности на основе известной "гипотезы мелкой воды” [62] (глубина слоя стока намного меньше характерных размеров задачи, вертикальные скорости и ускорения равны нулю), в области 1 получаем систему гидродинамических уравнений:
гдегде’Н + и^ dt ЭхdydxFx^ + и^- dtЭхdv+ v—+ gr dy^ =dxFydhB f dtЭО, f dQy dx dy- = 0,’Н + и^ dt ЭхdydxFx^ + и^- dtЭхdv+ v—+ gr dy^ =dxFydhB f dtЭО, f dQy dx dy- = 0,(9.1)(9.2)(9.3)(9.3а)(9.1)(9.2)(9.3)(9.3а)
где
где
’Н + и^ dt Эх
dy
dx
Fx
^ + и^- dtЭх
dv
+ v—+ gr dy
^ =
dx
Fy
dhB f dt
ЭО, f dQy dx dy
- = 0,
’Н + и^ dt Эх
dy
dx
Fx
^ + и^- dtЭх
dv
+ v—+ gr dy
^ =
dx
Fy
dhB f dt
ЭО, f dQy dx dy
- = 0,
(9.1)
(9.2)
(9.3)
(9.3а)
(9.1)
(9.2)
(9.3)
(9.3а)
Здесь и и v — осредненные по вертикали продольная и поперечная составляющие скорости воды; Qx и Оу — соответствующие расходы; h = ^(х, у, /) — т|(х, у, /) — глубина слоя потока воды; В — ширина потока; д — ускорение свободного падения.
Силы сопротивления F, и Fy определяются касательными напряжениями за счет трения потока о подстилающую поверхность z = Т|(х, у, t). В первом приближении их можно определить по аналогии с речной гидравликой [63]:
F, = д ; F,= д xSIZ, (9.4) Cxh у C„h ' ’
где Сх и Су — коэффициенты шероховатости Шези.
Для нахождения величины т](х, у, /) на основе гипотезы о том, что эрозия поверхности представляет собой совокупность процессов отрыва оттаявших твердых частиц и переноса их потоком преимущественно в режиме донного влечения, можно записать уравнение баланса массы грунтовых частиц:
^ + ^ + (1-т)(в^1 + /1 — 1 = 0,(9.5)
Эх оу( dt dt J
где qx и qy — объемные расходы частиц грунта, увлекаемых водным потоком; т — пористость (льдистость) грунта.
Для плоских поверхностных потоков, как правило, В » h и последнее слагаемое в (9.5) можно опустить. В литературе предложены различные эмпирические выражения для определения расхода наносов qx и qy. Так, при расчете эрозионных процессов часто используется формула Гончарова, согласно которой объемный расход транспортируемых частиц определяется в виде степенной зависимости от скорости потока [64].
Система уравнений (9.1) —(9.5) содержит четыре неизвестные величины — и, v, ц(х, у, t), h(x, у, t) и при заданных значениях Сх, Су, qx, qy является замкнутой. При задании типичных краевых условий эта система может быть решена.
Как было сказано выше, необходимым условием процесса термоэрозии является расплавление льда и устранение тем самым его роли как связующего частиц грунта. Динамика расплавления мерзлого грунта описывается теплофизической задачей. В первом приближении эту задачу можно рассматривать в рамках стефановской концепции. Температуру потока воды в области 1 можно считать известной (постоянной или изменяющейся со временем) величиной. Распределение температур в областях 2 и 3 можно определить из уравнения теплопроводности
^ = а,ДТп (/ = 2,3),(9.6)
где а, — усредненный коэффициент температуропроводности.
На поверхности протаивания грунта S(x, у, z, t) = z—S^x, у, t) выполняются условия Стефана
Г2(х, у, z, t) = Т3(х, у, z, t) = 0;(9.7)
mL~l* + (gradS, X2gradT2 - X3gradT3) = 0,(9.8)
где L — теплота фазового перехода лед — вода; X, (/ = 2, 3) — коэффициент теплопроводности.
При соответствующих краевых условиях задача (9.6) - (9.8) замкнута. Ее решение позволяет определить температурное поле в областях талого и мерзлого грунтов и закон движения фронта протаивания z = S(x, у, /).
Следует заметить, что теплофизическая задача может быть упрощена за счет уменьшения ее геометрической размерности. Для склоновых термоэрозионных процессов очевидны
оценки —, — « —, и после соответствующих осреднений Эх dy dz
температуры в продольном и поперечном направлениях для температурного поля получается одномерная задача. В рассматриваемой модели связь между теплофизическими и гидромеханическими процессами определяется через закон движения поверхности эрозии z = т](х, у, t). Для температуры талой зоны получается задача типа задачи Стефана с двумя подвижными границами, одна из которых определяется из гидромеханических соображений. Очевидно, что от динамики движения этой поверхности (поверхности эрозии) зависит скорость оттаивания грунта. Таким образом, в данной модели определенная взаимосвязь между теплофизическими и гидромеханическими процессами существует, в частности, если поверхности Т| (х, у, t) и S(x, у, t) совпадают, а талая зона отсутствует (случай предельного термоэрозионного размыва) [6].
Вместе с тем взаимообусловленность теплофизических и гидромеханических факторов процесса термоэрозии в данной модели в полной мере не просматривается — в явном виде отсутствует влияние теплофизических факторов на процесс эрозии грунтов. Для установления этой взаимосвязи необходимо усовершенствовать рассматриваемую модель. Согласно современным представлениям, процесс оттаивания мерзлых грунтов объемный, т.е. фазовый переход лед — вода происходит не на поверхности, а в области конечных размеров. При этом непрерывно изменяются насыщенности грунта льдом и водой, льдистость является функцией температуры. Вследствие этого касательные напряжения Fx и Fy, а также расходы частиц грунта qx и qy определяются реологическими параметрами системы вода — лед — грунт, льдисто- стью и температурой. При учете этих факторов в принципе возможно сформулировать замкнутую термогидродинамическую модель процесса термоэрозии. При соответствующей привязке данной модели к конкретным условиям путем численных расчетов из нее можно определить ряд важных с практической точки зрения параметров процесса термоэрозии: динамику движения фронтов оттаивания и смыва оттаявшего грунта, количество смываемого грунта, размеры очага термоэрозии. В приведенном выше виде модель описывает процесс склоновой термоэрозии. При соответствующей геометрической интерпретации ее можно использовать и для описания овражной термоэрозии.
МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОФИЛЯ И ДЛИНЫОЧАГА ТЕРМОЭРОЗИИ НА ОСНОВЕ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ
Прогноз изменения профиля оврага на плоскости имеет чрезвычайно важное значение для профилактики возможных разрушений инженерных сооружений в условиях Крайнего Севера.
В настоящее время развиты в основном качественные методы прогнозирования. В данной методике сделана попытка осуществить количественный подход к прогнозу рассматриваемого нестационарного процесса, при этом используется метод пространственно-временой экстраполяции, широко применяемый для прогнозирования развития различных процессов и явлений [65, 66]. "Важнейшим условием экстраполяции является доказательство сохранения в интервале времени или пространства, для которого производится экстраполяция тенденций (закономерностей) изменения процесса в установленном интервале. Особенно успешно метод экстраполяции применяется, когда исследуются математические выражения функциональных зависимостей параметров от времени. В этом случае метод экстраполяции аналогичен методу математического моделирования" [65].
Анализ результатов экспериментальных исследований изменения линейных размеров очагов термоэрозии во времени показывает следующее:
наибольшее влияние оказывают процессы, происходившие в ближайший период времени; отдаленные во времени процессы практически можно не учитывать;
в активный период развития очага термоэрозии, если действие внешних факторов остается неизменным, основные закономерности процесса сохраняются;
в активный период развития очага термоэрозии можно применять кусочно-линейные функции для аппроксимации зависимости от времени линейных размеров очага термоэрозии.
Для описания движения профиля оврага на плоскости с течением времени введем абсолютную неподвижную систему координат ХОУ, фиксированную в пространстве и времени (рис. 9.3).
Начало системы координат ХОУ для удобства измерений следует расположить на некотором расстоянии от вершины оврага таким образом, чтобы уклон местности в точке 0 был равен 0 или был минимальным. Ось OY направлена вдоль основного ствола оврага, ось ОХ перпендикулярна оси OY.
Рис. 9.3. Изменение профиля оврага во времениРис. 9.3. Изменение профиля оврага во времениОтметим, что в пределах точности задачи можно ограничиться представлением У(х, t) в виде полинома пятой степени. В общем случае следует брать степень полинома равной 2п 4- + 1, где п — количество отвершков оврага. Такой выбор аппроксимирующего полинома обеспечивает наибольшую точность приближения формы профиля.
Рис. 9.3. Изменение профиля оврага во времени
Рис. 9.3. Изменение профиля оврага во времени
Пусть измерения проводились в моменты времени ^ и t2l а форма профиля оврага описывается уравнением (рис. 9.4)
УМ = a0(f) + аДфс + а2Щх2 + a3(t)x3 +
+ а4Щх4 + а5^х5, п = 2,(9.9)
где коэффициент а^ у = 0,5) отражает нестационарный характер движения.
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что наибольшее влияние на профиль оказывают близлежащие по времени процессы. Поэтому прогноз, т.е. определение a;(t) для искомого момента времени можно осуществлять на осно-
Рис. 9.4. Прогноз развития области 2—3 оврага 15-72 методом пространственно- временной экстраполяции:
1 — экспериментальная кривая; 2 — расчетная кривая
вании двух предыдущих серий измерений во времени (при помощи линейной функции).
Для каждого момента времени tt и t2 определим координаты вершин отвершков (х,, у,). Число измерений в общем случае равно (2п 4- 2), где п — число отвершков.
Зная значения yXtr t,), определим коэффициенты ак^ согласно методу наименьших квадратов из системы уравнений [651
^£ = 0,— = 0,— = 0,— = 0,— = 0,— = 0, (9.10)
Эа0datЭа2Эа3Эа4Эа5
5
где AS = £ [у, -(а0 + а,х, + а^ + а3х,3 + а4х,4 + а5х,5)] = 0. i=i
Расписывая выражение для частных производных, получим 5
X (у.- ~(а° + а1Х' + а^ + аЗХ? + а4Х* + а5Х<5)! = °'
1 = 1
5
^ [у; -(а0 + а,х, + а2х,2 + а3х3 + а4х4 + а5х,5)]х, = 0;(9.11)
5
£[У, ~^0 + а\Х- + a2Z|2 + ^ + °4Х- + ед5)^ = 0. 1 = 1
Из полученной системы шести уравнений однозначно находятся параметры а0, ах, а2, а3, а4, а5.
При использовании метода наименьших квадратов предполагается, что все измерения проведены с одинаковой точностью. Параметры а0, ап а2, а3, а4, а5 находятся из условия, что сумма квадратов отклонений измеренных значений у, от вычисленных принимает наименьшее значение, т.е.
5
X ty, -<Оо + ахХ1 + а2Х^ + аЗХ? + а4Х? + ед5)]2 = ^min- (9.12)
1 = 1
где AS — отклонение.
Достаточное условие разрешимости системы — равенство нулю величины ASmin. Из условия ASmin = 0 выражения для коэффициентов а0, а1( а2, а3, а4, а5 определяются для моментов времени t, и t2.
Тогда величины ак в интересующий момент времени t3 вычисляются по формуле
ак^ = Mi) - 1М2) - Mi)Wi -M /('2 " U- (913)
Таким образом, уравнение профиля оврага в момент времени t3 будет иметь вид
У(М) = a0(t3) + a,(t3)x + а2№2 +
+ a3(t3)x3 + a4(t3)x4 + a5(f3)x5.(9.14)
Рассмотрим прогноз изменения длины главного ствола оврага во времени по изложенной выше методике.
Согласно экспериментальным данным [4] длину оврага / можно представить как функцию, линейно-зависящую от времени:
l = b0+bxt,(9.15)
где Ьп — коэффициент, п = 0,1.
Величины /(7J и ЦЬ^ известны. Следовательно, согласно методу наименьших квадратов, имеем
5 AS _ q dAS — q ^ _ ^i) ~ 7U?) ^ _ Н^гУх ~ Д^М?ю jg\
dbg db](2 — ^2^2 — ^2
Отсюда можно определить длину оврага в момент времени ^U3) = Ьо + bvt3.
Примеры применения пространственно-временной экстраполяции для прогноза развития очага термоэрозии представлены на рис. 9.4, 9.5.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что метод пространственно-временной экстраполяции дает хорошее приближение в случае сохранения в рассматриваемом интервале пространства и времени закономерностей (тенденций) развития очага термоэрозии. Имеющиеся погрешности объясняются изменением закономерностей разви-
Рис. 9.5. Изменение длины главного ствола во времени (экспериментальные данные взяты из работы [2]):
1 — экспериментальная кривая (область 2—3 оврага 15 — 72); 2 — расчетная кривая
тия профиля очага термоэрозии вследствие неоднородности геокриологического строения пород, изменения рельефа местности. Учет указанных факторов, снижающих точность рассматриваемого метода, осуществляют путем сдвига системы координат, уточнения аппроксимации по времени, укрупнения масштаба измерений.
ПРАКТИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДИКИ
Система координат должна быть строго фиксирована в пространстве и во времени; проверка осуществляется при помощи геодезической съемки.
Для выбранного объекта число измерений должно быть фиксировано.
Результаты измерений следует заносить в базу данных.
Пространственно-временная экстраполяция применима лишь в случае сохранения в рассматриваемом интервале пространства и времени закономерностей развития очага термоэрозии. В случае изменения тенденции развития очага следует изменить формулы, аппроксимирующие профиль оврага, в соответствии с наблюдаемыми изменениями.
ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОГО ЛОКАЛЬНОГОПРОГНОЗА ОВРАЖНОЙ ТЕРМОЭРОЗИИ И ОЦЕНКА
ТЕРМОЭРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ
Методика разработана в результате обобщения полевых стационарных исследований динамики оврагообразования на территории Ямбургского ГКМ. Она позволяет получить прогнозные показатели развития овражных систем на основе ограниченных данных полевых исследований.
Исходя из природно-климатических условий Ямбургского ГКМ, можно заключить, что область является одной из наиболее эрозионноопасных в стране. Однако в естественных условиях наблюдается незначительная интенсивность оврагообразования, свидетельствующая о способности природной среды к саморегулированию. При техногенном воздействии на поверхностный слой криолитозоны отмечается катастрофически быстрое развитие термоэрозионных процессов. Ускорение овражной термоэрозии обусловлено совокупным воздействием благоприятствующих природных и техногенных факторов. Причем наблюдается комплексное воздействие различных видов техногенеза, таких как нарушение почвенно-растительного покрова, искусственная денудация грун-
та, растепляющее действие линейных сооружений, искусственные водотоки, искусственная концентрация талых, дождевых и ливневых вод и др.
К основным задачам полевых исследований относятся изучение возникновения, закономерностей и динамики техногенной овражной термоэрозии, оценка опасности оврагооб- разования для эксплуатируемых промысловых сооружений и разработка методов защиты от него.
В результате полевых стационарных исследований овражной термоэрозии на Ямбургском и ранее на Медвежьем месторождениях выявлена внутренняя взаимосвязь возраста оврага и пространственной скорости его развития [37, 38]. При этом характерная зависимость коэффициента годового объемного прироста от времени (см. рис. 8.16, 8.17) соответствует известным представлениям о временном развитии процесса термоэрозии в области ММП [4, 6].
На основе фактической усредненной кривой К^П, характеризующей динамику овражной термоэрозии для Ямбург- ского ГКМ, получены данные для локального количественного прогноза развития оврагов в этом районе [66].
Возраст объекта Т, годы 2345678
Коэффициент годового прироста
объемных нарушений К, % 3701507520211
Для практического локального прогноза конкретных нарушений составляется таблица исходных данных, включающих годы прогноза, возраст объектов на эти годы и соответствующие коэффициенты годового прироста объемных нарушений.
По этим данным и фактическим результатам полевых определений объемов овражных нарушений на год исследований в последовательной цепочке рассчитывается объем разрушений для каждого прогнозируемого оврага и его частей:
V. = Vo + VOKX; V2 = VX + VxK2; V3 = V2 + V2K3; Vx =
= ¥4_Х+УХ_ХКХ,(9.17)
где Vo — объем разрушений объекта на исходный год.
Можно записать приближенно:
^^„[рИ-К,],(9.18)
1=1
где п — количество годов прогнозирования; z — исследуемый год, z = Т.
Рис. 9.6. Динамика объема овражных нарушений для объекта Ne 1:
1 — фактический объем нарушений; 2 — прогнозируемый объем нарушений
Рис. 9.7. Динамика объема овражных нарушений для объекта № 2:
1, 2 — см. рис. 9.6
Рис. 9.8. Динамика объема овражных нарушений для объекта Na 5:
1, 2 - см. рис. 9.6
7 — 908
Соответствующие прогнозные расчеты проведены для ряда оврагов на Ямбургском месторождении и проверены по их реальному развитию. Получена достаточно хорошая сходимость результатов с ошибкой ±10 — 20 % при условии, что прогнозирование производилось для оврагов с возрастом не менее двух лет (рис. 9.6 —9.8).
На рис. 9.9 приведены графики изменения объема разрушений для исследованных объектов месторождения Медвежье (см. табл. 8.5). Динамика V(T) наглядно демонстрирует рост абсолютных значений объема овражных разрушений при значительном снижении коэффициента годового прироста (см. рис. 8.16). Для уменьшения ошибки прогнозирования в связи с возможными колебаниями количества осадков, длительности размывов и др. следует усреднять для исследуемого года объем нарушений предшествующего, исследуемого и последующего годов. Следует отметить, что по данным полевых наблюдений переход оврагообразования из активной стадии в затухающую связан с прекращением прироста длины овражной системы (см. табл. 8.6). Естественным ограничением максимальной длины оврага в основном являются длина склона и базис эрозии, площадь водосбора, энергетические характеристики водотока, связанные с качеством почвеннорастительного покрова при продвижении по склону вершины оврага.
Рис. 9.9. Прогноз динамики овражной термоэрозии для объектов месторождения Медвежье:
1 — объект 9 —4; 2 — объект 9—2; 3 — объект 8 — 5; 4 — объект 7—3; 5 — объект 8 —4 —Б; 6 — объект 7 — 2; 7 — объект 9—1; 8 — объект 8 — 3; 9 - объект 8 — 4 — А
Методика локального количественного прогноза процесса термоэрозии получила название “экспресс-методика. Она предназначена для оценки термоэрозионной опасности и позволяет при определении возраста оврага Т и исходного объема его разрушения на этот возраст VT количественно прогнозировать соответствующий объем на любой год из ближайшего десятилетия. Методика реализует функциональный подход к прогнозированию природных закономерностей.
В целом, сравнивая кривые прогнозирования для Ямбург- ского и Медвежьего месторождений, можно сказать, что развитие процесса овражной термоэрозии во времени имеет общий характер для области ММП севера Западной Сибири. Отличительные особенности при аналогичных факторах техногенеза обусловлены усилением влияния мерзлотного фактора, что приводит к более значительным нарушениям земель криолитозоны термоэрозионным процессом. При освоении арктических территорий с начального этапа обустройства месторождений термоэрозия и оврагообразование будут создавать угрозу экологической безопасности производственным объектам.
Оценка термоэрозионной опасности. При эксплуатации инженерных сооружений и коммуникаций зачастую возникает практическая потребность в разработке мероприятий по управлению овражной термоэрозией. Для составления эффективных противоэрозионных мероприятий необходимо произвести оценку термоэрозионной опасности конкретных участков оврагообразования с учетом прогноза развития основных характеристик термоэрозии.
В основу разработанного метода оценки термоэрозионной опасности положена типизация, с одной стороны, скорости изменения и величины одной из основных характеристик термоэрозии — объема овражных нарушений, а с другой — учет значимости инженерных сооружений, расположенных в непосредственной близости от оврага, по таким характеристикам, как технологическая значимость и балансовая стоимость сооружений.
С этой целью анализируются, с одной стороны, данные локального прогноза развития всех оврагов на нарушенном участке по относительной скорости развития овражной термоэрозии и по объему нарушений (например, за пять последующих лет), а с другой — оценивается опасность для инженерных объектов, попадающих в эту зону (например, по балансовой стоимости и технологической значимости). Типиза-
ция соответствующих характеристик может осуществляться условно в баллах. По суммированию оценок термоэрозионной опасности от роста объемных нарушений и опасности, связанной с инженерными объектами, выделяются классы термоэрозионной опасности от незначительной до катастрофической.
Рассмотрим подробнее метод оценки термоэрозионной опасности для оврагов месторождения Медвежье по результатам многолетних полевых исследований и количественного прогноза их развития. Опасность от роста объемных нарушений за прогнозируемый период и опасность, связанная с инженерными сооружениями, находящимися в зоне развития оврага, оценивались отдельно. Рост объемных нарушений прогнозировался по двум показателям. По абсолютной величине сравнивались прогнозируемые объемы овражных нарушений с выделением градаций через 1000 м3. Анализировалась относительная скорость увеличения за 5 лет объема нарушений с выделением градаций через единицу. В табл. 9.3 приведена типизация характеристик роста объемных нарушений и дана их условная оценка.
Оценка термоэрозионной опасности, связанная с инженерными сооружениями, производилась на основе полевых исследований с учетом технологической значимости стоимости сооружений, близости оврага и количества инженерных сооружений, которым овраг угрожает. Суммирование оценок термоэрозионной опасности от роста объемных нарушений и опасности, связанной с инженерными объектами, для учтенных оврагов месторождения Медвежье показывает разброс значений от 35 до 95 баллов. Анализ результатов полевых исследований и суммарной оценки термоэрозионной
Таблица 9.3
Типизация характеристик роста объемных нарушений
Гра- дация*
Суммарная оценка, баллы
Объем нарушений, :
м3 (числитель) и оценка, iбаллы (знаменатель)
1000/5
2000/5
3000/5
4000/5
5000/5
6000/5
7000/5
8000/5
1,5/5
10
15
20
25
30
35
40
45
2,5/10
15
20
25
30
35
40
45
50
3,5/15
20
25
30
35
40
45
50
55
4,5/20
25
30
35
40
45
50
55
60
5,5/25
30
35
40
45
50
55
60
65
6,5/30
35
40
45
50
55
60
65
70
’В числителе приведена относительная скорость роста объема нару-
шении, в знаменателе
— оценка в баллах.
опасности позволяет дать градацию термоэрозионной опасности от незначительной до катастрофической.
Классы термоэрозионной опасностидля оврагов месторождения Медвежье
Суммарная оценкаопасности, баллыСуммарная оценкаопасности, баллыКласс термо-эрозионнойопасностиКласс термо-эрозионнойопасности35506580953550658095I II III IV VI II III IV VГрадацияНезначительная Умеренная Повышенная Высокая КатастрофическаяГрадацияНезначительная Умеренная Повышенная Высокая Катастрофическая
Суммарная оценкаопасности, баллы
Суммарная оценкаопасности, баллы
Класс термо-эрозионнойопасности
Класс термо-эрозионнойопасности
35
50
65
80
95
35
50
65
80
95
I II III IV V
I II III IV V
Градация
Незначительная Умеренная Повышенная Высокая Катастрофическая
Градация
Незначительная Умеренная Повышенная Высокая Катастрофическая
Наибольшую опасность для газопромысловых сооружений представляют объекты 8 — 5, 9 — 4, 9 — 2, 7 — 3, 7—1, 4—1 —С, относящиеся к IV — V классам термоэрозионной опасности. Для этих объектов необходимо срочно проводить восстановительные работы, так как динамика их развития такова, что будет нанесен максимальный ущерб инженерным сооружениям и коммуникациям, входящим в зону овражной термоэрозии.
Такая оценка позволяет перейти к выбору эффективных методов защиты нарушенной территории от оврагообразова- ния. В целом защита от оврагообразования сводится к научно-техническому обоснованию и составлению схем частных методов защиты для предупреждения, ослабления, исключения термоэрозии или полного восстановления нарушенных оврагами участков.
Следует отметить недостаточную четкость метода в части оценки термоэрозионной опасности, связанной с инженерными сооружениями, которая зависит от опытности исследователя. Однако экспертиза, основанная на экономическом анализе спецификации оборудования газовых промыслов, позволяет устранить указанный недостаток и рассматривать экспресс-методику как экспертный количественный метод или эколого-экономический метод исследования.
Оценка термоэрозионной опасности — важный этап в комплексной методике исследования процесса термоэрозии, конечной целью которой является разработка методов защиты от оврагообразования.
Кратко обобщим результаты. Исследования закономерно-" стей проявления термоэрозии проведены в лабораторных и натурных условиях на стационарных площадках месторождений Медвежье и Ямбургское. По результатам исследований во временном развитии термоэрозии выделены три стадии: активная, переходная и затухания, которые характеризуются
соответственно предельно термоэрозионным, термоэрозионным и эрозионным типом размыва.
Развитие процесса по предельно термоэрозионному типу осуществляется при соблюдении следующих условий: тепловая энергия водотока Ет превосходит его кинетическую энергию Ек, которая должна превышать значение Екр1 (Екр1 характеризует величину физико-химического сцепления оттаявших грунтов). При этом:
предельная интенсивность размыва изменяется от начальной J’ до потенциальной предельной J* в зависимости от теплофизических условий развития процесса и физикохимических свойств размываемых отложений;
значение потенциальной предельной интенсивности размыва определяется физико-химическими свойствами оттаявшего грунта данного состава, его строением и посткриогенной текстурой. Время, необходимое для достижения J*. зависит от теплофизических условий размыва. При малых запасах тепловой энергии в водотоке происходит размыв с незначительной начальной интенсивностью Jq, например при затяжной холодной весне. При достаточных запасах Ет воздействие водотока приводит к катастрофическому размыву мерзлых грунтов с J’, которая для грунтов различного состава, строения, свойств и криогенной текстуры в 10 — 40 раз превышает Jq.
На осваиваемых территориях севера Западной Сибири возникновение овражной термоэрозии обусловлено техногенным воздействием, развитие ее происходит при совокупном действий природных и техногенных факторов. При прочих равных условиях активность процесса определяется масштабами техногенного воздействия. Комплексное влияние различных видов техногенеза проявляется в их взаимоусиле- нии.
Изучено изменение коэффициента годового прироста объема разрушений оврагов во времени в годичных циклах. Определена внутренняя взаимосвязь между годом развития процесса или возрастом оврага и пространственной скоростью его развития для территорий месторождений Медвежье и Ямбургское.
На основе полученных зависимостей К^ предложен метод количественного локального прогноза овражной термоэрозии, показывающий изменение объема вынесенного грунта при временном развитии процесса.
Изучено воздействие процесса термоэрозии на инженерные объекты, попадающие в зону оврагообразования, и
предложен метод оценки термоэрозионной опасности, базирующийся, с одной стороны, на исследовании процесса и его количественном прогнозе, а с другой — на учете значимости инженерных объектов (технологическая, стоимостная), расположенных в опасной зоне. Такая оценка выполнена для оврагов месторождения Медвежье.
Проведенные исследования закономерностей процесса термоэрозии, прогноз его развития, оценка термоэрозионной опасности позволили разработать частные и предложить общие методы защиты от оврагообразования для осваиваемых территорий севера Западной Сибири.
Список литературы к ч. IV
Швецов П.Ф., Коваликов В.П. Физическая геокриология. — М: Наука, 1986. - 177 с.
Коржуев С. С. О естественной эрозии в зоне вечной мерзлоты//Изв. АН СССР. Сер. 5, География. - 1964. - № 3. - С. 23-27.
Стремяков А.Я. Методика изучения эрозии и термоэрозии в области многолетнемерзлых пород//Тр. Центр, ин-та науч, информ, по строительству и архитектуре Госстроя СССР. — Сер. 15, Инженерные изыскания в строительстве. — М., 1976. — Вып. 2(43). — С. 10—14.
Данько В.К. Закономерности развития термоэрозионных процессов в Западной Сибири: Дис. канд. геол.-минерал. наук. — М., 1982. — 249 с.
Лобастова СА. Методы защиты от оврагообразования на Севере Западной Сибири: Дисс. канд. техн. наук. — М., 1990 — 209 с.
Термоэрозия дисперсных пород/Э.Д Ершов, Д.В. Малиновский, Э.З. Кучуков и др. — М.: Изд-во МГУ, 1982. — 193 с.
Кудрявцев ВА., Ершов Э.Д. Принципы управления мерзлотным процессом//Мерзлотные исследования. — М.: Изд-во МГУ, 1969. — Вып. 9. — С. 147-155.
Житков Б.М. Полуостров Ямал//3аписки Рус. геогр. общества по общей географии. — 1913. — Т. 49.
Драницын ДА. О некоторых зональных формах рельефа Крайнего Се- вера//Почвоведение. — 1914. — № 4.
Иванов И.М. Ледяная зона. Физико-географическое описание полярного сектора СССР. — Архангельск: Севкрайгиз, 1933. — 90 с.
И. Толмачев А.И. Предварительный отчет о поездке в низовье Енисея и в прибрежную часть Гыданской тундры летом 1926 г.//Изв. АН СССР. —
Городков Б.Н. Вечная мерзлота в Северном крае//Тр. Совета по изучению произвол, сил АН СССР. Сер. Северная. — Л.: Изд-во АН СССР, 1932. - Вып. 1.
Косов Б.В. Овражная эрозия в зоне тундры//Научн. докл. высш, школы. Геолого-географ. наука. — 1959. — № 1. — С. 15—16.
Трепетцов Е.М. Развитие оврагов Приобья//Почвоведение. — 1958. — № 5. - С. 42.
Любимов Б.П. Типы оврагов и балок в тундре на севере Печерской низменности и Гыданского полуострова//Эрозия почв и русловые процессы. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - Вып. 1. - С. 98-110.
Шаманова И.И. Проявление эрозии в многолетнемерзлых породах на Ямале//Вести Моск, ун-та. — Сер. 5. География. — 1971. — № 2. — С. 13—20.
Главатских В.В., Чистотинов Л.В. Влияние техногенных нарушений на развитие термоэрозионных процессов//Материалы Первой конф, геокриологов России. — М., 1996. — Кн. 1. — С. 456 — 465.
Варламов С.П. Особенности развития термоэрозионных оврагов на склонах межаласий при нарушении поверхностных условий — Там же. — С. 466-473.
Гарагуля Л.С., Гордеева Л.И., Полтев Н.Ф., Смирнов В.В. Развитие инженерно-геологических процессов при строительстве газопроводов в области распространения многолетнемерзлых пород//Мерзлотные исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - Вып. 10. - С. 232-249.
Замолотчикова СА., Чушкина Н.И. Термоэрозия пород в низовьях Енисея//Мерзлотные исследования. — Изд-во МГУ, 1977. — Вып. 16. — С. 78-85.
Пендин В.В., Ганова СД. Экспериментальные исследования сопротивления мерзлых грунтов предельно-термоэрозионному размыву//Материалы первой конф, геокриологов России. — М., 1996. — Кн. 1. — С. 484 — 493.
Экспериментальные исследования термоэрозии на мерзлых суглин- ках/В.К. Данько, Э.З. Кучуков, С.А. Лобастова и др./Тр. ин-та/Центр. ин-т науч, информ, по строительству и архитектуре Госстроя СССР. — Сер 15, Инженерные изыскания в строительстве. — М., 1980. — Вып. 1. — С. 1—3.
Результаты исследования термоэрозии на мерзлых песках/ В.К. Данько, С.А. Лобастова, В.Б. Салагаев и др. — Там же. — С. 4 —5.
Ермолаев М.М. Объяснительная записка к геологической карте северной части СССР. - Л„ 1937. - 270 с.
Суходоровский В.Л. Экзогенное рельефообразование в криолитозоне. - М: Наука, 1979. - 280 с.
Ермилов И.Я. О влиянии вечной мерзлоты на рельеф//Изв. ВГО — 1934. - Т. 6. - Вып. 3. - С. 11-13.
Григорьев Н.Ф. Субарктика. — М.: Географгиз, 1956. - 222 с.
Горбацкий ГВ. Физико-географическое районирование Арктики. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1967. - 136 с.
Каплина Т.Н. Влияние криогенных факторов на процессы развития склонов: Дис. канд. географ, наук — М., 1960. — 306 с.
Суходоровский В.Л. Рельефообразование в перигляциальных условиях (на примере Земли Франца-Иосифа). — М.: Наука, 1967.
Ершов Э.Д., Кучуков Э.З., Малиновский Д.В. Размываемость мерзлых пород и принципы оценки термоэрозионной опасности террито- рии//Вестн. Моск, ун-та. Сер. Геология, 1978, № 3. — С. 67 — 76.
Салагаев В.Б. Физико-математическая интепретация закономерностей термоэрозии мерзлых грунтов: Дис. канд. техн. наук. — 1984. — 211 с.
Железняков Г.В. Гидрометрия. — М.: Колос, 1964. — 303 с.
Латышенков Г.В. Основы гидравлики. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971. — 248 с.
Макогон Ю.Ф., Халиков ГА., Лобастова С А., Салагаев В.Б. Временные рекомендации по предупреждению интенсивного оврагообразования на газовых промыслах Севера. — Уфа. Изд-во БашГу. — 1981. — 32 с.
Лобастова СА. Динамика предельной интенсивности размыва мерзлых дэунтов//Физико-химическая гидродинамика. — Уфа, 1989. — С. 63 — 70.
Лобастова С А., Козлов Н.Е. Разработка экспресс-метода количественного прогноза техногенного оврагообразования//Физико-химическая гидродинамика. — Уфа, 1987. — С. 94—100 с.
Управление овражной термоэрозий в условиях севера Западной Си- бири/С.А. Лобастова, И.Л. Хабибуллин, С.Д. Масалкин//Строительство трубопроводов. — 1989. — № 5. — С. 29 — 31.
Гарагуля Л.С. Методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий на примере равнинных территорий. — М.: Изд-во МГУ, 1985. - 24 с.
Максимова Л.Н. Виды геокриологического прогноза//Мерзлотные исследования - М„ 1979. - Вып. XVIII. - С. 138-143.
Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геокриологических исследованиях. — М.: Изд-во МГУ, 1974. — 431 с.
Фельдман Г.М. Прогноз температурного режима грунтов и развитие криогенных процессов. — Новосибирск, 1977. — С. 191.
Шушерина Е.П. Изменения физико-механических свойств грунтов под воздействием промерзания и последующего оттаивания//Мат VII межвед. совещ. по мерзлотоведению. — М., 1959.
Мирцхулава Ц.Е. Надежность оснований, сложенных из несвязанных грунтов, на размыв//Эрозионные и селевые процессы и борьба с ними. — 1973. - Вып. 2. - С. 89 - 99.
Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях. — М.: Наука, 1985. — 113 с.
Хрусталев Л.Н. Температурный режим вечномерзлых грунтов на застроенной территории. — М., 1971.
Тыртиков А.П. Влияние растительного покрова на промерзание и протаивание грунтов. — М.: Изд-во МГУ, 1969. — 192 с.
Звонков В.В. Водная и ветровая эрозия земли. — М.: Изд-во АН СССР. - 1962. - 175 с.
Халиков ГА. Нелинейная теплогидропроводность горных пород. — Уфа. 1983. - 119 с.
Чеховский А.Л., Скубицкая М.Г., Данько В.К. Аналитический метод оценки эрозионной и термоэрозионной активности//Геоэкология. — 1993. - № 4. - С. 98-103.
Fremond М., Chidonche Н., Poimt N. Fresing of a porous medium with water supply coupledZZStefen problem. — J. Math Anal and Appl. — 1985. — 108. - N 2. - P. 371 -402.
Быстраков Г.В. Эрозионная прочность горных по- род//Геоморфология. — 1977. — № 2. — С. 52 — 55.
Christoffersen J. В., Jonsson J. G. Bet friction and dissipation in a combine! current and wave monionZZOcean End. — 1985. — 12. — N 5. — p. 71—423.
Pasche E., Rouve G. Overbank flow with vegetatively rou-gheneb flood plainsZZHydraut End. - 1985. - 111. - N 9. - P 1262-1278.
Дегтярев В.В. Оценка гидравлического сопротивления русла с учетом критерия подвижности частиц наносов//Повышение эффективности путевых работ в восточных бассейнах. — Новосибирск, 1985. — С. 3 — 8.
Asis N.M., Prasad S.N. Sediments transport in shallow flowsZZHydraul Eng. - 1985. - 111. - N 10. - 1327-1343.
Hanes D.M., Bowen A.I. A granular-fluid model for steady intence bed load transportZZGeophys. Res. — 1985. — N 5. — P. 9149 —9158.
Великанов MA. Динамика русловых потоков. — M.: ГИТТД, 1955. — Т. 2. - 323 с.
Овчарова А.С. Численный метод расчета деформации дна в системах открытых русел и KaHaAoeZZAHHaMHKa сплошной среды. — Новосибирск, 1981. - № 52. - С. 78-87.
Гришанин Н.В. Устойчивость русел, рек и каналов. — Л.: Гидрометео- издат. 1974. — 144 с.
Kikkawa Н., Yawada Т. Transport rate of bed load based on the existence prabability of a sand particle. — Proc. 3, Int. Symp. Stochastic Hydroul. — Tokyo. - 1980. - P. 277-288.
Хабибуллин И.Л. О математическом моделировании процесса термо- эpoзииZZMeжвyз. науч.-техн. программа "Нефтегазовые ресурсы". — М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1994. - С. 190-194.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. — М.: Наука, 1986.— 736 с.
Гришанин Н.В. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 427 с.
Эрозионные процессы/Под ред. Маккавеева Н.И. и Чалова Р.С. — М.: Мысль. 1984. - 255 с.
Колоша В.К., Лобко С.И., Чикова Т.С. Математическая обработка результатов эксперимента. — Минск: Высшая школа, 1982. — 103 с.
Методика мерзлой съемк^Под ред. В.А. Кудрявцева. — М., 1979.
Косов Б.Ф., Никоевская И.И., Зорина Е.Ф. Экспериментальное исследование oвpaгooбpaзoвaнияZZЭкcпepимeнтaльнaя гeoмopфoлoгияZПoд ред. Маккавеева Н.И. — М.: Изд-во МГУ, 1978. — Вып. 3. — С. 113—139.
ЧастьV
РАЗРАБОТКА I ЭНОЛОГИЧЕСКОЕ DbDCBDDAHMEМЕТОДОЙ повышения протмвоэрвзмоннойУСТОЙЧИВОСТИ НЕСВЯЗАННЫХ ГРУИТОО
Глава 10
ПОВЫШЕНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙУСТОЙЧИВОСТИ НЕСВЯЗАННЫХ ГРУНТОВС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕФТЯНОГОСТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЯ УНИВЕРСИНА "В"
ОПТИМИЗИРОВАННЫЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЬ
УНИВЕРСИН “В"
Исследование закономерностей физико-химических и механических свойств твердых тел и дисперсных систем в зависимости от совокупности термодинамических факторов, их состава, структуры и взаимодействия с окружающей средой представляет собой актуальную задачу физико-химической механики, объединяющей достижения молекулярной физики, физической химии поверхностных явлений и механики [1, 2]. Составной частью физико-химической механики является исследование методов упрочнения дисперсионных сред (грунтов). Эти методы заключаются в значительном изменении свойств грунтов после их обработки вяжущими веществами. В полученных таким образом искусственных грунтах наряду с ионно-электростатическими и молекулярными связями образуются кристаллизационные структурные связи [3-7].
Физико-химические методы упрочнения грунтов широко применяются в строительстве, особенно в автодорожном, а также для борьбы с эрозией почв и грунтов [8—12]. С этой целью в качестве вяжущих используются различные химические вещества минерального и органического происхождения или их смеси, которые в определенных количествах вводятся
в грунтовую массу. В составе минеральных структурообразо- вателей грунтов находят применение цементы, известь, гипс, золы уноса, золошлаковые смеси, а также водные растворы хлористых солей кальция, натрия, алюминия и др. К важнейшим компонентам органических структурообразователей грунтов относятся смолы, битумы, сырые нефти. Комплексное применение органоминеральных структурообразователей с добавками поверхностно-активных веществ и полимеров активно исследуется и считается наиболее перспективным [6, 9, 13]. С теоретических и практических позиций обосновано использование тяжелых нефтяных остатков нефтепереработки в качестве органических структурообразователей грунтов [14-17].
Методика исследований. Повышение противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов заключается в направленном физико-химическом и механическом воздействии, которое приводит к совокупному улучшению их прочностных и гидрофобных свойств. Количественным показателем противоэрозионной устойчивости грунта к размыву 7^ является кинетическая энергия водного потока, необходимая для размыва единицы объема исследуемого грунта. Физический смысл величины Rc — это сила сопротивления грунта размыву [18].
Противоэрозионную устойчивость упрочненного грунта гидромеханическому размыву определяли по формуле
(Ю1)
где рв — плотность воды, кг/м3; ц — коэффициент расхода воды через насадку; т — время размыва, с; h — давление воды, м; 1 — глубина размыва, м; to — поперечное сечение отверстия насадки, м2; д — ускорение свободного падения, м/с2.
Методика экспериментального определения показателя R заключается в следующем. Исследуемый образец грунта помещают в цилиндрическую бюксу, уплотняют механическим прессом и взвешивают. Плотность образца рассчитывают по формуле
₽ = 5^. (Ю.2) *гр
где т0 — масса бюксы; т — масса грунта с бюксой; Угр — объем грунта, заполнившего бюксу.
Образец устанавливают под вертикальную струю воды из цилиндрической насадки со = 0,83-10~4м2 при расстоянии между поверхностями 0,13 м и коэффициентом расхода воды ц в пределах 0,8 —1,0. Давление струи воды поддерживается около 0,25 м водного столба. Глубина разрушения 1 фиксируется поршневым измерителем по глубине размыва за время т и для большинства случаев соответствует глубине бюксы 0,019 м. Испытание каждого образца упрочненного грунта проводится в трех повторных опытах. Относительная ошибка метода 3,4 %.
В лабораторных условиях при экспериментальных исследованиях физико-химического упрочнения грунтов испытано действие 23 нефтяных структурообразователей (НС) на мелкий пылеватый песок криолитозоны. Композиции НС получены компаундированием тяжелых нефтяных остатков первичного происхождения — это гудрон арланской нефти, вакуумированный гудрон арланской нефти, и вторичного происхождения — это дистиллятный крекинг-остаток, остаточный крекинг-остаток, вакуумированный крекинг-остаток с нефтяными разжижителями первичного (масляный экстракт фракции 300 — 430 °C) и вторичного (газойлевые фракции) происхождения в соотношении 70:30. Первичное (П) или вторичное (В) происхождение компонентов обусловливает структурные особенности молекул углеводородов, что связано с различной степенью термодеструкции молекул при крекинге нефтяного сырья [19, 20].
Результаты физико-химического анализа исходных компонентов приведены в табл. 10.1. Композиции исследованных структурообразователей, их наименование и групповой углеводородный состав указаны в табл. 10.2. Водно-физические свойства мелкого пылеватого песка криолитозоны — гранулометрический и структурно-агрегатный состав приведены в табл. 10.3.
Образцы искусственно упрочненного грунта приготовляли перемешиванием мелкого пылеватого песка со структурооб- разователем определенной концентрации. Подогрев грунта и структурообразователя на водяной бане до температуры 90 — 100 °C облегчал перемешивание и упрочнение при слабой адгезии НС к минеральным частицам. Образцы выстаивались при нормальных условиях до 30 сут.
Экспериментальные исследования влияния дисперсности грунтов на противоэрозионную устойчивость при его упрочнении оптимальным структурообразователем Б-VI, получившим название универсин "В" [21], проводились следующим
Таблица 10.1
Физико-химические свойства компонентов нефтяных структурообразователей дисперсных грунтов
Компонент
Вязкость условная при 50 и при 100 ‘С
Происхождение
Плотность при 20 "С, кг/м3
Температура, ’С
Групповой углеводородный состав, % (масс.)
вспышки
застывания
Пара- фино- нафте- новые
Ароматические
Смолы
Асфальтены
Легкие
Средние
Тяжелые
ГАН
5,11
П
1016
248
4-42
11,23
6,14
5,21
52,94
16,71
7,77
ВГАН
—
П
—
—
—
11,68
6,99
5,92
42,67
24,25
8,49
ОКО
4,5
В
990
244
4-10
25,62
6,58
7,04
40,63
14,11
6,03
ДКО
—
В
1080
154
4-24
6,90
3,10
10,20
45,10
22,10
12,60
ВКО
—
В
—
—
—.
24,79
9,98
9,66
34,47
16,18
4,92
МЭ
2,03
п
938
164
-4
33,6
22,2
22,0
16,4
5,9
—
лгк
1,15
в
912
78
-24
41,40
12,40
28,40
14,20
3,60
—
лгкк
1,12
В
895
94
-20
33,40
16,40
25,50
11,60
3,10
—
тгк
2,21
в
991
168
4-14
25,94
236
11,16
50,45
10,09
—
тгкк
1,31
в
896
126
-8
61,20
3,68
4,76
24,99
3,37
—
тг
2,31
в
1011
73
-3
14,55
3,81
9,06
56,01
16,57
—
Примечание. ГАН - гудрон арланской нефти; ВГАН -
вакуумированный
ГАН; ОКО — остаточный
крекинг-
остаток; ДКО - дистиллятный крекинг-остаток;
ВКО - вакуумированный крекинг-остаток; МЭ
— масляный экс-
тракт фракции 300 -
-430 ’С; ЛГК — легкий газойль коксования; ЛГКК - легкий газойль каталитического крекинга;
ТГК - тяжелый газойль коксования; ТГКК — тяжелый газойль каталитического крекинга; ТГ — термогазойль.
Таблица 10 2
Характеристика нефтяных структурообразователей и противоэрозионных составов
Тип НС ППС
Компоненты
Проис- хожде- ние ком
понентов
Противоэрозионная устойчивость ППС
название
содержание, %
Снс = 1,3 % (масс )
Время выстойки т, сут
30
11
А 1
ДКО ТГ
70 30
В + В
—
23 570
А-2
ОКО
70 30
В + В
—
9 890
А-3
ГАН ТГ
70 30
П + В
—
12 870
А-4
ДКО ГАН ТГ
6010 30
ВП+ В
—
9 240
А-5
ДКО ГАН ТГ
65 5 30
ВП + В
—
9670
Б-6
ГАН МЭ
70 30
П + П
56 250
33 750
Б-7
ОКО МЭ
70 30
В + П
—
10 440
Б-8
ОКОМЭ
70 30
В + П
—
19 280
Б-9
ОКО ГАН МЭ
6010 30
ВП + В
—
12 670
Б-10
ДКО ГАН МЭ
6010 30
ВП + П
—
11 270
Б-11
ГАН МЭ
70 30
П + П
22 580
—
В-12
вко лгк
70 30
В + В
8260
—
В-13
ВКО АН ЛГК
601030
ВП + В
6 750
—
В-14
ВКО тгк
70 30
в + в
39 940
—
В-15
ВКО ГАН ТГК
6010
ВП + В
26580
—
В-16
вко лгкк
70 30
в + в
2 500
—
В-17
вко
ГАН ЛГКК
6010 30
ВП + вв
11319
—
В-18
вко тгкк
70 30
в + в
12 320
—
В-19
ВКО ГАН ТГК
6010 30
ВП + вв
10100
—
В-20
вко лгк тгк
70 15 15
в + вв
17 860
—
В-21
ВКО ГАН ЛГК тгк
60 1015 15
ВП + вв
14 670
В-22
вко лгкк ТГ кк
70 15 15
в + вв
12070
В-23
ВКО ГАН ЛГК к тгкк
60 101515
ВП + вв
8 930
—
образом. В качестве грунтов были использованы фракции с размерами частиц 0,05+0,01; 0,25+0,01; 0,5+0,25; 1+0,5; 2+1, полученные ситовым методом из мелкого пылеватого песка криолитозоны и крупнозернистого песка аллювиальных отложений. При этом исходные грунты были обработаны структурообразователем постоянной концентрации 1,3% (масс.). Влажность исходных фракций составляла 0 — 1 %. При исследовании физико-химического упрочнения влажных грунтов (W = 0; 5; 10; 15; 20; 25 %) особое внимание уделялось выстойке образцов. Часть образцов выдерживалась в закрытых емкостях в условиях "без испарения" влаги; другая часть была утрамбована до максимальной плотности в металлических кольцах или бюксах, и испарение избыточной влаги происходило при комнатных условиях.
Таблица 10.3
Водно-физические свойства мелкого пылеватого песка
Гранулометрический микроагрегатный состав*, %
Дисперсность частиц, мм
>0,25
0,25—0,05
0,05-0,01
0,01-0,005
0,005 - 0,001
< 0,001
7.30
7,64
88,69
89,44
138
1,76
0.27
0,58
143
0,40
0.93
0,18
* В числителе дан гранулометрический, в знаменателе — микроагрегатный состав.
'* В числителе приведены показатели для сухого состояния, в знаменателе — для мокрого.
Продолжение табл. 10.3
Структурно-агрегатный состав”, %
Примечание
Размеры агрегатов, мм
> 3
3-1
1-0,5
0,5-0,25
< 0,25
0.2
12
0,3
14
1,2
182 14,1
73.7
84,2
Гигроскопическая влажность — 0,1 % (масс.), плотность — 1620 кг/м3, полная влагоемкость — 19,75 % (масс.), общая пористость — 37,21 %
Натурные исследования физико-химического упрочнения проведены в условиях севера Западной Сибири на модельной форме промоины по комплексной методике, включающей определение показателя R, русловый размыв и дождевание. В качестве модели использована траншея длиной 10 м трапециевидного сечения шириной по бровке 0,80 —0,90 м, шириной по днищу 0,25 —0,30 м, глубиной 0,60 —0,80 м с уклоном тальвега 0,12. Экспериментальный участок, расположенный на юго-западном склоне территории, примыкающей к пром- площадке УКПГ-3 месторождения Медвежье, сложен супесчано-суглинистыми отложениями и имеет уклон 0,085 — 0,110.
Первоначально при послойном уплотнении до плотности около 1500 кг/м3 в траншею отсыпали мелкий пылеватый песок мощностью 0,30 м и проводили базовый опыт, по окончании которого траншею досыпали песком до мощности слоя 0,20 м. Поверх песчаной засыпки укладывали упрочненный грунт слоем 0,07 — 0,09 м при плотности около 1350 кг/м3.
Русловый размыв осуществлялся искусственным водотоком с расходом от 2-103 до 3,5-103м3/с скоростью потока до
2 м/с и кинетической энергией до 5,7 Дж/с. Вода подавалась на экспериментальный участок по водоотводу от системы водоснабжения газовых промыслов. На конец водоотводной трубы был надет рукав диаметром 51 мм. Два регулировочных крана и подвижный рукав позволяли изменять энергию водотока. Для направления водотока в исследуемое русло в вершине траншеи было укреплено водоподающее устройство. Дождевание проведено на переносной установке с одной дождевальной головкой, расположенной на высоте 2 м от поверхности и способной орошать в безветренную погоду площадь около 2 м2 с интенсивностью дождя от 50 до 300 мм/мин.
Влияние компонентного состава нефтяных структурооб- разователей. Результаты экспериментальных исследований упрочненного грунта в зависимости от компонентного состава нефтяных структурообразователей представлены в табл. 10.2. Было выполнено свыше 200 опытов. Для опытов серии А общим компонентом в нефтяных структурообразователях был термогазойль, используемый как разжижитель, для серии Б — масляный экстракт фракции 300 — 430 °C. Наиболее обширна серия В, в которой в качестве связующего использован вакуумированный крекинг-остаток. Каждый НС имеет наименование с указанием серии (например, А-1); кроме того, указаны происхождение компонентов по условиям их термокрекирования, противоэрозионная устойчивость искусственных грунтов [20]. Соответствующий углеводородный состав рассчитывался по данным табл. 10.1. Если происхождение отражает структурные особенности молекул углеводородов, то групповой углеводородный состав — их количественные соотношения в нефтяном структурообразователе. Значение противоэрозионной устойчивости Rc пропорционально адгезии НС к частицам мелкого пылеватого песка и когезии внутри НС [13, 22, 23].
Адгезионное взаимодействие в данной системе жидкость — твердое тело определяется количеством смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) и тяжелых ароматических углеводородов, которые адсорбировались на поверхности раздела фаз; когезионное взаимодействие между группами углеводородов при прочих равных условиях (концентрация НС, плотность, время выстойки) зависит обратно пропорционально от количества парафино-нафтеновых, легких и средних углеводородов [24].
Анализ показывает, что для упрочнения грунта первоочередное значение имеет родство компонентов НС по проис-
хождению [25]. Для двухкомпонентного НС можно записать: противоэрозиониая устойчивость £пп > RBB > Рпв вп и при прочих равных условиях не зависит от углеводородного состава НС. Этот вывод объясняется отличиями в структуре молекул нефтяных компонентов первичного и вторичного происхождения [19]. В отличие от молекул первичного происхождения молекулы вторичного сильно деструктированы в процессах термокрекинга, каталитического крекинга. Поэтому молекулы тяжелых нефтяных остатков после деструктивных процессов хорошо растворяются в соответствующих родственных углеводородах вторичного происхождения. Различие структур молекул структурообразователей ВВ и ПП объясняет лучшие адгезионно-когезионные свойства последних. Так, первичные молекулы смол, асфальтенов и тяжелых ароматических углеводородов гудрона арланской нефти наилучшим образом растворяются в парафино-нафтеновых и ароматических углеводородах первичного происхождения (состав Б-6) и обеспечивают наибольшее сцепление минеральных частиц (/?с = 33 700 Н). Изменение структурообразовате- ля по схеме Б-6 —> А-3 или ПП —> ПВ путем замены растворителя первичного происхождения (экстракт) на растворитель вторичного происхождения (термогазойль) резко улучшает углеводородный состав композиции А-3, однако противоэро- зионная устойчивость снижается почти в три раза.
Если рассматривать противоэрозионную устойчивость составов на основе структурообразователей только ПП- или только ВВ-происхождения, то выясняется роль углеводородного состава. В этих случаях всегда увеличение содержания высокомолекулярных соединений нефти и уменьшение легких фракций улучшает качество структурообразователя — адгезионно-когезионное взаимодействие и соответственно повышает противоэрозионную устойчивость упрочненного грунта. Так, вторичные молекулы крекинг-остатка хорошо растворяются в родственных растворителях вторичного происхождения. В этом случае противоэрозионная устойчивость Rc грунта будет определяться углеводородным составом структурообразователя. Сравним, например, А-1 и А-2 или В-14 и В-18, В-12 и В-16, где ухудшение углеводородного состава соответствует уменьшению противоэрозионной устойчивости грунта.
Рассмотрим влияние добавки тяжелого остатка (5 — 10%) вида П (гудрон арланской нефти) в нефтяной структурообра- зователь видов ВВ, ВП (А-4, А-5, Б-9, Б-10, В-13, В-15, В-17, В-19, В-21, В-23). При упрочнении дисперсных грунтов струк-
турообразователями вида ВВ + П добавка П снижает проти- воэрозионную устойчивость при улучшении углеводородного состава (сравним А-1 и А-4, А-1 и А-5, В-12 и В-13, В-14 и В-15, В-18 и В-19, В-20 и В-21, В-22 и В-23). В этом случае добавка П не соответствует по происхождению растворителю вида В (газойлевые фракции), плохо растворяется, и нефтяной структурообразователь, несмотря на улучшение углеводородного состава, ухудшает свои адгезионно-когезионные свойства вследствие уменьшения активно действующего количества вяжущего вещества.
При упрочнении грунта структурообразователем вида ВП + 4- П, где добавка П представлена гудроном арланской нефти и соответствует по происхождению использованному растворителю, получены данные, которые не позволяют сделать однозначного вывода (Б-7 и Б-10, Б-8 и Б-9). По-видимому, структуры молекул остаточного крекинг-остатка занимают промежуточное положение между остатками первичного и вторичного происхождения. Поэтому введение 10 % гудрона арланской нефти в состав НС улучшает качество структуро- образователя как по углеводородному составу, так и по про- тивоэрозионной устойчивости.
Следовательно, влияние добавки тяжелого остатка неоднозначно. Для однородных по происхождению компонентов структурообразователя (видов ВВ, ПП) добавка повышает противоэрозионную устойчивость упрочненного грунта в том случае, если улучшает углеводородный состав и соответствует по происхождению остальным компонентам. Для разнородных по происхождению компонентов нефтяного структурообразователя (видов ВП, ПВ) добавка повышает Л, если она улучшает углеводородный состав и соответствует по происхождению растворителю. Добавка гудрона арланской нефти к составам серии В улучшает углеводородный состав во всех случаях, но, поскольку она не соответствует по происхождению растворителю, наблюдается снижение качества структурообразователя и соответственно К (например, В-12 и В-13, В-14 и В-15, В-18 и В-19).
На рис. 10.1 приведена диаграмма противоэрозионной устойчивости искусственных грунтов, полученных на основе структурообразователей вида ВВ при изменении углеводородного состава растворителя. В качестве растворителей вторичного происхождения использованы тяжелый газойль коксования, легкий газойль коксования и их смесь в соотношении 1:1, а также тяжелый газойль каталитического крекинга и легкий газойль каталитического крекинга и их смесь 1:1.
I I-/ EZ3-2 I — I-3
Рис. 10.1. Диаграмма противоэрозионной устойчивости и углеводородного состава растворителя для противоэрозионных составов на основе вакуумированного крекинг-остатка:
— содержание парафино-нафтеновых, легких и средних углеводородов С, % (масс ), 2 — содержание тяжелых углеводородов, смол и асфальтенов
С, % (масс), 3 — противоэрозионная устойчивость состава R 103 Н
Суммарное уменьшение в структурообразователей парафинонафтеновых, легких и средних ароматических углеводородов увеличивает R упрочненного грунта.
Рассмотрим результаты исследований для составов Б-6 и Б-11, отличающихся только тем, что в последнем также используются гудрон арланской нефти, но после вакуумирования. Химический анализ структурообразователей показывает их существенное отличие по содержанию тяжелых ароматических углеводородов: уменьшение этой группы углеводородов с 42,0 до 34,8 % (масс.), несмотря на увеличение смолистоасфальтеновых веществ, снизило упрочнение грунта с 56 250
до 22 580 Н. Весьма активной группой углеводородов, влияющей на адгезионное взаимодействие, являются тяжелые ароматические углеводороды.
Таким образом, для повышения противоэрозионной устойчивости первоочередное значение имеет родство компонентов нефтяного структурообразователя по происхождению. При соответствии происхождения компонентов противоэрозион- ная устойчивость зависит от углеводородного содержания структурообразователя. Если увеличивается количество высокомолекулярных соединений и уменьшается количество легких фракций, то улучшается состав структурообразователя.
Практическим результатом проведенных исследований является разработка оптимального нефтяного структурообразователя дисперсных грунтов универсина "В" [21].
На универсин “В" разработаны технические условия. По заключениям о пожарных и токсичных свойствах универсин “В" относится к продуктам IV класса и считается малоопасным и малотоксичным соединением. Это горючее вещество, имеющее температуру воспламенения 209 °C и температуру самовоспламенения 303 °C. Температурные пределы взрываемости паров: нижний 100 °C, верхний 180 °C. Основные физические свойства универсина “В" приведены ниже.
Плотность, кг/м3
955—970
Вязкость условная (при 50 °C) Температура застывания, °C,
15-25
не выше
Температура вспышки, °C,
15
не ниже
150
Содержание влаги, % (масс )
Содержание механических приме
Не более 0,1
сей, % (масс )
Не более 0,3
10.2. РАЗРАБОТКА ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ УНИВЕРСИНА “В"
Исследовано влияние нефтяного структурообразователя в зависимости от времени выстойки на противоэрозионную устойчивость мелкого пылеватого песка для составов А-1, А-2, В-12, В-13, Б-б. Для Б-б, А-1 и А-2 время выстойки изменялось в интервале 0 < т < 240 ч. Для Б-б, В-1 и В-2 — в интервале 0 < т< 720 ч [7, 25].
Зависимость R^ показывает, что структурирование дисперсного грунта является длительным процессом, в течение которого значение противоэрозионной устойчивости непрерывно меняется в интервале 0 < т < 420 и достигает максимального значения через ЗОсут (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Влияние времени выстойки упрочненного грунта на противоэрози- онную устойчивость (Снс = 1,3 % масс. - универсин “В"-р = 1450-1500 кг/м3;IV = 0-1 %)Рис. 10.2. Влияние времени выстойки упрочненного грунта на противоэрози- онную устойчивость (Снс = 1,3 % масс. - универсин “В"-р = 1450-1500 кг/м3;IV = 0-1 %)Рис. 10.3. Влияние концентрации нефтяного структу- рообразователя универсина “В" на противоэрозионную устойчивость (р = 1240 кг/м3;
Рис. 10.2. Влияние времени выстойки упрочненного грунта на противоэрози- онную устойчивость (Снс = 1,3 % масс. - универсин “В"-р = 1450-1500 кг/м3;
IV = 0-1 %)
Рис. 10.2. Влияние времени выстойки упрочненного грунта на противоэрози- онную устойчивость (Снс = 1,3 % масс. - универсин “В"-р = 1450-1500 кг/м3;
IV = 0-1 %)
т= 17 сут; Ж=0-1 %)
Например, в этом интервале для состава Б-б (универсин “В") противоэрозионная устойчивость меняется от 101 250 до 33 750 Н, для Б-12 - от 61 870 до 7 790 Н, для В-13 - от 61 870 до 7 000 Н. Пульсации имеют затухающий характер и практически переходят в прямую при т > 720 ч.
Таким образом, повышение противоэрозионной устойчивости дисперсного грунта — длительный процесс, который в основном заканчивается через 30 сут после приготовления.
Отметим, что цементогрунты набирают прочность в среднем за 28 сут [5, 9].
Исследовано влияние концентрации Снс универсина “В" на противоэрозионную устойчивость при плотности состава 1 240 кг/м3 и выстойке 17 сут. Концентрация НС в грунте изменялась от 0 до 8 % (масс.), значение Rc упрочненного грунта составляло 18-5-133 080 Н. Зависимость Rc (СНс) приведена на рис. 10.3. На первом этапе при увеличении количества струк- турообразователя в грунте от 0 до 1,3% (масс.) противоэро- зионная устойчивость увеличилась от 18 до 443 Н. На втором этапе увеличение концентрации НС на 0,2 % (от 1,3 до 1,5% по массе) приводит к возрастанию противоэрозионной устойчивости в 20 раз. Дальнейшее увеличение количества структурообразователя до 4 % (масс.) сопровождается активным возрастанием противоэрозионной устойчивости до 133 080 Н. Однако увеличение концентрации НС до 8 % (масс.) приводит к уменьшению противоэрозионной устойчивости грунта до 9 800 Н. Выявлена четкая зависимость Rc упрочненного грунта от концентрации НС. Для практического использования максимальный эффект упрочнения (133 000 Н) при плотности грунта 1 240 кг/м3 достигается при концентрации НС 4% (масс.). Дальнейшее увеличение количества структурообразователя в грунте не только не экономично, но и снижает упрочнение.
Исследовано влияние плотности упрочненного грунта НС на противоэрозионную устойчивость при Снс 4 % (масс.) и времени выстойки 17 сут. Зависимость Я(р) приведена на рис. 10.4 и в интервале 1 300^-1 450 кг/м3 имеет линейный характер. Механическое уплотнение грунта способствует сближению дисперсных частиц и увеличению адгезионно-
Рис. 10.4. Влияние плотности упрочненного грунта на противоэрозионную устойчивость (Qc = 1,3 %) (масс.) - универсин "В";
т= 17 сут; ^=0-1 %)
когезионного взаимодействия в системе структурообразова- тель — грунт. При исследовании концентрации НС максимальное значение R = 105 000 Н достигается при плотности около 1 500 кг/м3. Дальнейшее уплотнение практически перестает влиять на противоэрозионную устойчивость грунта.
Зависимость противоэрозионной устойчивости от дисперсности грунта исследована для исходных несвязанных песчаных фракций, естественных грунтов ненарушенного сложения [18] и несвязанных песчаных фракций, обработанных универсином “В" (рис. 10.5). Полученные зависимости имеют экстремальный характер с минимумом в области дисперсных минеральных частиц 0,35 —0,75 мм и весьма значительно отличаются по значению Rc. Для грунтов фракции 0,05 — 0,1 мм противоэрозионная устойчивость изменяется от 20 до 15 000 Н в зависимости от нарушенности, при упрочнении универсином "В" — до 33 000 Н.
Противоэрозионная устойчивость песчаных частиц практически нулевой влажности определяется аутогезией твердых частиц, зависящей от удельной поверхности взаимодействия, и гравитационными эффектами. Поскольку удельная поверхность возрастает с уменьшением дисперсности, а гравитационные силы — с увеличением массы и, следовательно, с уменьшением поверхности частиц, то в зависимости от соотношения поверхностных и гравитационных сил изменяется аутогезионное взаимодействие. Это определяет экстремальный характер зависимости.
Рис. 10.5. Зависимость противоэрозионной устойчивости грунтов от дисперсности:
— исходные несвязанные грунты, W = 0-1 %; 2 - естественные грунты ненарушенного сложения; 3 — несвязанные грунты при W = = 0 — 1 %, при концентрации унийерсина “В" 1,3 % (масс.); р = = 1320 кг/м^
Для ненарушенного грунта естественной влажности проти- воэрозионная устойчивость определяется не только аутогези- ей твердых частиц, но и адгезионно-когезионным взаимодействием на границе твердая поверхность — тонкие водносолевые пленки, роль которого особенно возрастает с увеличением удельной поверхности минеральных частиц. Это обусловливает значительное повышение R грунтов ненарушенного сложения по сравнению с несвязанными фракциями при сохранении общего характера зависимости от дисперсности.
Противоэрозионная устойчивость несвязанных грунтов практически нулевой влажности, обработанных универсином "В", определяется в основном адгезионно-когезионным взаимодействием на границе твердая поверхность — тонкие углеводородные пленки, зависящим от ряда факторов, причем в особой степени от дисперсности минеральных частиц. Зависимость R от дисперсности для упрочненного грунта сохраняет общий характер при значительном увеличении величины R в исследованном интервале дисперсности.
Следует отметить, что для исследованных грунтов противоэрозионная устойчивость начинает заметно повышаться при d < 0,25 мм. Мелкий пылеватый песок криолитозоны содержит фракции 0,25-Ю,05 мм в количестве до 89 %, а фракции < 0,05 мм — в суммарном количестве 4% (см. табл. 10.3). По другим данным, такой песок содержит фракции 0,25 — 0,05 мм в количестве 46,3+91,3%, а фракции < 0,05 мм — от 44,1 до 8,4 %. Мелкий пылеватый песок широко распространен на севере Западной Сибири и используется в качестве строительного грунта для отсыпки промышленных площадок, засыпки выемок и оврагов, при возведении насыпей дорожного полотна и т.п. По своему дисперсному составу он является оптимальным для получения искусственных грунтов повышенной устойчивости к размыву.
Исследовалось влияние влажности исходного мелкого пылеватого песка на его упрочнение структурообразователем универсином “В” в зависимости от концентрации структуро- образователя и условий выстойки образцов. Результаты экспериментального определения противоэрозионной устойчивости приведены на рис. 10.6, а, б. Для образцов, выдержанных в условиях без испарений влаги при W > 10 % и Снс = 3 и 4% (масс.), противоэрозионная устойчивость очень мала (2 — 3 Н) и сравнима с противоэрозионной устойчивостью исходных грунтов (6 —8 Н). То же самое наблюдается при W > 10 % и Снс = 1,3% (масс.). Наибольшее значение противоэрози-
a
In R
Рис. 10.6. Зависимость противоэрозионной устойчивости от влажности упрочняемого грунта при различных концентрациях нефтяного структурооб- разователя:
а — в условиях без испарения влаги, б — в условиях с испарением влаги; т = 30 сут; 1 — Снс = 1,3 % (масс.); 2 — Снс = 3 % (масс.); 3 — Снс = 4 % (масс.)
онной устойчивости получено при W = 5 % и Снс = 3 % (масс.) и составляет 2,6-105Н.
Для образцов, выдержанных в комнатных условиях, с ростом влажности противоэрозионная устойчивость резко увеличивается в интервале влажности от 0 до 5 % с величины 4,8104 до 1,3-105Н для всех концентраций нефтяного структу- рообразователя, и при концентрации в интервале 1,3 и 3 % (масс.) имеет максимальное значение около 2,106 Н. Сравнивая результаты, представленные на рис. 10.6, а, б, можно подчеркнуть, что если при влажности 5 % противоэрозионная устойчивость упрочненного грунта, выдержанного в течение
30 сут в комнатных условиях, в 7 раз больше, чем при выстойке во влажной среде, то при влажности свыше 10 % это различие составляет почти 106 раз.
Для того чтобы избежать необходимости длительной выстойки упрочняемого грунта в благоприятных условиях испарения влаги и повысить его противоэрозионную устойчивость, проведены дополнительные эксперименты по физико- химическому упрочнению с применением комплексного структурообразователя, включающего универсин “В" в концентрациях 1,3 — 4% (масс.) и цемент М 300 в концентрациях до 6 % (масс.). Выполнены подробные исследования с математическим планированием эксперимента в широком интервале варьирования Снс, Сц, W и количества циклов промерзания- протаивания [31]. Полученные результаты показывают, что добавка цемента в количестве более 2 % (масс.) при W > 10 % положительно влияет на противоэрозионную устойчивость грунтов, обработанных структурообразователем, которая достигает очень высоких значений: при концентрации цемента 6% (масс.), Снс = 1,3% (масс.), W = 20 % и выстойке 30 сут R составляет не менее 2,2-106 Н.
Результаты экспериментов позволяют выбирать технологию физико-химического повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов криолитозоны в зависимости от климатических особенностей. Так, в дождливый холодный период обработка грунтов W < 8 % нефтяным структурообразователем Снс = 3 % (масс.) должна производиться на асфальтосмесительной установке. При относительно благоприятных погодных условиях может применяться технология упрочнения грунтов дорожной фрезой или автогрейдером. Более подробно указанные технологии рассмотрены в разд. 5.4.
Экспериментальные исследования применения нефтяных структурообразователей для повышения устойчивости несвязанных дисперсных грунтов привели к разработке искусственных грунтов — профилактических противоэрозионных составов [26 — 30].
Физико-механические свойства профилактических противоэрозионных составов (ППС) типов А [29] и В [30], наиболее широко применяемых на практике, приведены в табл. 10.4. На практике ППС типа А получают путем тщательного перемешивания 2 — 4% универсина “В" с мелким пылеватым песком до однородного состава; приготовление ППС типа В отличается добавкой цемента в количестве 2 — 6 % (масс.) и увлажнением грунта до 10 —15 %.
Таблица 10.1
Физико-химические свойства компонентов
Тип состава
Компонент
Содержание компонента С, % (масс.)
Влажность компонента W, %
Плотность ППС р, кг/м5
Противо- эрозионная устойчивость при т = = 30 сут, Н
А
Гудрон арлан- ской нефти Масляный экстракт Мелкий пылеватый песок
0,9-2,8
0,4-1,2
96,0 -98,7
0
0
0-5
1500-1600
I.SIO5^ + 1,8106
А
Гудрон арлан- ской нефти Масляный экстракт Мелкий пылеватый песок
0,9-2,8
0,4-1,2
96,0-98,7
0
0
10-25
1700 - 2000
Выстойка с испарением влаги 0,7.10^* + 1.8106
А
Гудрон арлан- ской нефти Масляный экстракт Мелкий пылеватый песок
0,9-2,8
0,4-1,2
96,0 - 98,7
0
0
10-25
1800-2000
Выстойка без испарения влаги 5:1
В
Гудрон арлан- ской нефти Масляный экстракт Цемент Мелкий пылеватый песок
0,9-2,8
0,4-1,2
4-6 остальное
0
0
0 10-20
2000-2200
> 2,2-10б (прочность на сжатие 1,2-2,0 МПа)
Результаты натурных испытаний оптимального профилактического противоэрозионного состава типа А и последующие наблюдения за экспериментальной площадкой показали высокую устойчивость покрытия из ППС к действию климатических и атмосферных факторов: разрушения ППС и размыва экспериментальной траншеи, расположенной на склоновом участке с концентрацией естественных водотоков, не обнаружено. „На объектах ООО “Ямбурггаздобыча" и ООО "Надымгазпром" успешно проведены опытно-промышленные испытания профилактических противоэрозионных составов.
Динамическая модель повышения противоэрозионной устойчивости дисперсных грунтов. Экспериментальные закономерности Я(т, Снс, р, d) повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов проанализированы на основе достижений физико-химической механики дисперсных систем и физики поверхностных явлений
[1, 23, 31—34]. Получена следующая интерпретация результатов [7].
Повышение противоэрозионной устойчивости в профилактических противоэрозионных составах является макроскопической характеристикой адгезионно-когезионного взаимодействия компонентов состава на основе весьма сложных физико-химических процессов в системе грунт — нефтяной структурообразователь. Эти процессы группируются по разным уровням: макроскопические, микроскопические и молекулярные.
На макроскопическом уровне в системе грунт — НС происходит смачивание жидкой фазой поверхности твердых частиц: гидрофобизация поверхности, коагуляционное сцепление частиц грунта за счет адгезионно-когезионного взаимодействия. Изменение макроскопических характеристик обусловливает микропроцессы, развивающиеся в поровом пространстве системы: образование углеводородных пленок (УВП); гетерокоагуляцию УВП на монослои; образование граничного слоя углеводородов, прочно связанного с поверхностью твердой частицы; образование объемного слоя углеводородов, структурно связанного с поверхностью твердой частицы.
В граничном и объемном слое углеводородной пленки происходят молекулярные процессы: взаимодействие молекул углеводородов с молекулами твердых частиц и молекул углеводородов между собой; диффузия молекул углеводородов к ориентирующей твердой поверхности, вытеснение молекул воды с твердой поверхности; конкурентная адсорбция молекул углеводородов в объемном и граничном слоях; хемосорбция поверхностно-активных веществ на активных центрах твердых частиц.
Углеводородная пленка — сложная система, расслаивающаяся в поровом пространстве твердой фазы на монослои (гетерокоагуляция) под влиянием ориентирующего действия поверхности; следует ожидать избирательного отложения компонентов в граничном слое по степени снижения и адсорбционного потенциала [34]. Исследование кинетики углеводородов в граничном и объемном слое нефтяной системы показали, что адсорбция компонентов вязких углеводородных систем на поверхности металла имеет конкурентный характер и является длительным процессом, который при температуре 20 °C заканчивается через 16 — 20 сут выстойки [15]. В начале контакта на активных центрах поверхности закрепляются низкомолекулярные углеводороды, скорость диффузии которых к поверхности относительно высока. В
течение первых 5— Юсут с твердой поверхности вытесняются парафино-нафтеновые, содержание которых в граничном слое понижается с 37,5 до 4 % (масс.), и ароматические углеводороды — с 53 до 8 % (масс.). Эти углеводороды вытесняются смолами и асфальтенами. Через 5 сут контакта уменьшается содержание смол в граничном слое — они вытесняются асфальтенами. Установлен также конкурентный характер адсорбции и определено время установления адсорбционного равновесия для разбавленных растворов тяжелых нефтяных остатков — 24 —60 ч [35].
Изменение расположения монослоев УВП между элементарными участками поверхности i, j показано на рис. 10.7. В зависимости от времени контакта т выделено семь временных интервалов — этапов установления адсорбционного равновесия.
В начальный момент распределения монослоев УВП парафино-нафтеновые и легкие ароматические углеводороды концентрируются преимущественно в граничном слое, средние ароматические углеводороды — в объемном слое, тяжелые углеводороды, смолы и асфальтены — в области скольжения. В результате диффузии монослоя средних ароматических углеводородов к твердой поверхности нарушаются структурные свойства граничного и объемного слоев, адгезионное взаимодействие с момента Tj уменьшается, когезионное взаимодействие в области скольжения не изменяется. К моменту времени т2 (начало второго этапа) адсорбционное равновесие в поменявшихся местами монослоях восстанавливается, возрастает адгезионно-когезионное взаимодействие. Однако при т2 = т3 адсорбционное равновесие объемного слоя нарушается вследствие диффузии к поверхности монослоя тяжелых ароматических углеводородов и вытеснения в плоскость скольжения монослоя парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов, уменьшается адгезионнокогезионное взаимодействие. Следующие этапы выстойки характеризуются диффузией монослоев смол и асфальтенов в объемную и граничную область и аналогичными изменениями адгезионно-когезионного взаимодействия. Конечное взаимодействие определяется суммой 2AJ + Кц, которая меньше 2Д° + К°, так как в области тангенциального сдвига располагаются склонные к скольжению монослои парафинонафтеновых и легких ароматических углеводородов.
Согласно электрокинетической теории адсорбции при равновесии наблюдается изменение потенциала с расстоянием
Рис. 10.7. Динамическая модель повышения противоэрозионной устойчивости дисперсных грунтов:
/ — поверхность взаимодействия частиц; 2 - парафино-нафтеновые и легкие углеводороды; 3 — средние углеводороды; 4 - тяжелые углеводороды; 5 — слоисто-асфальтеновые вещества
вблизи твердой поверхности с прилегающим слоем потенци- алопределяющих ионов [33], показанное на рис. 10.8, а. В углеводородной пленке потенциалопределяющими ионами являются заряженные молекулы смол и асфальтенов. По данным М.Л. Мархасина [36], заряд асфальтенов весьма велик и колеблется в пределах 77-10-1!М56-10~19 Кл.
В углеводородной пленке, ограниченной твердыми поверхностями с двух сторон, имеет место наложение потенциалоп- ределяющих слоев (рис. 10.8, б). При наложении толщины УВП в интервале НЦ1 < d < hij2 сцепление поверхностей / и j за счет поверхностной и структурной упорядоченности монослоев углеводородов максимально. При d < hijX происходит ослабление взаимодействия вследствие неполного занятия активных центров потенциалопределяющими ионами УВП. При d > hijX прочность УВП падает в области скольжения. По данным большинства авторов, для УВП оптимальная толщина d составляет 3,5—10мм. Если размеры мицелл асфальтенов колеблются в пределах 5—15нм [33], то в такой УВП может разместиться около 1000 слоев асфальтенов.
Для микроскопической характеристики физико-химического процесса упрочнения Rc можно записать:
Рис. 10.8. Изменение потенциала с расстоянием вблизи твердой поверхности с одной (а) и двумя (6) стенками:i, j — поверхность взаимодействия; у0 — потенциал поверхности; уд — потенциал диффузионного слоя; £ — потенциал плоскости скольжения; 1 — потенциалопределяющий слой; 2 ~ слой Штерна; 3 — диффузионный слой, соответствует объемному слою; 4 — область скольженияРис. 10.8. Изменение потенциала с расстоянием вблизи твердой поверхности с одной (а) и двумя (6) стенками:i, j — поверхность взаимодействия; у0 — потенциал поверхности; уд — потенциал диффузионного слоя; £ — потенциал плоскости скольжения; 1 — потенциалопределяющий слой; 2 ~ слой Штерна; 3 — диффузионный слой, соответствует объемному слою; 4 — область скольжения
Рис. 10.8. Изменение потенциала с расстоянием вблизи твердой поверхности с одной (а) и двумя (6) стенками:
i, j — поверхность взаимодействия; у0 — потенциал поверхности; уд — потенциал диффузионного слоя; £ — потенциал плоскости скольжения; 1 — потенциалопределяющий слой; 2 ~ слой Штерна; 3 — диффузионный слой, соответствует объемному слою; 4 — область скольжения
Рис. 10.8. Изменение потенциала с расстоянием вблизи твердой поверхности с одной (а) и двумя (6) стенками:
i, j — поверхность взаимодействия; у0 — потенциал поверхности; уд — потенциал диффузионного слоя; £ — потенциал плоскости скольжения; 1 — потенциалопределяющий слой; 2 ~ слой Штерна; 3 — диффузионный слой, соответствует объемному слою; 4 — область скольжения
R = J^, (10.1)
где A^ — полное адгезионно-когезионное взаимодействие единицы объема сухого упрочненного грунта.
А„ = Е[2А„ + Кц - Z(d„)J. (10.2)
Здесь Ач и Ку — функции состава углеводородной пленки, поверхности элементарного взаимодействия, времени взаимодействия и степени уплотнения; Z^d^ — функция количества нефтяного структурообразователя и поверхности элементарного взазимодействия.
Тогда противоэрозионная устойчивость R определяется составом углеводородной пленки, площадью внешней удельной поверхности грунтовых частиц F, временем взаимодействия т, степенью уплотнения р и концентрацией нефтяного структурообразователя Снс.
При упрочнении мелкого пылеватого песка ^F = const) Rc = f (состав УВП, р, т, Снс). Повышение его противоэрози- онной устойчивости — длительный и сложный процесс, отражающий характер установления адсорбционного равновесия в системе, что подтверждается данными экспериментов (см. рис. 10.2).
Для анализа экспериментальной зависимости противоэро- зионной устойчивости грунта от концентрации нефтяного структурообразователя рассчитаем толщину углеводородной пленки d между частицами мелкого пылеватого песка при различных Снс.
Пусть масса песка М = 0,750 кг, площадь удельной поверхности f = 0,071 м2/г, плотность — 1 500 кг/м3, влажность — 0—1 %. При заданных Снс = 1,0; 1,3; 4,0; 6,0 % (масс.) соответствующие значения массы нефтяного структурообразователя для обработки песка составят 0,0075; 0,010; 0,030; 0,045; 0,060 кг. Массу ткс рассчитывают по формуле [34]
тнс = Г/100^р. (10.3)
Площадь внешней удельной поверхности песка F = fM, где F/100 — коэффициент активного адсорбционного воздействия; d — толщина углеводородной пленки (УВП), мкм.
(Ю.4)(Ю.4)d - 2 тнсF/100 Мр
(Ю.4)
(Ю.4)
Результаты расчетов толщины УВП, соответствующие ука-
занным условиям, приведены в табл. 10.6 и сопоставлены с результатами экспериментальных определений противоэро- зионной устойчивости в зависимости от Снс.
Таким образом, концентрации нефтяного структурообра- зователя в грунте в интервале 1,3 —4,0 % (масс.) обеспечивают установление прочных коагуляционных связей при оптимальном расходе нефтепродуктов. При этом толщина УВП изменяется в пределах 3,4—10,1 мкм, что, по данным литературных источников, соответствует прочно связанному состоянию углеводородов с поверхностью. При увеличении концентрации до 6 % (масс.) толщина УВП возрастает до 15,2 мкм. Это уменьшает когезионное взаимодействие в области скольжения и приводит к ослаблению коагуляционных связей. При уплотнении противоэрозионного состава коагуляционная структура упрочняется в результате уменьшения объема пор и усиления межпленочного взаимодействия.
Оптимальные свойства универсина “В" по сравнению с остальными исследованными нефтяными структурообразовате- лями объясняются высокой поверхностной активностью асфальтенов гудрона арланской нефти, содержащих в значительных количествах металл-порфириновые комплексы ванадия и никеля [36]. Они способны вступать в хемосорбцион- ное взаимодействие с молекулами твердой поверхности за чет ковалентных связей с ионами металлов в окисных пленках минеральных частиц. Металл-порфириновые комплексы увеличивают потенциал ионов-асфальтенов. Кроме того, масляный экстракт фракции 300 — 430 °C, используемый в качестве разжижителя, является наилучшей дисперсионной средой для гудрона арланской нефти, обеспечивающей высокую степень дисперсности асфальтенов и создающей благоприятные условия для проявления поверхностной активности асфальтенов.
Рассмотрим систему грунт — вода — нефтяной структу- рообразователь. Известно, что для грунта существует опти-
Таблица 10.6
Результаты расчетов и экспериментальные значения противоэрозионной устойчивости для оптимального профилактического состава
Снс, %* мае.
d, мкм
R, Н
Характер состояния ППС
0
0
20
Несвязанность
1,0
2,6
12 000
Упрочнение
1,3
3,4
27 000
Повышение упрочнения
4,0
10,1
104000
Максимальное упрочнение
6,0
15,2
34000
Уменьшение упрочнения
8,0
20,2
10000
мальная концентрация воды, при которой его прочность благодаря образованию коагуляционных связей в микроагрегатах резко увеличивается. Природа коагуляционных связей имеет физико-химическое происхождение. Это адгезионно-когезионное взаимодействие тонких водных пленок с поверхностью минеральных частиц и химическое взаимодействие обменных катионов водных растворов и данного вида грунта. Наиболее активными обменными катионами мелких пылеватых частиц криолитозоны являются К + , Na+, Са+ + , Мд+ + . При увеличении влажности грунта выше оптимальной возрастает толщина водных пленок, а структурное взаимодействие в толстых пленках ослабевает до полного разупрочнения частиц грунта.
В системе грунт — вода — НС коагуляционная структура образуется в результате взаимодополняющего взаимодействия УВП и водно-солевых пленок с грунтом при двух типах коагуляционных связей: микроагрегатов естественного грунта (порядок Янс ~ 1 500 Н) и упрочненного грунта (порядок Rc ~ 33 000 Н). Однако при оптимальной влажности грунта 5 % и оптимальном количестве НС 1,3 — 4% (масс.) в результате синергизма противоэрозионная устойчивость возрастает до 2106Н. При увеличении влажности выше оптимальной нарушается механизм образования адгезионно-когезионного воздействия как в системе УВП — грунт, так и в системе ВСП — грунт. В итоге поверхность грунта не гидрофобизируется, затрудняется образование коагуляционной структуры УВП — грунт и разрушается структура микроагрегатов естественного грунта.
В многокомпонентной системе грунт — вода — нефтяной структурообразователь — цемент в процессе структурообра- зования создается сложная двойная структура: кристаллизационная — в местах преобладания продуктов гидролиза и гидратации цемента и коагуляционная — в местах скопления углеводородных пленок универсина “В". Наложение основных подструктур характеризуется синергетическим эффектом усиливающих взаимодействий: резко повышается противоэрозионная устойчивость, а также прочность грунта. Внесение нефтяного структурообразователя обеспечивает ги- дрофобизацию поверхностей такого профилактического про- тивоэрозионного состава за счет смолисто-асфальтеновых веществ. Гидрофобные углеводородные пленки не пропускают молекулы воды из внешней среды к местам контакта минеральных частиц. Это повышает морозостойкость и водостойкость упрочненного таким образом грунта по сравнению с обычным цементогрунтом.
10.3. ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО ПРОТИВОЭРОЗИОННОГОСОСТАВА НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОДСТИЛАЮЩИХ ГРУНТОВ
Влияние профилактического противоэрозионного состава на температурный режим подстилающих грунтов изучалось на модели в лабораторных условиях [28]. Для моделирования кондуктивного теплообмена использовали кювету размером 0,50x0,40x0,30 м3, выполненную из пенопласта, с толщиной стенок 0,04 м с целью исключения граничных искажений температурного поля. Кювета разделена пенопластовой перегородкой 0,04 м пополам; каждую секцию заполняли мелким пылеватым песком, который уплотняли до плотности около 1 500 кг/м3 при пористости 41 %.
Первый участок поверхности грунта служил контрольным, второй покрывали ППС слоем 0,03 м. Термический эффект такого противоэрозионного покрытия определяли по разнице температур грунта на одной и той же глубине мульчированного и открытого участка [37]. Для измерения температуры на каждом участке устанавливали два термометра с ценой деления 0,1 °C и расположением ртутного шарика на глубине 0,075 м, что приблизительно соответствует глубине корнеобитаемого слоя растений для севера Западной Сибири, Для контрольного участка теплообмен и температура определялись свойствами грунта и температуры воздуха; для второго участка термический эффект характеризовал влияние покрытия на подстилающую породу.
Охлаждение-промерзание проводилось в естественных условиях: кювету помещали на приоконный кронштейн с высокими бортами и крышей для защиты от ветра и осадков; прогревание-протаивание исследовали в комнатных условиях. Полный цикл промерзания-протаивания до установления постоянных температур грунта занимал трое-четверо суток. Температуру грунта и воздуха фиксировали через 0,5-1-2 ч.
Проведено около 200 опытов по изучению влияния ППС на тепловой режим подстилающих пород при изменении температуры окружающей среды от —12 до +24 °C и двух значениях исходной влажности мелкого пылеватого песка — 0 и 20 %. Теплопроводность мелкого пылеватого песка и ППС при комнатной температуре определяли измерителем теплопроводности ИТ-3 (А^ и А™); Амгр находили из [37].
Динамика температурного поля в массиве породы определяется условиями радиационно-теплового баланса на его поверхности [38]. Наряду с составляющими теплового баланса на поверхности массива породы тепловой режим грунтов оп-
ределяется их водно- и теплофизическими свойствами, в частности влажностью и теплопроводностью. Альбедо поверхности существенно изменяется в суточном ходе, что связано с изменением отражательной способности поверхностей при различных углах падения лучей и зависимостью спектрального состава радиации от высоты солнца [38 — 40].
Альбедо некоторых поверхностей
Сухие светлые песчаные почвы24 — 45
Песок речной29
Оголенный грунт талый15—25
Оголенный грунт, зачерненный угольной пылью8—9
Снег
загрязненный40 — 50
чистый влажный60—70
чистый сухой80—95
Почва, мульчированная нефтяными отходами8-12
Экспериментальные данные о термическом эффекте в процессе охлаждения-промерзания при влажности W = 20 % и 0 % приведены на рис. 10.9. Установлено, что в первом опыте термический эффект положительный, а во втором — отрицательный. В первом случае покрытие сохраняет под собой более высокую температуру, т.е. проявляется отепляющее действие. На темп охлаждения-промерзания основное влияние оказывают четыре фактора, температура воздуха, альбедо поверхности (Агр и Аппс), влажность грунта, теплопроводность влажного, сухого грунта и покрытия из ППС, которая в талом состоянии соответственно равна Хтгр0 = = 0,42; ХтППС = 0,57 Вт/(м-К). Причем влажность ППС равнялась 0 %.
В первом случае условие ХтППС < Хтгр20 способствует развитию отепляющего действия покрытия. Условие Wnnc < Wrp препятствует отеплению, поскольку увеличивает темп промерзания в силу меньшей объемной теплоты фазового перехода в покрытии (практически равной 0). Условие Аппс < ^гр препятствует промерзанию, увеличивая поток радиации на участке с покрытием и таким образом способствуя развитию отепляющего действия. Как показал эксперимент, в первом случае результирующим является отепляющий эффект, который обеспечивается преобладающим действием первого и третьего из названных условий и дополняется небольшой отрицательной температурой воздуха.
Во втором случае имеют место условия А.тППС < ^т.гро, Wnnc = Wrp, Аппс < Агр. Охлаждающий эффект покрытия обеспечивается доминирующим действием первого условия по сравнению с третьим. В сочетании с большой отрицательной температурой воздуха и практически нулевой влажностью это обусловливает высокий темп охлаждения-промерзания и нарастания отрицательного термического эффекта. По мере углубления фронтов холодного влияния в обоих образцах их скорости замедляются и выравниваются, а термический эффект стабилизируется, т.е. становится постоянным.
Следует отметить, что в первом случае отепляющего действия покрытия термический эффект оставляет в среднем 2,5 °C, в то время как при охлаждающем действии не превышает по абсолютной величине 2 °C. Это объясняется тем, что в первом случае альбедо усиливает отепляющее действие покрытия, в результате чего абсолютная величина термического эффекта в первом случае больше, чем во втором.
Характерное влияние альбедо на величину положительного термического эффекта прослеживается по данным эксперимента при следующих условиях: W = 20 %, 2^ = —7... —8 °C, torp ^ 18 °C (см. рис. 10.9, кривая 1Y Участкам дневного времени соответствуют наибольшие значения термического эффекта, а участкам вечернего времени — наименьшие. Разни-
ца между этими значениями соответствует максимальному в данных условиях вкладу альбедо в отепляющее действие покрытия. Наименьший вклад в термический эффект дает теплопроводность, поскольку влияние альбедо в ночное время отсутствует. Анализ графика показывает, что соотношение вкладов в величину термического эффекта альбедо и теплопроводности в среднем за время эксперимента составило 3:1.
Более сложно во времени изменение термического эффекта в процессе прогревания-протаивания. Эксперимент проводился в комнатных условиях (рис. 10.10). Очевидно, что влияние альбедо было незначительным. Влажность грунта W = = 20 %. Каждая из трех полученных кривых отличается температурой воздуха и начальной отрицательной температурой образцов грунта. Теплопроводность грунта и покрытия из ППС соответственно равна Хм гр = 2,20 и Хм ппс = = 0,7Вт/(м-К). Несмотря на различие влажности в слое покрытия и эквивалентном слое чистого грунта, прогревание- протаивание контрольного образца происходит интенсивнее, чем образца с покрытием. В результате на начальном этапе происходит нарастание отрицательного термического эффекта. Причина этого — большая теплопроводность грунта как в мерзлом, так и в талом состоянии. Условие Хтгр > Хтппс обусловливает более высокий темп протаивания в грунте, компенсируя в значительной степени влияние влажности. Наблюдается также более интенсивное прогревание. Установлено, что чем больше абсолютная разница температуры воздуха и начальной температуры грунта, тем быстрее идет развитие термического эффекта, но тем меньше максимум его абсолютного значения.
Рис. 10.10. Изменение термического эффекта при прогревании-протаивании: 1 - w = 20 %, 2 - W = 20 %, 3 - W = 20 %, t^ = 21-22 °C, (возд = = 23 °C. t^ 18-19 °C, ton> = -2,5 °C; tOIV = 5 °C; ton> = -7 °C
После достижения максимума отрицательный термический эффект начинает монотонно убывать, переходя в положительный эффект, который, достигнув некоторого значения, стабилизируется. Развитие положительного термического эффекта объясняется действием противоэрозионного покрытия, которое следует назвать парниковым эффектом. Дело в том, что с открытой поверхности контрольного образца происходит испарение влаги, содержащейся в слое оттаявшего грунта, в то время как противоэрозионное покрытие практически исключает испарение. Затраты теплоты на испарение приводят к постепенному понижению эффективной температуры поверхности открытого участка, в результате чего знак термического эффекта постепенно меняется с отрицательного на положительный. Величина положительного эффекта тем больше, чем меньше была величина отрицательного эффекта. Характерно наличие некоторого максимума положительного термического эффекта во втором опыте (см. рис. 10.9, кривая 2). Здесь происходило наиболее интенсивное прогревание-протаивание и наиболее интенсивное испарение. Влияние испарения в некоторый момент времени (около 1 440 мин) закончилось, а влияние различия теплопроводностей еще имело место. В результате со временем произошло уменьшение положительного термического эффекта. В опытах 1 и 3 окончание влияния испарения происходило в промежутке времени, когда влияние различия теплопроводностей практически уже не проявлялось.
Проведенные эксперименты позволяют сделать следующие основные выводы: в процессе промерзания грунта с влажностью 20 % и более противоэрозионное покрытие обусловливает положительный термический эффект, равный в среднем по абсолютной величине 2,5 °C. С уменьшением влажности до 0 % положительный термический эффект, убывая, переходит в отрицательный с абсолютной величиной до 2 °C. В процессе прогревания мерзлого грунта сначала происходит формирование отрицательного термического эффекта, который затем из-за отсутствия испарения на участке с профилактическим покрытием в течение одних-двух суток переходит в стабильный положительный термический эффект.
Положительный термический эффект профилактического противоэрозионного покрытия из ППС способствует повышению температуры корнеобитаемого слоя, тем самым расширяет вегетационный период для суровых условий севера Западной Сибири и вносит значительный вклад в улучшение агрохимических условий развития растений.
Для решения задачи повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов использованы физико-химические методы воздействия на грунты с применением нефтяных структурообразователей. Основными научными и практическими результатами проведенного комплекса исследований являются разработка нефтяного структуро- образователя несвязанных дисперсных грунтов универсина “В" и профилактических противоэрозионных составов, содержащих в количестве до 4 % нефтяные структурообразова- тели и некоторые добавки. Новизна полученных технических решений защищена авторскими свидетельствами СССР [26 — 30].
Установлены также закономерности повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов:
при повышении противоэрозионной устойчивости первоочередное значение имеет родство компонентов нефтяного структурообразователя по их происхождению. При прочих равных условиях R не зависит от углеродного состава;
адгезионно-когезионное взаимодействие структурообразователя вида ПП или ВВ с грунтом определяется соотношением в нем высокомолекулярных соединений нефти и легких углеводородных фракций. Противоэрозионная устойчивость повышается при увеличении доли высокомолекулярных соединений нефти. Другими словами, если рассматривать нефтяной структурообразователь только вида ПП или ВВ, то повышение противоэрозионной устойчивости определяется углеводородным составом;
усложнение компонентного состава нефтяного структурообразователя вида ВВ или ПВ добавками вида П снижает про- тивоэрозионную устойчивость закрепляемых грунтов даже при увеличении доли высокомолекулярных соединений нефти, т.е. структурирующая добавка целесообразна в том случае, если она родственна по происхождению растворяющему компоненту структурообразователя;
изучены и объяснены экспериментальные закономерности изменения противоэрозионной устойчивости в зависимости от концентрации структурообразователя, времени выстойки и плотности противоэрозионного состава, дисперсности и влажности укрепляемого грунта. Рассмотрены во взаимосвязи физико-химические процессы в дисперсионных средах при их структурировании. Основная роль отведена конкурентной адсорбции молекул углеводородов в тонких углеводородных пленках на поверхности минеральных частиц.
С использованием результатов проведенных исследований разработаны технические условия на универсин "В" и организовано его серийное производство в объединении “Уфанефтехим".
Глава 11
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕПРИМЕНЕНИЯ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СОСТАВОВВ УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Исследования показали принципиальную возможность использования физико-химических методов для повышения противоэрозионной устойчивости мелкодисперсных грунтов нефтяными структурообразователями. В связи с этим особую актуальность приобретает экологическое обоснование применения профилактических противоэрозионных составов в условиях криолитозоны. Экологическое обоснование в первую очередь предполагает определение степени влияния противоэрозионных составов на высшие растения и гидробиониты. При этом важно также определить условия локализации противоэрозионных составов на месте использования, которые определяются их стабильностью и водоустойчивостью.
ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХСОСТАВОВ НА РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ
Изучено действие ряда нефтяных структурообразователей и их компонентов на развитие некоторых высших растений. Экспериментально подобраны структурообразователь, отличающийся наиболее низкой токсичностью по сравнению с контролем, и толщина слоя профилактического противоэро- зионного состава (ППС) на поверхности закрепляемой почвы. Определены оптимальные концентрации структурообра- зователя в противоэрозионном слое закрепляемой почвы и торфяного удобрения в корнеобитаемом слое по их воздействию на развитие местных растений, выбранных рекульти- вантами нарушенных земель.
Микрополевой опыт. По методике [41] были выполнены
Рис. 11.1. Схема экспериментального участка:
1, 2, 3... — номера площадок [х] м2
микрополевые опыты на агробиостанции, расположенной на суглинистых почвогрунтах возвышенной террасы поймы р. Уфимка (рис. 11.1). В табл. 11.1 приведены компонентный состав и концентрация НС в мелкозернистом песке, использованных для приготовления ППС, а также номера экспериментальных площадок. После посева стандартного количества культурных семян овса площадки были покрыты ППС мощностью 0,025 —0,04 м. При наблюдении за развитием растений определялись следующие параметры: коэффициент всхожести, высота и надземная фитомасса. Результаты микрополевых опытов представлены в табл. 11.2.
Выяснено, что нефтяные разжижители (см. табл. 10.1), использованные в опытах 2 — 4, неоднозначно влияют на развитие растений. Наиболее токсичны из них легкий газойль каталитического крекинга и легкий газойль коксования. Так, всхожесть семян в опытах 2 и 3 составляет 0,83 %, в то время как в контроле (опыт 1) — 84,4 %; рост растений также значительно отстает от контроля. Наименьшая надземная фитомасса (0,05 кг/м2) получена при использовании легкого газойля каталитического крекинга. Эти разжижители активно токсичны по отношению к культурным растениям в течение 30 сут. С другой стороны, масляный экстракт фракции 300 — 430 °C является наименее токсичным разжижителем: всхожесть семян составляет 67,1 %, развитие в высоту незначи-
Таблица П.1
Компонентный состав и концентрация структурообразователей в профилактическом противоэрозионном составе
Номер опыта
Компонент НС
Концентрация Снс, % (масс.)
Номер участка
1
Контрольный
0
1, 2, 3
2
Легкий газойль коксования
2
4, 5, 6
3
Легкий газойль каталитического крекинга
2
7, 8, 9
4
Масляный экстракт фракции 300 — 430 °C
2
10. И, 12
5
Гудрон арланской нефти и легкий газойль каталитического крекинга (70:30)
2
13, 14, 15
6
Гудрон арланской нефти и масляный экстракт фракции 300 — 430 °C (70:30) (универсин "В")
2
16, 17, 18
7
Дистиллятный крекинг-остаток и масляный экстракт фракции 300 — 430 ‘С (70:30)
2
19, 20, 21
тельно отстает от контроля, надземная фитомасса получена в количестве 0,79 кг/м2, что составляет 62,7 % от контроля.
В опытах 6 и 7 для приготовления ППС использованы структурообразователи, включающие масляный экстракт фракции. Получено незначительное отставание параметров растений от контроля. Причем универсин "В" оказывает на-
Таблица 11.2
Результаты микрополевых опытов по исследованию влияния ППС на развитие растений
Номер опыта
Компонентный состав НС
Всхожесть, п, %
Высота растений
Фито- масса надземная, Фн, кг/м2
13 сут
31 сут
70 сут
1
Контроль
84,40
0,07
0,25
0,69
1,26
2
Легкий газойль коксования
0,83
0,04
0,14
0,74
0,15
3
Легкий газойль каталитического крекинга
0,83
0,03
0,10
0,63
0,05
4
Масляный экстракт фракции 300 - 400 °C
67,10
0,06
0,23
0,65
0,79
5
Гудрон арланской нефти и легкий газойль каталитического крекинга
56,20
0,06
0,19
0,67
0,81
6
Универсин “В"
80,80
0,09
0,23
0,67
1,14
7
Дистиллятный крекинг-остаток и масляный экстракт
78,10
0,09
0,23
0,64
1,12
Контроль I АН ДКО ГАН МЭ ЛГК ЛГКК МЭ МЭ ЛГКККонтроль I АН ДКО ГАН МЭ ЛГК ЛГКК МЭ МЭ ЛГККРис. 11.2. Исследование влияния ППС на надземную фитомассу:
Контроль I АН ДКО ГАН МЭ ЛГК ЛГКК МЭ МЭ ЛГКК
Контроль I АН ДКО ГАН МЭ ЛГК ЛГКК МЭ МЭ ЛГКК
1 — зависимость надземной фитомассы от компонентного состава НС; 2 — содержание парафино-нафтеновых углеводородов в НС С, % (масс.)
именьшее токсичное воздействие из всех исследованных НС: всхожесть — 80,6 %; высота — 0,67 м; надземная фитомасса — 1,14 кг/м2, что составляет 95,1 % от контроля.
На рис. 11.2 показана зависимость надземной фитомассы от компонентного состава структурообразователей и процентного содержания парафино-нафтеновых углеводородов НС. Согласно этим данным на параметры растений наиболее существенно влияет количество парафино-нафтеновых углеводородов (см. табл. 10.1). Установлено, что структурооб- разователи, содержащие свыше 30 % (масс.) парафинонафтеновых углеводородов, весьма токсичны по отношению к злаковым растениям даже при их малой концентрации в поверхностном слое почвы. Наименьший вред развитию растений причиняют структурообразователи, содержащие в своем углеводородном составе менее 15 % (масс.) парафинонафтеновых углеводородов. К таким структурообразователям относится универсин “В" [25].
Микрополевые опыты показали, что универсин "В" является перспективным структурообразователем для дальнейших разработок способа закрепления техногенно-нарушенных подвижных почв местными растениями-рекультивантами.
Вегетационные опыты. Геоботанические исследования на месторождениях Медвежье и Ямбургское позволили определить наиболее перспективные для биологической рекультивации местные злаковые растения, широко распространенные на песчаных почвах техногенно-нарушенных участков: щучка Сукачева, вейник лапландский, овсяница овечья, вейник пурпуровый.
Опыты по закреплению подвижных почв выбранными ре- культивантами и способами повышения их противоэро-
•сС\-0%о(масс.)Песчаная почва•сС\-0%о(масс.)Песчаная почваСерия IСерия IППСТПС С=50%(мжс.)ППСТПС С=50%(мжс.)Серия ГУChc=5%(amicc.)Серия ГУChc=5%(amicc.)Снс—20% (масс.)Снс—20% (масс.)
•с
С\-0%о(масс.)
Песчаная почва
•с
С\-0%о(масс.)
Песчаная почва
Серия I
Серия I
ППС
ТПС С=50%(мжс.)
ППС
ТПС С=50%(мжс.)
Серия ГУ
Chc=5%(amicc.)
Серия ГУ
Chc=5%(amicc.)
Снс—20% (масс.)
Снс—20% (масс.)
Рис. И.З. Схема почвенных условий вегетационных опытов:
ППС — профилактический противоэрозионный состав; ТПС — торфопесчаная смесь; h = 0,02 м — глубина заделки семян, мощность покрытия из ППС; Л, = 0,18 м — мощность почвенного слоя
зионной устойчивости проведены вегетационным методом [41] с использованием местной песчаной почвы в условиях теплицы при температуре воздуха 30 °C, влажности воздуха 65 %, температуре почвы 25 °C, влажности почвы 40 %, освещенности 8 000 лк.
Было заложено шесть серий опытов. Целью опытов серий I —III при концентрациях торфа Ст в песчаной почве 0,25 и 50 % (масс.) было определение оптимума торфяного удобрения для четырех выбранных растений-рекультивантов. В опытах серий III —VI изучалось влияние универсина “В" на развитие растений при постоянной концентрации торфа 50 % (масс.) и концентрациях нефтяного структурообразователя О; 5; 10 и 20% (масс.). Опыты проведены в четырех повторностях. Схема почвенных условий вегетационных опытов приведена на рис. 11.3. В табл. 11.3 показаны количество высеянных семян на площадь вегетационного сосуда 0,031 м2 и их всхожесть. В табл. 11.4 даны средние значения кислотности и гумуса для каждой серии опытов. Определение факторов почвенной среды проводилось по окончании опытов.
Вегетационные опыты длились 42 дня. В течение этого периода проводилось определение высоты растений А. В каж-
Таблица 11.3
Количество высеянных семян и их всхожесть
Номер злака
Вид злака
Масса семян, 10 * кг/м2
Средняя масса семени, Ю-в КГ/ШТ1
Всхожесть семян, %
1
Щучка Сукачева
2,42
17
10
2
Вейник лапландский
9,35
25
15
3
Овсяница овечья
33,96
270
85
4
Вейник пурпуровый
2,38
15
15
дом сосуде выделялось три участка по 5-10-4м2, на которых определяли высоту всех растений и рассчитывали среднее значение. Затем проводили усреднение по четырем повторностям опыта. Для последующего расчета надземной Фн и подземной Фп фитомассы единичного растения аналогичным образом определяли среднее количество растений N на площадь сосуда (0,031 м2) для каждого опыта. По окончании опытов растения отделяли от почвы, надземную и подземную фитомассу разделяли и взвешивали на аналитических весах.
Опыты по использованию торфяного удобрения для повышения плодородия песчаной почвы показали, что для всех исследуемых растений наблюдается зависимость параметров от концентрации торфа (рис. 11.4):
щучка Сукачева: высота злака увеличивается с ростом концентрации торфа в интервале от 0 до 25 % (масс.). Дальнейшее увеличение концентрации примерно до 40 % (масс.) стабилизирует высоту растения и далее до 50 % (масс.) инги-
Таблица 11.4
Факторы почвенной среды
Серия опытов
Концентрация, % (масс.)
pH
Гумус, %
торфа
НС
1
2
3
4
1
2
3
4
I
0
0
6,17
6,21
6,20
6,23
0,258
0,194
0,188
0,177
II
25
0
6,61
6,91
6,71
6,51
0,548
0,603
0,637
0,485
III
50
0
6,50
6,60
6,40
6,40
2,635
2,575
2,214
1,842
IV
0
3
7,10
7,00
7,10
7,10
3,07
2,62
2,89
3,08
V
0
10
6,17
7,21
7,20
7,23
3,43
3,16
3,53
4,11
VI
50
3
7,21
7,20
7,18
7,19
5,63
5,0
4,82
5,39
VII
50
5
7,23
7,26
7,25
7,22
2,18
3,58
2,42
2,12
VIII
50
10
7,20
7,21
7,18
7,15
10,1
9,72
8,40
8,55
IX
50
20
6,13
7,20
6,17
6,16
7,6
7,3
7,55
5,78
Примечание; 1
— щучка Сукачева
, 2 — вейник лапландский, 3 —
овся-
ница овечья, 4 —
вейник пурпуровый.
ииббРис. 11.4. Влияние концентрации торфа на высоту (а), надземную и подземную фитомассу (б, в):
и
и
б
б
1 - щучка Сукачева; 2 — вейник лапландский; 3 — овсяница овечья; 4 — вейник пурпуровый
бирует рост (кривая 1 на рис. 11.4, а). Фитомасса лишь незначительно увеличивается с внесением торфа во всем исследованном интервале (кривая 1 на рис. 11.4, б);
вейник лапландский: высота растений активно возрастает в интервале концентраций торфа от 0 до 25 % (масс.). Дальнейшее увеличение концентрации торфа не влияет на высоту. Фитомасса увеличивается в интервале от 0 до 25 % (масс.) (кривая 2 на рис. 11.4, 6). Дальнейшее повышение концентрации замедляет развитие;
овсяница овечья: высота растения активно увеличивается в интервале концентраций от 0 до 25 % (масс.), несколько стабилизируется в интервале 35 — 50% (кривая 3 на рис. 11.4, а). Фитомасса еще более резко зависит от концентрации торфа, чем высота растений (кривая 3 на рис. 11.4, б). Подземная фитомасса при концентрации торфа 25 % (масс.) составляет 64 мг/шт., а при 50 % (масс.) уменьшается до 26 мг/шт. Оптимальная концентрация торфяного удобрения составляет около 25 %;
вейник пурпуровый: высота растения активно растет в интервале от 0 до 25 % (масс.); при дальнейшем повышении концентрации торфа ее рост замедляется (кривая 4 на рис. 11.4, а). Фитомасса имеет аналогичную зависимость (кривая 4 на рис. 11.4, б). Подземная фитомасса увеличивается в интервале от 0 до 25 % (масс.), а далее не изменяется. Оптимальный интервал концентрации торфа составляет 23 —27 % (масс.).
Таким образом, оптимум торфяного удобрения в песчаной почве для растений-рекультивантов составил около 25 % (масс.).
Изучено влияние нефтяного структурообразователя уни- версина “В" на развитие растений-рекультивантов. Для всех исследуемых растений наблюдается зависимость параметров от концентрации универсина “В” в профилактическом проти- воэрозионном составе (рис. 11.5):
щучка Сукачева: нефтяной структурообразователь угнетает рост растения в первом вегетационном сезоне. Наименьшее угнетение на 14—15% от контроля наблюдается при концентрации НС до 10 % (масс.). При концентрации универсина "В" 20 % (масс.) угнетение роста достигает 33 % от контроля. В развитии щучки Сукачева имеются следующие особенности: при концентрации универсина “В" около 5 % (масс.) надземная фитомасса увеличивается по сравнению с контрольным опытом. Подземная фитомасса не изменяется до концентрации 5 % (масс.). Увеличение концентрации НС свыше 10 — 20% (масс.) резко сказывается на фитомассе;
вейник лапландский: его максимальная высота увеличивается в интервале концентраций универсина "В" от 0 до 5 % (масс.). Надземная и подземная фитомасса с повышением концентрации универсина "В" от 0 до 25 % (масс.) возрастает. При концентрации 10 — 20% (масс.) нефтяной структурообразователь замедляет рост злака. Универсин “В" при концентрации до 5 % стимулирует рост;
овсяница овечья: нефтяной структурообразователь стимулирует рост растений в интервале концентраций НС от 0 до
aА,мaА,мСно %(масс.)Сно %(масс.)Рис. 11.5. Влияние концентрации нефтяного структурообра- зователя универсина “В" на высоту, надземную и подземную фитомассу:
a
А,м
a
А,м
Сно %(масс.)
Сно %(масс.)
/ — щучка Сукачева; 2 — вейник лапландский; 3 — овсяница овечья; 4 — вейник пурпуровый
ббСн» %(масс.)Сн» %(масс.)10 % (масс.). Увеличение концентрации универсина “В” до 20 % (масс.) замедляет рост на 15 % по отношению к контролю. Оптимальный рост растения наблюдается в интервале концентраций 4 — 8% (масс.). Увеличение концентрации до 13 % (масс.) стабилизирует высоту растения на уровне кон- троля, а далее — с 13 до 20 % (масс.) замедляет рост. Фитомасса в интервале концентраций универсина "В" от 0 до 10 % (масс.) не изменяется, а увеличением концентрации с 10 до 20 % (масс.) уменьшается;
б
б
Сн» %(масс.)
Сн» %(масс.)
вейник пурпуровый: высота злака увеличивается на 14 % по отношению к контролю в интервале концентраций уни-
версина “В" 0 — 5% (масс.). Концентрация НС приблизительно 5 % (масс.) создает оптимальные условия для роста растения. Увеличение концентрации НС до 20 % (масс.) замедляет рост Надземная фитомасса изменяется аналогично: с повышением концентрации НС она уменьшается во всем исследованном интервале.
Таким образом, для исследованных растений-рекультиван- тов существует оптимальный интервал концентраций универ- сина "В" в профилактическом противоэрозионном составе — около 5 % (масс.).
Способ закрепления подвижных почв криолитозоны разработан по результатам экспериментальных исследований для эффективного восстановления почвенно-растительного покрова и предупреждения процесса овражной термоэрозии на техногенно-нарушенных склонах с бедной почвой [30].
Способ предусматривает внесение на поверхность участка мелиоранта с использованием торфа и высевом семян. С целью повышения эффективности закрепления подвижных почв и одновременно восстановлением почвенно-растительного покрова первоначально вносят смесь торфа и песчаной почвы в соотношении 25:75 с обеспечением толщины слоя 0,08 —0,10 м, затем производят высев семян местных расте- ний-рекультивантов (вейника лапландского, вейника пурпурового и овсяницы овечьей) в этот слой, после чего наносят профилактический противоэрозионный состав, который содержит 4 — 5% (масс.) универсина "В" и мелкий песок.
При попадании водотоков на закрепленную песчаную почву предотвращается ее размыв благодаря высокой противо- эрозионной устойчивости верхнего слоя и создаются благоприятные агрохимические условия для прорастания и развития растений-рекультивантов. Высокий агрохимический эффект достигается также применением универсина “В", в котором содержание высокотоксичных к злаковым растениям парафино-нафтеновых и легких углеводородов не превышает 33,6 % (масс.), а количество малотоксичных смолисто-асфальтеновых веществ составляет не менее 27,0 % (масс.). Одновременно универсин "В" обеспечивает высокую противоэрози- онную устойчивость слоя. Создание противоэрозионного слоя приводит к повышению температуры в корнеобитаемом слое в среднем на 2,5 °C, что улучшает физические условия развития растений и расширяет пределы вегетационного периода.
В результате внесения на поверхность почвы мелиоранта создаются условия, не только повышающие эффективность закрепления подвижных почв, но и способствующие полному
восстановлению почвенно-растительного покрова на техногенно-нарушенных склонах с бедной супесчаной почвой, подверженных овражной термоэрозии. Предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет: получить оптимальный агрохимический эффект для развития растений-рекуль- тивантов из местных злаков; предотвратить вымывание семян, проростков и торфяного удобрения концентрированными водотоками талых, дождевых и ливневых вод; повысить противоэрозионную устойчивость подвижных песчаных почв не менее чем в 1000 раз до начала развития растений; предотвратить развитие овражной термоэрозии и восстановить почвенно-растительный покров на техногенно-нарушенных склонах.
Таким образом, изучена и обоснована возможность закрепления нарушенных тундровых почв физико-химическим методом с применением нефтяного структурообразователя. При этом установлено следующее:
покрытие из профилактического противоэрозионного состава угнетает развитие растений в том случае, если содержание парафино-нафтеновых углеводородов в структурообразо- вателе превышает 15 % (масс.), а его концентрация более 5 % (масс.);
покрытие из профилактического противоэрозионного состава мощностью 0,025 —0,040 м на основе универсина “В" обеспечивает положительный агрохимический эффект для развития растений-рекультивантов за счет повышения температуры в корнеобитаемом слое на 2 — 3 °C и подщелачивания кислых тундровых почв;
разработан способ закрепления подвижных почв с применением двухслойного мелиоранта, верхний слой которого является покрытием из профилактического противоэрозионного состава торфопесчаного слоя с выраженным агрохимическим эффектом для растений, подобранных в качестве ре- культивантов из местных злаков. В результате использования предложенного мелиоранта создаются условия, позволяющие предотвратить оврагообразование и восстановить почвеннорастительный покров [25].
ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СОСТАВОВ И УНИВЕРСИНА "В"
В разработке многих важных проблем, связанных с охраной природы, резко возросло значение эколого-биологических подходов. С их помощью удается вскрыть законо-
мерности жизнедеятельности видов и популяций, показать механизмы воздействий на организмы неблагоприятных факторов среды и наметить пути устранения этих воздействий. Важную роль эколого-биологические подходы играют и при изучении влияния на экологические процессы, происходящие в водной среде, загрязнений различными токсикологическими веществами, в частности, нефтью и нефтепродуктами [42], а также материалами, в которых использованы компоненты, полученные на основе нефтепереработки. Исходя из этого, было изучено нарушение гидрохимического режима, установлена граница безвредной концентрации профилактических противоэрозионных составов для ряда гидробионтов разного уровня развития, исследована возможность вымываемости универсина "В" из ППС. В процессе исследований использовали высокочувствительные методы спектрофотометрического анализа, широкий комплекс гидрохимических показателей, а также гематологических, физиолого-биохимических и некоторых других критериев токсичности. На основании обобщения всего комплекса полученных данных установлено, что процесс водовымываемости универсина “В" из противо- эрозионного профилактического состава во всех случаях ниже ПДК нефти и нефтепродуктов воды водоемов (0,05 мг/л).
Нахождение ППС в морской воде, более агрессивной по сравнению с пресной, в течение 30 сут при концентрациях 10,0; 5,0; 2,5; 0,5 г/л не оказывало заметного токсикологического действия на гидробионтов и гидрохимический режим.
Для проведения токсикологических опытов были взяты навески ППС-25, 125, 250, 500 г. Эти навески помещали в аквариумы из оргстекла объемом 100 л, куда заливали 50 л морской воды. В результате были получены концентрации ППС-0,5; 2,5; 5.0 и 10,0 г/л.
Содержание нефтяного структурообразователя универсина “В" в ППС — 4 %; следовательно, концентрация универсина “В" в воде составит соответственно 0,02; 0,1; 0,2; 0,4 г/л (20, 100, 200, 400 мг/л). Установлено, что опыты без аэрации проводить нецелесообразно, так как это приводило к быстрому и резкому дефициту кислорода и гидробионты гибли от асфиксии. Поэтому аэрация осуществлялась круглосуточно, примерно в равных режимах. Смену вытяжек производили через каждые 3 — 4 сут, при этом определялось содержание растворенных компонентов нефти в вытяжках.
Рыбу для опытов брали из ставных неводов и в чанах доставляли в карантинные хорошо аэрируемые аквариумы. Травмированную, слабую и малоактивную рыбу удаляли. Для
опыта предварительно выдержанных (в аквариуме в течение 7—10 дней) рыб группировали по весу, размеру, полу. В период карантина и эксперимента рыб не подкармливали. Опыты по времени соответствовали 30 сут, анализы проводили через каждые 10 сут на протяжении всего эксперимента. Каждый опыт сопровождался контролем. Опыты проводились на одном из представительных и наиболее чувствительных видов рыб — смариде (Spicara smaridis).
Из моллюсков для экспериментов использовали обыкновенную мидию (Mytolus galloprovincialis). Моллюсков промывали и помещали на 1 — 2 дня в карантинные аквариумы. Затем их переносили в большие экспериментальные аквариумы из оргстекла. Одновременно их очищали и сортировали на крупных (8,6 г и 4,6 см), средних (3,2 г и 3,2 см) и мелких (0,4 г и 1,4 см). Было установлено, что мидии средних размеров оказались более чувствительными к воздействию токсикантов. Поэтому токсикологические исследования ППС проводили с этой размерно-весовой группой.
Из водорослей объектом иггладоряний г лужи ля морская монокультура из коллекции водорослей, созданной в Институте биологии южных морей, — представитель желто- зеленых (Nephrochloris salina). Для токсикологических исследований использовались коловратки (Brachionus plicatilis plicatilis).
Опыты с ППС на морских организмах разного систематического уровня проводились при температуре воды 22 — 23 °C.
Влияние ППС на гидрохимические показатели морской воды. Среди экологических факторов, определяющих нормальную жизнедеятельность водных организмов, наиболее важны следующие: температура воды, содержание растворенного в ней кислорода, окисляемость, БПК5, pH и др. Они и были взяты за основу в гидрохимических экспериментах.
Опыты проводили в аквариумах из органического стекла, куда заливали по 50 л морской воды и вносили 25; 125; 250; 500 г ППС в двух вариантах. В первом варианте определяли гидрохимические параметры при отсутствии аэрации из проб воды, находящейся в непосредственном контакте с ППС, на 3-и и 9-е сутки экспозиции. Во втором варианте морскую воду после 9-дневного контакта с образцами сливали в другие аквариумы, в полученный раствор подавали воздух. Определение гидрохимических показателей проводили в аэрируемых условиях на 9-е и 20-е сутки эксперимента в присутствии рыб. Все опыты сопровождались контролем.
Гидрохимические показатели — содержание растворенно-
го в воде кислорода (по Винклеру), БПК5 (по Шульцу) — определяли общепринятыми методами [43]. Активную реакцию среды (pH) измеряли на потенциометре pH-340 электрометрическим методом.
В статических неаэрируемых условиях содержание растворенного кислорода в опытных аквариумах оказалось практически во всех случаях всего на 0,5 мг/л меньше по сравнению с контролем; окисляемость на 0,5—1,2мг О2/л выше, чем в контроле. Это свидетельствует о незначительном расходе растворенного кислорода на окисление органических веществ опытных аквариумов.
Значение БПК5, как правило, в опыте было несколько большим, причем отношение БПК5 к окисляемости во всех случаях было меньше 1, что указывает на незначительные концентрации нестойкого органического вещества.
Активная реакция среды колебалась во всех аквариумах в пределах 8,12 — 8,55.
В целом можно констатировать, что исследованное вещество фактически не оказывало влияния на изменение основных гидрохимических параметров морской воды, поскольку в опытных аквариумах все гидрохимические показатели находились на уровне нормы для чистой воды поверхностного слоя Черного моря: содержание растворенного кислорода — 7,8—10,8 мг/л; окисляемость — 0,9 —4,35 мг О2/л; БПК5 — 2 — 3 мг/л; pH — 8,23 — 8,50. Благоприятный кислородный режим водоема для рыб и других промысловых водных организмов предполагает содержание растворенного кислорода не ниже 6 мг/л, БПК3 — не выше 3 мг/л. Таким образом, в нашем случае он не нарушается. Во втором варианте эксперимента наблюдалось некоторое (1 мг О2/л на 9-е сутки, 4 мг О2/л на 20-е сутки) возрастание окисляемости, в том числе и в контрольном аквариуме, по сравнению с первым вариантом, что является следствием жизнедеятельности живых организмов — рыб. Но и в этом случае все гидрохимические показатели оставались в пределах нормы. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что ППС не оказывает влияния на основные гидрохимические показатели морской воды.
Оценка токсичности ППС и универсина "В" для гидробионтов. Рассмотрим результаты исследований по оценке токсичности ППС и универсина “В" для выбранных гидробионтов. Определение общего количества бактерий в воде проводилось по общепринятой методике [44]. Сущность метода заключается в высеве определенного объема исследуемой во-
ды на агаровой среде в чашке Петри и последующем подсчете выросших колоний. При этом считают, что каждая колония является результатом размножения одной клетки.
Содержание ППС в исследуемой воде составляло 0,5; 2,5; 5,0; 10,0 г/л. После внесения воды в чашку Петри ее заливали 10 —12 мл остуженного питательного агара. Воду быстро смешивали с агаром и оставляли до застывания среды. Затем чашки с посевом помещали в термостат при температуре — 37,0±0,5 °C на 24±2 ч. Из каждого разведения производили параллельные высевы, результаты суммировали и определяли среднее число колоний, выросших при высеве из данного разведения. Опыты проводились в течение Юсут.
Данные о развитии микроорганизмов при действии ППС приведены ниже.
Влияние ППС на сапрофитную микрофлору
Концентрация, г/лСреднее количество
микроорганизмов в 1 мл
Контроль 2,3±0,36-102
0,5 3,7±0,71-102
2 5чп4-лнл.1Л2
З^ОДМО2 10,0 4,1±0,74Л02
С помощью формулы расчета количества колоний было выявлено некоторое различие в интенсивности роста количества колоний, пропорциональное увеличению количества ППС в воде, по сравнению с контролем. Это можно отнести за счет содержания в ППС некоторого количества полимер- парафинистого материала, а также микроэлементов нефти, которые способствуют улучшению питательной среды для микроорганизмов.
Способность разлагать в морской воде парафины микроорганизмами исследована в работе [45). Результаты исследований показали, что во всех концентрациях ППС обладает стимулирующим эффектом для микроорганизмов.
Влияние ППС на одноклеточные водоросли. В опытах была использована альгологическая чистая культура из желто- зеленых водорослей (Nephrochloris salina). Опыты проводились с испытуемым веществом в трех повторностях. Объем рабочего раствора — 10 мл. Плотность клеток в опытах от 100 000 до 250 000кл/мл. Опытные растворы экспонировали при комнатной температуре (16±1 °C) и освещали (3 000 — 5 000 лк). Продолжительность опыта — 24 ч. О токсичности судили по изменению общего количества клеток. Выбранный показатель состояния водорослей определяли с учетом клеток в камере Нажотта. Данные по изменению плотности
клеток фитопланктона при воздействии ППС приведены в табл. 11.5.
Из таблицы видно, что ППС вызывает стимуляцию роста клеток фитопланктона.
"Момент стимуляции" говорит о том, что в водную среду поступает дополнительная питательная среда в результате разложения парафинов. В опытах с ППС темпы деления клеток незначительно изменялись при всех концентрациях токсиканта.
При исследовании влияния ППС на зоопланктон в качестве тест-объекта использовались коловратки (Brachionus Plica- tilis). Влияние ППС на фототаксис у коловраток определяли по схеме, описанной Гроздовым [46].
Фототаксис у коловраток на свет определяли при боковой освещенности люминесцентной лампой на расстоянии 50 см, различных концентрациях токсиканта и температуре 22±1 °C в камере из оргстекла рабочим объемом 4 мл. Камеры представляют собой две склеенные пластины. В верхней толщиной около 1 см просверлены два ряда отверстий диаметром 3,0 см. На нижнюю пластину толщиной около 3 мм, служащую дном камеры, наносят линии, ограничивающие зоны концентрирования тест-объектов на свет в нормальных условиях. Размер этой зоны определяют экспериментально. Число коловраток, идущих на свет, в контроле принимают за 100 %. Результаты опытов по изучению влияния токсиканта на фототаксис коловраток (количество посадки п = 30) приведены в табл. 11.6.
Как видно из табл. 11.6, процесс фототаксиса при всех концентрациях близок к контрольному и составляет 56,0 — 63,0 (процентная численность посадки). Эти же концентрации по выживаемости коловраток безвредны. Установлено, что все концентрации ППС не вызывали изменений по показателям выживаемости и фототаксиса у опытных коловраток в сравнении с контрольными.
Таблица 11.5
Изменение плотности клеток фитопланктона при воздействии ППС
Концентрация, г/л
Средняя плотность клеток
% от контроля
0,5
320,500
121
2,5
303,200
115
5,0
308,500
118
10,0
315,300
119
Контроль
264,422
100
Таблица 11.6
Влияние ППС на фототаксис коловраток
Концентрация, г/л
Численность коловраток
в зоне концентрации
% от посадки
расположенных диффузно
% фототаксиса
0,5
18
63,3
И
94,4
2,5
18
60,0
12
94,4
5,0
18
60,0
12
94,4
10,0
17
56,6
13
91,0
Контроль
18
60,0
12
100
Влияние ППС на выживаемость и физиолого-биохимические показатели у смариды. В качестве объекта исследования использовалась придонно-подвижная смарида (Spicara smaris, L). Эксперименты проводились в 100-литровых аквариумах, в которые заливали 50 л воды и вносили необходимое количество ППС: 0,5; 2,5; 5,0 и 10,0 г/л. Для поддержания нормального количества кислорода в воде проводили постоянную воздушную аэрацию. Размерно-весовой состав изучаемых особей характеризовался следующими нормативами: длина — 11,7—19,2см, вес — 11,6 —57,3г. Общее количество опытных рыб составило 195. На каждую точку токсикологических анализов использовали 5—10 рыб. Критерием токсичности служили выживаемость рыб, изменение в одной пробе крови концентрации метгемоглобина, сульфгемоглобина, оксигемоглобина, общего кровяного пигмента, а также общего количества эритроцитов и лейкоцитов.
Общее количество гемоглобина и его дериватов в крови определяли методом Кушаковского [47]. Подсчет красных и белых кровяных телец в крови рыб вели в камере Горяева. Для витальной окраски форменных элементов применяли растворы А и Б [48]. Полученные данные обработаны статистически [49].
Токсико-биологические исследования проводились в два этапа. На первом этапе токсичность ППС оценивалась по выживаемости рыб и клиники их поведения. Рыбы жили в течение 30 сут. Затем опыт был прекращен. Не были отмечены также признаки отравления по реакции их поведения (нарушение координации движения, асфиксия и т.д.). Результаты изучения выживаемости рыб не позволили также разделить испытанные концентрации ППС по токсическому эффекту на острые, подострые и хронические.
На втором этапе использовали ряд гематологических и биохимических показателей. Полученные данные по определе-
Таблица 11.7
Изменение общего гемоглобина (НЬ) и его дериватов в крови смариды при отравлении ППС
Концентрация ППС, г/л
Концентрация НЬ, мг-экв
Тоталь- ный пигмент, %
Сумма неактивных пигментов, %
Met
Общая без S
О2
S
Контроль
0.1
10,1
10,1
—
10,1
0,9
0,5
0,2
10,2
10,0
—
10,2
1,9
2,5
0,2
9,8
9,6
—
9,8
2,0
5,0
0,2
10,1
9,9
—
10,1
1,8
10,0
0,1
10,4
10,3
—
10,4
0,9
нию дериватов гемоглобина, количества эритроцитов и лейкоцитов в крови смариды (л = 8) при отравлении ППС приведены в табл. 11.7.
Анализ данных, приведенных в табл. 11.7, показывает, что все концентрации ППС не вызывали достоверных сдвигов в крови смариды количества метгемоглобина, оксигемоглобина и общего пигмента. Результаты исследования содержания гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов у смариды при посадке л = 8 при отравлении ППС приведены в табл. 11.8. Из таблицы видно, что динамика указанных показателей при отравлении ППС в течение всего эксперимента (30 сут) аналогична как в контроле, так и опыте.
Таблица 11.8
Изменение содержания гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов у смариды при отравлении ППС
Сутки
Концентрация, г/л
НЬ, мг-экв
Ег, млн/мм3
L, тыс/мм3
10
Контроль
11,410,2
2,58410,014
6071913125
0,5
11,6x0,1
2,62410,085
DZDUOXZ 115
2,5
11,510,3
2,61710,075
6662511 125
5.0
11,610,2
2,63210,100
60 76511925
10,0
11,410,3
2,67010,093
64 72512 745
2
Контроль
9,910,2
2,35010,085
59 50011845
0
0,5
10,010,3
2,34010,120
59 75011275
2,5
9,910,2
2,29010,070
59 00012 250
5,0
9,810,1
2,37810,215
60 00012 725
10,0
9,910,2
2,41510,120
58 70010,925
0
Контроль
9,310,2
2,80810,091
54 60011 115
0,5
7,810,3
2,83010,083
5620011815
2,5
8,010,4
2,72810,062
5620011414
5,0
7,910,3
2,77610,132
54 80012 215
10,0
7,810,2
2,81010.121
57 40011415
Установлено, что испытанные концентрации ППС безвредны для смариды.
Влияние ППС на выживаемость моллюсков. Эксперименты проводили с обыкновенной мидией (Mytilis galloprovincialis). Были использованы особи средних размеров (3,2 г и 3,2см). Всего в опыте использовано 150 экземпляров. Продолжительность эксперимента — 30 сут. Чувствительность мидий к ППС определялась по двум критериям: времени и степени раскрытия створок раковины. Испытаны следующие концентрации ППС: 0,5; 2,5; 5,0; 10,0 г/л при температуре воды 20 °C. Полученные данные показали, что в течение эксперимента гибели и нарушения степени раскрытия створок раковины у подопытных организмов не наблюдалось при всех концентрациях ППС. Профилактический противоэрозионный состав оказался нетоксичным для моллюсков.
Важнейший момент в комплексе токсикологических исследований ППС — подбор так называемых представительных организмов. Один из принципов, положенных в основу данной работы, предусматривал отбор наиболее чувствительных к токсиканту видов или возрастных групп, с которыми затем проводились комплексные токсикологические исследования. Большое значение имеет установление физиологического фона нормы изучаемых критериев, в результате чего параллельно опыту осуществлялся контроль.
Установление токсичности ППС проводилось в более агрессивной морской среде с учетом его количества на 1 л воды: 0,5; 2,5; 5,0 и 10,0 г/л. Как показали исследования, в условиях постоянной аэрации испытанные концентрации ППС не влияют на химические показатели морской воды. Универсин "В" представляет собой смесь нефтепродуктов — тяжелого остатка (гудрона) арланской нефти (70 % по массе) и экстракта масляной фракции (30% масс.). ППС — состав из 96 % (масс.) песка и 4% (масс.) универсина “В", который определяет токсичность образца.
На основании полученных данных (на организмах разного систематического уровня) было установлено, что испытанный образец ППС (концентрации 0,5; 2,5; 5,0 и 10,0 г/л) при нахождении в морской воде в течение 30 сут не оказывал токсического действия на продолжительность жизни, темп роста, размножение, физиолого-биохимические показатели гидробионтов, а также на гидрохимический режим. По результатам проведенных исследований получено положительное заключение Минрыбхоза РФ.
ВЫМЫВАЕМОСТЬ И СТАБИЛЬНОСТЬ НЕФТЕПРОДУКТОВИЗ ППС С УНИВЕРСИНОМ "В”
Изучалась кинетика водовымываемости универсина "В" из профилактических противоэрозионных составов ППС путем определения содержания его в водной среде на 1-е, 3-и, 5-е, 7-е, 10-е и 25-е сутки.
Для количественного определения универсина "В", вымываемого из противоэрозионного профилактического состава в воде, был выбран инфракрасный метод [6, 50], который характеризуется быстротой, хорошей воспроизводимостью и приемлемой точностью (до 70 %).
Метод основан на избирательном поглощении молекулами исследуемого вещества инфракрасных лучей. Поглощение характерно для отдельных групп атомов, и его интенсивность прямо пропорциональна их концентрации. Измерение интенсивности поглощения позволяет вычислить концентрацию исследуемых веществ в образце. В качестве аналитической полосы для количественного определения универсина “В" выбрали полосу поглощения на частоте 2924 см-1, относящуюся к метиленовой группе.
Исследуемый ППС представляет собой смесь универсина по ТУ 38.101776 — 79 (табл. 11.9) и мелкозернистого песка в соотношении 4:96 % (масс.). Профилактическое средство — универсин "В" (высоковязкий) представляет собой композицию из гудрона арланской нефти (70 % масс.) и экстракта второй масляной фракции (300 —400 °C) (30 % масс.). Кинетика водовымываемости универсина “В" из ППС представляет собой зависимость скорости данного процесса от концентрации универсина, температуры и других параметров.
Опыты по изучению водовымываемости проводили при нормальных условиях: pH = 6,8 —7,5, температура 20 —23 °C,
Таблица 11.9
Групповой углеводородный состав компонентов универсина “В"
Групповой углеводородный состав
Гудрон арланской нефти, % (масс.)
Экстракт II масляной фракции 300 - 430 °C, % (масс.)
Парафино-нафтеновые углеводороды
14,64
30,45
Легкие ароматические углеводороды
3,37
15,1
Средние ароматические углеводороды
7,69
26,59
Тяжелые ароматические углеводороды
39,98
20,44
Смола 1
5,6
Следы
Смола 2
14,51
7,42
Асфальтены
14,21
—
среда вымывания — водопроводная вода. Содержание уни- версина “В" в исходном ППС было максимальным и составляло около 4% (масс.).
Для опытов использовали колбы объемом 1 л, куда помещали определенное количество ППС. Исходя из 4 %-ного содержания универсина в ППС готовили пробы с разным содержанием универсина. При этом принимали, что в 25 г ППС содержится около 1 г универсина и 24 г песка. Опыты проводили в двух повторностях. В колбы вносили следующие количества ППС в 1 л воды, г: вариант А — 1; вариант Б — 5; вариант В — 10; вариант Г — 25; вариант Д — 125; вариант Е — 250. Контролем служила одна колба с водой без ППС и одна колба с песком (10 г/л) без ППС.
Обобщенные результаты анализов на водовымываемость нефтепродуктов из ППС в течение 10 сут приведены в табл. 11.10. Из таблицы видно, что с увеличением количества ППС, помещенного в воду, возрастает количество вымываемого нефтепродукта. При концентрации ППС в воде 1 г/л количество нефтепродуктов возрастает с 0,0196 до 0,0301 мг/л в течение 10 сут, а при концентрации ППС 250 г/л — с 0,1380 до 0,0473 мг/л. Эти результаты не превышают ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения. Контрольная проба с содержанием 1 г/л ППС была перепроверена на вымываемость нефтепродуктов в лаборатории комплексной очистки сточных вод Башкирского НИИ нефтепереработки. В результате анализов на приборе АНП-1 (анализатор нефтепродуктов) были получены следующие данные: концентрация нефтепродуктов в воде составила 0,03±0,0015 мг/л с вероятностью Р = = 0,95 по методике ОСТ 38.01378 — 85.
Таблица 11.10
Обобщенные результаты анализов на водовымываемость нефтепродукта из ППС по калибровочному графику
Образец ППС
Содержание ППС, г/л
Возможное содержание- УНВ в ППС, мг/л
Содержание УНВ в воде, мг/л
Время опытов, сут
1
2
5
10
А
1
40
0,0196
0,0171
0,0274
0,0301
Б
5
200
0,0218
0,031
0,0323
0,0338
В
10
400
0,0312
0,0346
0,0408
0,0425
Г
25
1000
0,0341
0,0360
0,0382
0,0441
А
125
5000
0,0362
0,0381
0,0396
0,0454
Е
250
10000
0,0380
0,0397
0,0424
0,0473
Экспериментальные данные по водовымываемости нефтепродукта универсина "В" из ППС ниже принятых значений ПДК нефти и нефтепродуктов для водоемов рыбохозяйственного значения.
Список литературы к ч. V
Ребиндер ПА Физико-химическая механика — М Знание 1958 — 63 с
Ребиндер П А Поверхностные явления в дисперсных системах Физи ко-химическая механика//Избранные труды — М Наука 1979 — 384 с
Безрук В М Укрепление грунтов — М Транспорт, 1965 — 340 с
Гончарова Л В Основы искусственного улучшения грунтов — М Изд- во МГУ 1973 - 180 с
Могилевич В М , Щербакова Р П, Тюменцева О В Дорожные одежды из цементогрунта — М Транспорт 1973 — 216 с
Колбас Н С Вопросы теории комплексного укрепления грунтов вяжу щими материалами с применением лесохимических реагентов и отходов промышленности — Л Изд-во ЛГУ, 1978 — 184с
Лобастова С А, Хабибуллин ИЛ, Зиновьев АП Динамическая модель упрочнения дисперсного грунта нефтяными структурообразователями Тез докл Всесоюз совещ Мониторинг нефти и нефтепродуктов в окружающей среде - Уфа, 1985 - С 179-180
Ржаницын БА Химическое закрепление грунтов в строительстве — М Стройиздат, 1986 — 264 с
Применение нефтегрунта в строительстве автомобильных дорог/В М Безрук, А В Минцер, В Л Юрченко и др — М Транспорт, 1975 — 72 с
Armstrong IL, Watt LA. The use of polumer emulsions for erosion control on cnctical areas//Soil Conserv N, SW — 1987 — V43 — N1 — P 10—11
Kleiding U Chemische Rekultivierung Kurzbencht uber die zur Zeil ger bauchlichen Mittel und Verfahren//Natur und Landsch — 1976 — В 51 — N12 - S 339-440
Ревут И Б, Масленкова ГЛ, Романов ИА Химические способы воз- действия на испарение и эрозию почвы — М Гидрометеоиздат, 1973 — 151 с
Колбановская АС, Михайлов В В Дорожные битумы — М Транспорт, 1973 — 264 с
Зиновьев А П Исследование и разработка технологии получения неф тяного универсального связующего против пылеобразования, выдувания и прилипания сыпучих материалов Дисс канд техн наук — Уфа, 1975 — 236 с
Чапайкина С А Исследование физико-химических свойств адсорбированных пленок с целью разработки профилактических покрытий Дис канд 1ехн наук Уфа, 1982 — 240 с
Ольков ПЛ Поверхностные явления в нефтяных дисперсных системах и разработка новых нефтепродуктов Дис д-ра техн наук - Уфа, 1982 - 384 с
Ведерникова ТГ Разработка составов нефтяных вяжущих веществ для строительства магистральных трубопроводов Дис канд техн наук — Уфа 1985 - 223 с
Бастраков ГВ Эрозионная прочность горных пород//Геоморфо- логия - 1977 - №2 - С 52-55
19 Сюняев 3 И Замедленное коксование нефтяных остатков — М Химия, 1967 — 168 с
20 Сюняев 3 И Химия нефти — Л Химия, 1984 — 356 с
21 Ас 1337526 СССР, МКИ3 Е 21 5/06 Пылесвязующее вещество универ- син "В7АП Зиновьев, С А Лобастова, ПЛ Ольков и др, Опубл 15 09 87, Бюл №34 - С 116
22 ЗимонАД Адгезия жидкости и смачивания — М Химия, 1974 — 416 с
23 ЗимонАД Что такое адгезия — М Наука, 1983 — 176 с
Сергиенко С Р, Таимова БА, Талалаев Е И Высокомолекулярные неут- леводородные соединения нефти Смолы и асфальты — М Наука, 1979 — 269 с
Лобастова СА, Зиновьев А П, Хайлова НА Исследования противоэро- зионных оставов для борьбы с техногенными нарушениями почвеннорастительного покрова криолитозоны//Физико-химическая гидродинамика - Уфа, 1983 - С 179-183
Ас 865888 СССР, МКИ3С 09 К 17/00, А 01 В 13/16 Состав для профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии и способ создания профилактического покрытия/С.А Лобастова, П Л Ольков, Г А Халиков и др (СССР) — Опубл 23.09 81, Бюл № 35.
Ас 1172935 СССР, МКИ3 0 09 К 17/00, А 00 В 13/16 Состав для профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии / С А Лобастова, ГА Халиков, ПЛ Ольков и др (СССР), Опубл. 15 08 85, Бюл № 30 — С 101
А с 1253982, МКИ3 С 09 К 17/00, 0 01 В 13/16 Состав для профилакти- ческкого покрытия против ветровой и водной эрозии/С А. Лобастова, АП Зиновьев, ГА Халиков и др (СССР), Опубл. 30 08 86, Бюл № 32 — С 106
А с № 1500660, МКИ3 С 09 АК 17/00, А 01 В 13/16 Состав для профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии/С А Лобастова, А П Зиновьев, И Л Хабибуллин и др (СССР).
А с 1645284, МКИ3 С 09 К 17/00, А 01 В 79/02. Способ закрепления по- днижяыл пичв/С А Лобастова, ИЛ Хабибуллин, Л.П Зиновьев
Исследование техногенных нарушений криолитозоны месторождения Ямбургское Разработка методов борьбы с техногенными нарушениями Отчет о НИР (промежут) Уфа, изд БашГУ, 1986, 1987, 1988
Адамсон А Физическая химия поверхностей — М.: Мир, 1979 — 568 с
Ахматов АС. Молекулярная физика граничного трения. — М : Наука, 1963 - 472 с.
Сюняев 3 А. Фазовые превращения и их влияние на процессы производства нефтяного углерода. — М/ ЦНИИТЭнефтехим, 1977. — 73 с.
. Ольков ПА, Максимов Г Г, Буренко Г.М. и др. Защитные свойства углеводородных пленок//Химическая технология переработки нефти и газа. — Казань, 1983 - С 16-18
Мархасин ИЛ. Физико-химическая механика нефтяного пласта. — М Недра. 1977. — 214 с.
Строительные нормы и правила СНиП 11 — 18—76. — М.: Стройиз- дат, 1977 - С 48
Чудновский А.Ф. Теплофизика почв. — М.: Наука, 1976. — 352 с
Сморыгин Г.И. Прогноз теплового режима мерзлых горных пород под естественными и искусственными покровами. — Новосибирск: Наука, 1980 - 189 с
Суходоровский В.Л. Рельефообразование в перигляциальных условиях (на примере Земли Франца-Иосифа). — М : Наука, 1967.
Доспехов БА. Методика полевого опыта с основами статистической обработки результатов исследований — М.: Колос, 1979.
. Мазмониди НД. Эколого-токсикологические основы ихтиомонито- ринга загрязнения морской среды: Автореф. дис. д-ра биол. наук/Ин-т биологии южных морей им. АО. Ковалевского. — Севастополь, 1987. — 41 с.
. Строганов Н.С., Бузинова Н.С. Гидрохимия: Практическое руководство. - М Изд-во МГУ, 1979. - С. 7-29.
. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. — М.. Химия, 1984 - С. 314-315.
. Методика определения микроколичеств нефтепродуктов в воде на АНП-8 (АНП-10). ОСТ 38.01378-85.
. Гроздов А.С. Фототаксис как тест-функция при биотестирова- нии//Гидробиологический журнал — 1986. — Т. XXII. — № 3. — С. 42 — 45.
ЧастьVI
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ПОЧВ И ГРУНТОВОТ ТЕХНОГЕННОГО 0ВРАГ00БРА300АНИЯИ ТЕХНОЛОГОМ ПОВЫШЕНИЯ0P0TMB03PD3H0HH0R УЕТОЙЧИВОЕТН
Глава 12
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ОВРАГООБРАЗОВАНИЯ
ОБЩИЕ МЕТОДЫ
По аналогии с определением методов защиты (борьбы), данным П.Ф. Реймерсом [1], и обобщая результаты исследований закономерностей развития термоэрозии и оврагообразования, можно сформулировать понятие методов защиты от оврагообразования следующим образом. Методы защиты почв и грунтов от техногенного оврагообразования — это комплекс интегральных приемов (способов), одновременно или последовательно применяемых для борьбы с нежелательными термоэрозионными процессами и оврагообразованием, сочетающий различные методы подавления их возникновения, развития и численности.
Теоретическая основа методов защиты — это предупреждение нежелательных процессов одними группами методов, их ослабление другими и воздействие на сохранившиеся и устойчивые процессы группами рекультивационных методов.
В зависимости от степени техногенной нагрузки, факторов природной среды, техногенных нарушений и оценки их экологической опасности применяются методы защиты априорного или апостериорного характера.
Основные методы защиты от оврагообразования, пригодные для условий Крайнего Севера, сведены в общую схему (табл. 12.1). При этом выделены три группы методов [2, Зр.
Таблица 12.1
Общие методы защиты от оврагообразования
Группа
Подгруппа
Метод
1. Регулирование гидрологического фактора — воздействия водного потока на мерзлый грунт
1.1. Регулирование механического воздействия водного потока: направленное изменение расхода воды, скорости течения, размера смачивающего периметра потока, продолжительности воздействия
Устройство гидротехнических сооружений: на водосборной площади — валов-террас, водозадерживающих валов, водоотводящих и водонаправляющих валов-канав, распылителей стока; вершинах оврагов — быстротоков, перепадов, консольных сбросов, трубчатых водопроводов, водобойных колодцев, донных и русловых сооружений, запруд, донных перепадов и порогов, плотин, донных насаждений илофильтров.
Регулирование снегонакопления и снеготаяния в пределах водосбора изменением высоты снежного покрова механическими средствами, изменением снеготаяния путем рыхления, уплотнения, валкования, мульчирования снега
Планировка поверхности: изменение основного уклона, уклона тальвега, формы бортов оврага, высоты базиса эрозии
Залужение эрозионно-опасных участков
Изменение почвенно-растительного покрова на водосборных площадях
1.2. Регулирование теплового воздействия водного потока на мерзлый грунт
Применение теплоизоляционных покрытий для промерзающих или протаивающих пород: искусственных (полимерные и металлизированные полимерные пленки, быстротвердеющие полимерные пены, пенопластовые плиты); естественных (древесные отходы, бревенчатые настилы, дерн, песчаные насыпи и отсыпки, водно-воздушные замороженные пены, снежно-ледяные, торф, торфопесчаная смесь и др.)
Изменение почвенно-растительного покрова
Изменение температуры естественных водотоков путем регулирования мощности снега и скорости снеготаяния (см. п. 1.1.2) с помощью распределенных или сосредоточенных источников тепла, воздействующих на водоток
Группа
Подгруппа
Метод
2. Регулирование геокриологических факторов среды развития термоэрозии, состава и свойств мерзлых грунтов
2.1. Изменение устойчивости мерзлых грунтов к механическому воздействию водного потока
Механические методы: уплотнение талых грунтов; обезвоживание гравитационным дренажом; фильтрационно-дренажное оттаивание; фильтрационно-игловое оттаивание; водона- сыщение
Физические методы: искусственное замораживание пород; термическое упрочнение грунтов с ненарушенным строением; осушение и упрочнение грунта электрическим током; электроуплотнение; электролитическая обработка; электросиликатизация
Физико-химические методы: дис- пергация грунтов с помощью специальных адсорбентов; упрочнение грунтов методами коагуляционной агрегации; гидрофобизация грунтов небольшими дозами ПАВ; солонцевание грунтов для их стабилизации и создание антифильтрационных одежд из местных грунтов; полимерная стабилизация грунтов; битумизация грунтов путем инъекций, пропитки или смешивания с битумами, дегтями, нефтяными структурообраэователями; упрочнение грунтов синтетическими полимерными смолами; силикатизация, цементация и известкование грунтов
2.2. Изменение устойчивости мерзлых грунтов к тепловому воздействию водного потока
Изменение температуры про- мерзающих-протаивающих пород ло- кальными способами отвода или притока тепла
Изменение криогенной текстуры и льдистости естественных сезонно- промерзающих грунтов путем изменения плотности, условий промораживания, влажности, гидрогеологических условий и др.
Создание защитного почвеннорастительного покрова
Создание техногенных защитных покрытий из насыпных грунтов с применением механических и физико-химических методов
Применение теплоизоляционных покрытий (см. 1.2.1)
Группа
Подгруппа
Метод
3. Регулирование антропогенного фактора - техногенного воздействия на мерзлый грунт
3.1. Регулирование механических техногенных нагрузок на природную среду
Соблюдение требований охраны природной среды и учет результатов геокриологического прогноза при проведении изыскательских работ, проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений
Регламентированное использование транспортных и строительномонтажных средств, запрещение проезда по тундре гусенично-тракторного транспорта в теплый период
Предпочтительное использование участков с крупнозернистым грунтом для дорог и оборудования строительных площадок
Строительство дорог без нарушения почвенно-растительного покрова транспортом
При пересеченной местности прокладка дорожных и трубопроводных магистралей по плоским водораздельным поверхностям; укрепление склонов при смещении на них трасс
Удаление площадных сооружений на 80 — 100 м от различных уступов и склоновых поверхностей. Запрещение на границе устойчивых участков строительства ограждений, линий электропередачи и т.п. Обход путей концентрации водотоков при прокладке траншей, инженерных коммуникаций вдоль склонов, восстановление почвенно-растительного покрова после засыпки траншей
Проведение строительства в холодный период в целях сохранения почвенно-растительного покрова и мерзлотных условий
Проведение восстановительных работ на склоновых участках, сложенных высокольдистыми грунтами, с применением методов инженерной и биологической рекультивации, зарегулирование водотоков и повышение противоэрозионной устойчивости грунтов
Группа
Подгруппа
Метод
3.2. Регулирование тепловых техногенных нагрузок на природную среду
Исключение подземной прокладки трубопроводов-теплоносителей вблизи свайных сооружений и на склоновых участках
Запрещение сброса промышленных, бытовых и аварийных вод на высокольдистые грунты промплощадок и прилегающих склонов; вывод стоков по теплоизолированным водопроводам, длина которых определяется длиной склона
Сохранение почвенно-растительного покрова и мерзлотных условий способами, указанными в пп. 1.2.1 — 1.2.4.
Прогнозирование термоэрозионных процессов
Организация инженерно-биологического мониторинга
Обеспечение правовой охраны окружающей среды при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов нефтяных и газовых месторождений
регулирование воздействия водного потока на мерзлый грунт;
регулирование среды развития процесса термоэрозии путем изменения состава и свойств мерзлых грунтов;
регулирование техногенного воздействия на мерзлый грунт.
Группы разделены на соответствующие подгруппы и частные методы. К систематизированным таким образом методам защиты от оврагообразования относятся также новые физико-химические методы повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных дисперсных грунтов и почв криолитозоны с применением структурообразователя универсина "В".
Защита от оврагообразования конкретных земель осваиваемых территорий Крайнего Севера сводится к научнотехническому обоснованию и составлению групп частных методов защиты для предупреждения, подавления, исключения термоэрозии или полного восстановления нарушенных оврагами земель. Целенаправленное использование методов защиты при проектировании, обустройстве и эксплуатации месторождений нуждается в разработке методик обоснования противоэрозионных мероприятий.
КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ
Разработку комплекса противоэрозионных мероприятий по защите от термоэрозии и оврагообразования для конкретных участков с развитым оврагообразованием рекомендуется вести по методике, включающей следующие этапы:
исследование закономерностей проявления процесса овражной термоэрозии в зависимости от вида, масштаба, продолжительности техногенного воздействия и факторов природной среды;
определение количественных параметров оврагов, их возраста и стадии развития;
выполнение количественного прогноза параметров оврагов и их отвершков;
проведение оценки термоэрозионной опасности для нормальной эксплуатации и устойчивости инженерных сооружений и коммуникаций на прогнозируемый период;
выбор групп методов защиты от оврагообразования с учетом природно-экономических условий района применения, а также результатов проведенных исследований и расчетов;
эколого-экономическое обоснование методов защиты; разработка проекта производства работ.
Предложенная методика хорошо зарекомендовала себя на месторождениях Медвежье и Ямбургское, для территории которых впервые были получены кривые прогнозирования овражной термоэрозии и обоснованы методы количественного локального прогноза оврагообразования и оценки термоэрозионной опасности.
Составление комплексов противоэрозионных мероприятий и выбор групп частных методов по защите от оврагообразования осуществляется с учетом природно-экономических условий района применения. Например, на севере Западной Сибири широко распространены песчаные грунты, имеются значительные залежи торфа, но отсутствуют гравийнокаменные и древесные материалы. Удаленность от промышленных центров, недостаточное развитие транспортных сетей, высокая стоимость транспортировки ограничивают применение здесь методов, предусматривающих использование привозных материалов и конструкций. _
В связи с этим особое значение приобретают профилактические противоэрозионные составы для локального применения при защите от овражной термоэрозии [4, 5]. Разработаны следующие методы их использования:
специальные ложбины стока покрывают ППС мощностью
0,2 —0,4 м. Состав, приготовленный на исходном грунте с избыточной влажностью (более 8%), рекомендуется укладывать свежеприготовленным на сухое основание и уплотнять. Выстойка ППС увеличивает противоэрозионную устойчивость на порядок;
при устройстве водозадерживающих валов, водоотводящих и водонаправляющих валов и канав, предназначенных для отсечения водосборов от вершин развивающихся оврагов, их поверхности покрывают ППС мощностью 0,2 —0,4 м с последующим уплотнением;
ППС засыпают вершины оврагов и отвершков на всю глубину с последующим уплотнением;
из ППС устраивают водопрочное покрытие мощностью более 0,2 м на основном объеме оврага, который предварительно планируется;
ППС мощностью 0,025 — 0,040 м используется при инженерно-биологической рекультивации нарушенных земель, расположенных на склонах со снятым почвенно-растительным покровом.
Для регулирования стока с естественного водосбора, концентрирующегося на рекультивируемом участке, проектируются водозадерживающие или водоотводящие валы-канавы с покрытием из ППС.
В большинстве случаев предпочтительнее отказаться от устройства валов на прилегающей к участку территории, так как дополнительное техногенное воздействие может привести к катастрофическому оврагообразованию, термокарсту, солифлюкции и другим нежелательным последствиям. Вместо этого сохраняется направление концентрированных стоков по уже имеющемуся оврагу, по поверхности которого после выполаживания и засыпки устраивается специальная ложбина стока. Основание ложбины выполняется из ППС первого типа [4], а поверхностное покрытие — из ППС второго типа [5].
Рекомендации по практической реализации выбора методов защиты и составления комплексов противоэрозионных мероприятий для восстановления нарушенных оврагообразо- ванием земель месторождения Медвежье и Ямбургское рассмотрены с учетом новых технических решений по закреплению подвижных почв и грунтов криолитозоны физико- химическими методами.
Наибольшую опасность для функционирования газопромысловых сооружений представляют овражные системы 8 — 5 и 8 —4, примыкающие к промплощадке УКПГ-8 месторождения Медвежье и относящиеся к IV—V классам опасности с
градациями опасности от катастрофической до повышенной. Для нарушенных земель овражной термоэрозии разработан и реализован комплекс мероприятий инженерно-биологической рекультивации с фактическим экономическим эффектом 77,4тыс.руб. (в ценах 1984 г.).
Участок территории УКПГ-8, на котором построены технологический корпус № 1, свеча высокого давления, водонасосная, водорезервуары, внутрипромысловая автодорога, установка КУ-12, расположен на склоне длиной около 200 м, сложенном высокольдистыми отложениями II надпойменной террасы с преобладанием песков и супесей. Концентрация стока естественных вод происходит около свечи высокого давления (овраг 8 —5) и технологического корпуса (овраг 8 — 4-Б), концентрация стока промышленных и бытовых вод от КУ-12 и аварийной трубы водорезервуаров (овраги 8 —4-А, 8 —4-С) — в привершинной части склона. Предложенный комплекс мероприятий инженерно-биологической рекультивации включает следующие этапы (рис. 12.1).
Рис. 121. Комплекс противоэрозионных мероприятий для овражной системы 8-4 и 8-5 месторождения Медвежье:
1 - участки применения ППС; 2 — зона естественного восстановления ПРП; 3 — зона инженерной и биологической рекультивации
Инженерный этап. Производятся: полная планировка 8 — 4-Б и мелких отвершков; частичная планировка 8 — 5; засыпка привозным грунтом 8 —4-С и 8 —4-А; зарегулирование стока естественных вод путем устройства двух трубчатых водопро- пусков диаметром 1400 с глушителями напора; зарегулирование стока бытовых и промышленных вод путем соединения трубы аварийного водосброса с трубой от КУ-12 с последующим удлинением их общей части на 60 м до базиса эрозии; устройство специальных ложбин стока (а = 1,0— 1,2 м; b = = 0,5 —0,7 м; z = 0,5 —0,7 м) с покрытием поверхности ППС мощностью 0,2 —0,4 м; отсыпка ППС оголовков водопропус- ков; засыпка вершины 8-4-А ППС на всю глубину; отсыпка ППС понижений вокруг водонасосной.
Биологический этап. На участках естественного самозара- стания в период производства всех видов работ и далее запрещается движение техники. На территорию за исключением ложбин стока завозят торф и планируют таким образом, чтобы его концентрация в почвенном слое 0,08 —0,10 м составляла не более 20 — 25 %. Вносят семена местных растений- рекультивантов. Устройство торфяного слоя необходимо провести на склонах специальных ложбин стока с последующим внесением семян и нанесением верхнего противоэро- зионного слоя мощностью 0,02 — 0,04 м. При внесении минеральных удобрений (NPKJeo или только азотных удобрений N30 достаточная концентрация торфа — 50 т/га.
Рассмотрим более подробно разработку мероприятий по защите от термоэрозии для овражной системы № 2, расположенной у водоочистных сооружений пос. Ямбург. Общий вид овражной системы у ВОС показан на рис. 12.2, а. Общая площадь естественного водосбора между водораздельными линиями составляет 18 800 м2 (рис. 12.2, б). Описание объекта № 2 приведено в разд. 8.5, характеристика — в табл. 8.7.
Количественный прогноз развития овражной системы проведен по методу локального прогноза с учетом обобщенных результатов полевых исследований. Ожидаемая динамика развития овражной системы у ВОС на последующий период приведена в табл. 12.2.
Установлено, что через 15 лет овраг может иметь объем нарушений не менее 100 000 м3 и представляет серьезную угрозу функционированию инженерных объектов и коммуникаций ВОС.
В основу составления комплекса мероприятий по защите от овражной термоэрозии положены следующие методы: сохранение имеющегося почвенно-растительного покрова, пре-
Рис. 12.2. Овражная система объекта № 2 у водоочистных сооружений п. Ямбург (а) и схема геоморфологических условий склона у ВОС (б):
1 — линия основного водораздела, 2 — линия дополнительного водораздела, 3 — граница базиса эрозии, L, f — длина и уклон склона; S — площадь водосбора
кращение техногенного воздействия (теплового и механического), восстановление нарушенных объемов, зарегулирование естественных водотоков, восстановление участков нарушенного почвенно-растительного покрова.
Сохранение имеющегося почвенно-растительного покрова достигается: исключением подрезки и планировки прибро- вочной части оврага; отсыпкой временной подъездной дороги длиной 250 — 300 м с территории ВОС через овраг и далее вдоль оврага справа от него по водосбору S; запретом на проезд любого вида транспорта вне временной подъездной дороги.
Таблица 12.2
Динамика развития овражной системы № 2
Показатели[
Возраст оврага, годы
3
4
5
6
7
8
10
Коэффициент годового |158
прироста, %-
Объем нарушений,19,8
тыс. м3|
80
17,6
60
28,2
35
38,1
30
49,5
20
59,4
20
100,0
Прекращение техногенного воздействия на склон обеспечивается: теплоизоляцией трубы газопровода для прекращения растепления грунтов околотрубного пространства; закрытием водозабора питьевой воды у въезда на ВОС; принятием мер (со стороны администрации ВОС), полностью исключающих сброс аварийных вод из резервуаров на склоны; установкой знаков, запрещающих проезд транспорта по склонам в теплое время года.
Восстановление нарушенных оврагом объемов склона достигается: путем отсыпки привозным грунтом основного объема нарушений; уплотнением отсыпанного слоя по его поверхности; устройством на отсыпанном слое противоэро- зионного покрытия из профилактического противоэрозион- ного состава типа А по всей ширине поперечника; уплотнением противоэрозионного слоя с образованием ложбины.
Зарегулирование естественных водотоков достигается устройством противоэрозионного покрытия из состава типа А в форме ложбины, а также дополнительной специальной ложбины-водоспуска — из состава типа В.
Восстановление нарушенного почвенно-растительного покрова осуществляется следующим образом. Из отсыпанной временной дороги приготовляют торфопесчаную смесь путем внесения в грунт оптимального количества торфа и действующего вещества минеральных удобрений (кг/га): азота 25 — 30, фосфора 60 — 90, калия 40 — 60. Перемешивание смеси производят дорожной фрезой ДС-74 или специальной техникой. При этом глубина захвата должна быть такой, чтобы фреза не задевала поверхность естественного микрорельефа. Приготовленную торфопесчаную смесь распределяют по участкам с нарушенным покровом с последующим посевом рас- тений-рекультивантов. При угрозе смыва семян и проростков дополнительно устраивают противоэрозионное покрытие из состава типа А.
Овраг № 10, расположенный у автодороги промбаза — УКПГ-2 (ПК-67 — ПК-71)Ямбургского месторождения (рис. 12.3),
Рис. 12.3. Овражная система № 10 у автодороги УКПГ-2 - пос. Ямбург
отличается по условиям своего развития от овражной системы № 2 и требует иного подхода при разработке комплекса мероприятий по рекультивации [6]. Характеристика объекта приведена в разд. 8.5 и табл. 8.6.
Прогноз динамики развития оврага представлен в табл. 12.3, из которой следует, что ожидаемый объем нарушений должен возрасти за пять лет до 62 000 м3 и к 1999 г. превысить 100 000 м3. При этом возникающие в результате планировки склона отвертки также проходят все стадии развития, вполне способны развиваться в три-четыре средних оврага длиной по 130—150м с объемом нарушений до 5 000м3 и полностью нарушить тепловое равновесие склона, что представляет угрозу для эксплуатации находящихся на водоразделе инженерных сооружений.
С учетом особенностей развития этого объекта предлагается комплекс инженерно-биологической рекультивации нарушенного склона (рис. 12.4) с выбором следующих методов защиты от оврагообразования:
зарегулирование концентрированного водного стока через водопропуск по специальной ложбине стока с противоэрози-
Таблица 12.3
Динамика развития оврага у автодороги
Показатели
Возраст оврага, годы
3
4
5
6
7
8
10
Коэффициент годового прироста, % Объем нарушений, тыс. м3
—
80
60
35
30
20
10,3
18,5
29,6
40,0
49,5
52,1
62.5
Рис. 12.4. Комплекс противоэрозионных мероприятий по защите нарушенных земель склона на объекте №10 Ямбургского ГКМ:
1 — ложбина стока; 2 — покрытие из ППС-А; 3 — отсыпка из ППС-А оголовка водоспуска; 4 — водоотводящий вал из ППС-А; 5 — полосы искусственной почвы; б — полосы с покрытием из ППС-А
онным покрытием из ППС типа А, дополненной лотком водоспуска из ППС типа В или полутрубы диаметром 1400;
рассредоточение поверхностного стока по склону путем создания полос противоэрозионного покрытия 4,2x180 м2 поперек склона из ППС типа А, приготовленного на месте методом перемешивания грунта поверхности склона с универ- сином "В" дорожной фрезой ДС-74 с последующим устройством бороздок катком ДУ-162;
создание широких полос (5 полос по 4,2х18рм2) искусственной почвы из оптимального состава торфопесчаной смеси (приготовленной фрезой ДС-74 или другой спецтехникой) с добавками минеральных удобрений и последующим высевом травосмесей из местных растений-рекультивантов;
укрепление обочины и откоса подмываемого участка автодороги, а также оголовка водопропуска ППС типа А;
устройство водоотводящего вала из ППС первой противо- эрозионной полосы водораздельной части уклона склона.
Глава 13
ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИПОЧВ И ГРУНТОВ
Технологии повышения противоэрозионной устойчивости почв и грунтов промышленными способами апробированы на газовых месторождениях Медвежье, Ямбургское и Самотлорском нефтяном месторождении.
Технология приготовления профилактических противо- эрозионных составов автогрейдером. Приготовлять ППС в относительно небольших количествах для защиты от термоэрозии отдельных удаленных овражных систем рекомендуется на твердом основании, например на бетонном покрытии автодороги. При этом первоначально самосвалами доставляют грунт — мелкий пылеватый песок, гидронамывной песок или супесь, который разгружают вдоль дороги с интервалом через две дорожные плиты. Цемент М 300 — 500 доставляют в мешках и складируют по 3 — 5 т. Нефтяной структурообразо- ватель универсин "В" подвозят битумовозом, автогудронато- ром или другой специальной техникой перед приготовлением состава.
Далее с помощью автогрейдера сооружают грунтовый валик с площадью поперечного сечения 0,5—1,2 м2 на выбранной, например, правой стороне бетонного покрытия автодороги. Расчетные данные компонентного состава зависимости от сечения и длины валика ППС типов А и В приведены в табл. 13.1. Так, при S = 0,5 м2 и доставке универсина "В" би- тумозаправщиком объемом 5,5 м3 устраивают валик длиной около 150 м. На гребне валика автогрейдер делает канавку или бороздку для внесения в грунт структурирующих компонентов.
При приготовлении ППС типа А универсин “В" вносят в грунт из шланга битумозаправщика после устройства валика с канавкой и тщательно перемешивают автогрейдером. При влажности грунта W > 8 % его подсушивают путем перелопачивания валика автогрейдером. При приготовлении ППС типа В после получения смеси грунта с нефтяным структурообра- зователем автогрейдер повторно устраивает валик, в который равномерно вносится цемент, и повторно тщательно перемешивает все компоненты состава за 10 проходов до однородности. При необходимости производят доувлажнение исходного грунта до 10 — 15 %.
Приготовление профилактических противоэрозионных составов автогрейдером
Тип
ППС
Геометрические параметры валика, м
Компоненты ППС
Грунт
Универсин "В" [7]
Цемент М400
поперечное сечение
длина
Масса, т
Объем м3
Концентрация, % (масс.)
Масса, т
Объем м3
Концентрация, % (масс.)
Масса, т
А[4]
0,5
50
42,5
25
4
1,70
1,75
—
—
0,5
100
85,0
50
4
3,40
3,51
—
—
0,6
50
51,0
30
4
2,38
2,10
—
—
0,6
100
102,0
60
4
4,08
4,21
—
—
0,8
50
68,0
40
4
2,72
2,90
—
—
0,8
100
136,0
80
4
5,44
5,61
—
—
1,0
50
86,0
50
4
3,40
3,51
—
—
1.0
100
172,0
100
4
6,88
7,01
—
1,2
50
102,0
60
4
4,11
4,21
—
—
1,2
100
204,0
120
4
8,20
8,42
—
—
В[3, 5]
0,5
50
42,5
25
2
0,85
0,9
5
4,25
0,5
100
85,0
50
2
1.7
1,75
5
8,5
0,6
50
51,0
30
2
1,02
1,05
5
5.1
0,6
100
102,0
60
2
2,04
2,10
5
10.2
0,8
50
68,0
40
2
1,36
1,40
5
13,6
0,8
100
136,0
80
2
2,72
2,80
5
13,6
1,0
50
86,0
50
2
1,68
1,75
5
8,5
1,0
100
172,0
100
2
3,40
3,50
5
17,0
1,2
50
102,0
60
2
2,04
2,10
5
10,2
1,2
100
204,0
120
2
4,08
4,20
5
20,4
Готовые составы сгребают в бурты, из которых экскаватором ППС перегружают в автосамосвал и отвозят на место засыпки. Метод апробирован на месторождении Медвежье.
Технология приготовления профилактических противоэрозионных составов на готовом грунтовом основании. Для защиты от термоэрозии объектов, где значительные площади прилегающих участков имеют полностью нарушенный почвенно-растительный покров с развивающимися небольшими отвертками, можно рекомендовать технологию, в основу которой положен метод смешения компонентов дорожной фрезой ДС-74. Эта технология может быть эффективно использована для комплекса противоэрозионных мероприятий на овраге № 10, расположенном у автодороги промбаза — УКПГ-2 Ямбургского месторождения (см. рис. 12.4).
Склон, прилегающий к оврагу, планируют бульдозером с засыпкой отвершков. Затем на участках, отведенных под противоэрозионные полосы, устраивают противоэрозионные
L Рыхление грейдерам с навесным покрытиемL Рыхление грейдерам с навесным покрытием
L Рыхление грейдерам с навесным покрытием
L Рыхление грейдерам с навесным покрытием
2. Внесение универсина "В" розливом специальной машиной
(Мл4. Внесение цемента распределителем(Мл4. Внесение цемента распределителем
(Мл
4. Внесение цемента распределителем
(Мл
4. Внесение цемента распределителем
180 м 3. Перемешивание фрезой за 2 прохода по 1 следу
180 ми. Планирование йвгпигрейдерйип180 ми. Планирование йвгпигрейдерйип
180 м
и. Планирование йвгпигрейдерйип
180 м
и. Планирование йвгпигрейдерйип
180 м
j. Перемешивание ippGuu 4 проходами по 1 следу
18021
Укатка пневмокатком без вибрации
Уплотнение каткам без вибрации
180 м
9. Уплотнение катком с вибрацией
180 м
1Мм10. Планировка "утюгам”
Рис. 13.1. Технологическая схема устройства противоэрозионного покрытияна готовом грунтовом основании
Таблица 13.2
Физико-механические свойства профилактических противоэрозионных составов
Номер состава
Состав смеси, % (масс )
Водонасы- щение песка, % (масс.)
Плотность, г/см3
Противо- эрозионная устойчивость, Н
Предел прочности образцов в возрасте 28 суток, МПа
Коэффициент морозостойкости при 25 циклах
Коэффициент водостойкости
цемент
НС
2
2,7
1,86
8-Ю5
0,56
0,32
—
1
4
4
2,0
1,91
1.8106
0,62
0,40
0,7
6
3,1
1,92
1.2105
0,54
0,62
0,75
2
1,3
1,91
2,410s
2,00
0,61
0,7
2
8
4
0,4
1,95
2,610s
2,70
0,75
0,80
6
0,3
1,96
3,0.105
2,60
0,77
0,75
2
0,5
1,92
—
4,23
0,8
3
12
4
0,3
1,98
—
4,84
0,82
—
6
0,2
2,01
—
3,60
0,89
—
4
0
1,0
1,81
0,50
—
4
8
0
0,8
1,83
-104
2,10
0,11
—
6
0
0,5
1,87
3,90
0,16
—
2
5
0,2 105
0,07
5
0
4
5
—
1.3105
0,17
6
6
—
0,8-105
0,07
—
покрытие из ППС в следующей последовательности: рыхлят грунт автогрейдером с навесным рыхлителем типа ДС-98: разливают универсин “В" из битумовоза или специальной машины и перемешивают его с грунтом дорожной фрезой ДС-74; планируют участок автогрейдером, уплотняют полученный противоэрозионный состав пневмокатком типа ДУ-16 Г.
Рыхление грунта производят на глубину до 20 — 22 см зубьями, установленными в передней части машины, за один проход по одному следу. Розлив универсина “В" на разрыхленный грунт можно производить не только из шланга битумовоза, но и специально переоборудованным автосамосвалом “Татра" с подключенным обогревом кузова. Розлив производится через патрубок диаметром 0,05 м, выведенный через левую сторону автомобиля на расстоянии 0,5 м, что позволяет оператору-водителю непосредственно контролировать расход универсина "В" и зону розлива. Расход нефтяного структуро- образователя определяется расчетом. Контроль расхода ведется из расчета розлива из емкости автомобиля 12 м3 универсина “В" на полоске длиной 120 м и шириной 4,2 м. При этом в слое грунта толщиной 22 см будет достигнута его концентрация 4 — 5% (масс.).
Перемешивание грунта с универсином “В" производят за 4 — 5 проходов фрезы по одному следу. Контроль за качеством перемешивания осуществляется визуально по 6—10 пробам с участка прохода фрезы. Перемешивание считают однородным, если темные пятна имеют размер не менее 1 см. Готовый ППС разравнивают автогрейдером и планируют за 4 — 5 проходов по одному следу. Уплотнение ППС производят катком на пневматических шинах ДУ-16Г, загруженным балластом. Противоэрозионное покрытие считается готовым после уплотнения пневмокатком с образованием борозд от протекторов. Эти борозды будут дополнительно рассредоточивать поверхностный сток по закрепляемому склону. При необходимости повышения прочности противоэрозионного состава, например, на ложбине стока оврага № 10, приготовляют состав типа В. В технологическую схему вводится операция внесения цемента М400 распределителем (рис. 13.1). Физико-механические свойства профилактических противоэрозион- ных составов оптимальной влажности приведены в табл. 13.2.
Технология приготовления противоэрозионного покрытия на готовом грунтовом основании была отработана при укреплении боковых полос безопасности взлетно-посадочной полосы Ямбургского аэропорта и на объездной дороге под путепровод ПК 0 4- 06 — ПК 14-00 г. Нижневартовска.
Технология приготовления профилактических противо- эрозионных составов в передвижной автоматизированной установке ДС-50Б позволяет расширить временной интервал производства работ по борьбе с овражной термоэрозией.
Рассмотрим приготовление состава типа А. Перед началом работы установки производится настройка дозаторов песка и нефтяного структурообразователя. В дальнейшем точность настройки контролируется постоянно через тензометрический датчик весового дозатора. Песок, доставленный автосамосвалами из карьера, надвигают к подпорной стенке в штабель, откуда одноковшовым экскаватором подают в два бункера дозаторов песка и далее по транспортерам — в лопастную мешалку непрерывного действия. Нефтяной структурообразователь, доставленный битумовозом, закачивают в битумную емкость, оснащенную электронагревателями. Отдозированный универсин "В" в дозаторе непрерывного действия в количестве 4 % массы песка подают в мешалку и перемешивают с песком. Готовый материал выгружают в кузов самосвала или в накопительный бункер. Применение бункера улучшает ритмичность приготовления и использования ППС в противоэрозионных мероприятиях или для целей дорожного и аэродромного строительства.
Данная технология апробирована на участке автодороги КСП-16 — КСП-11 Самотлорского нефтяного месторождения при укреплении обочин.
Исследования закономерностей проявления термоэрозии, проведенные в лабораторных и натурных условиях при наблюдениях на стационарных площадках, позволили предложить для условий севера Западной Сибири общие методы защиты от оврагообразования, учитывающие три основные группы направленного воздействия на составляющие природного и техногенного комплекса: регулирование воздействия водного потока на мерзлый грунт; регулирование среды развития термоэрозии путем изменения состава и свойств мерзлых грунтов; регулирование техногенного воздействия на мерзлый грунт. При этом систематизированы известные из литературных источников физико-химические методы повышения противоэрозионной устойчивости грунтов и почв криолитозоны.
Разработана методика обоснования противоэрозионных мероприятий, основанная на исследовании процесса термо- эрозии, его прогнозе, оценке термоэрозионной опасности и общих методах защиты от оврагообразования. Даны рекомендации по практической реализации методики для
конкретных участков месторождений Медвежье и Ямбург- ское.
Предложены и отработаны три технологии повышения противоэрозионной устойчивости дисперсных грунтов с применением нефтяного структурообразователя универсина "В" на существующей технической базе.
На месторождении Медвежье апробирован комплекс про- тивоэрозионных мероприятий по инженерно-биологической рекультивации участка промплощадки УКПГ-8 с развитым оврагообразованием, обеспечивший фактический экономический эффект 77,4 тыс. руб. (в ценах 1984 г.). На месторождении Ямбургское для оврага у водоочистных сооружений фактический экономический эффект составляет 52,7 тыс. руб. (в ценах 1984 г.).
Список литературы к ч. VI
Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь — М.: Наука, 1990. — С. 265.
Инженерно-биологическая рекультивация нарушенных территорий Ям- бургского ГКМ/И.Л. Хабибуллин, С.А. Лобастова, И.М. Габбасова и др. - М.: ВНИИЭгазпром, 1991. - 29 с.
Лобастова С.А. Методы защиты от оврагообразования на севере Западной Сибири: Дисс. канд. техн. наук. — М., 1990. — 215 с.
А.с. № 1253982, МКИ3 С 09 К 17/00, А 01 В 13/16. Состав для профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии/С.А. Лобастова, А.П. Зиновьев, Г.А. Халиков и др. (СССР)//Открытия, изобрет., пром, образцы, товар, знаки. — 1986. — № 32. — С. 106.
А.с. № 1500660, МКИ3 С 09 К 17/00, А 01 В 13/16. Состав для профилактического покрытия против ветров и водной эрозии/С.А. Лобастова, А.П. Зиновьев, И.Л. Хабибуллин и др. (СССР)//Открытия, изобрет., пром, образцы, товар, знаки. — 1989. — № 30. — С. 106.
Управление овражной термоэрозией в условиях севера Западной Си- бири/С.А Лобастова, И.Л. Хабибуллин, С.Д. Масалкин и др.//Строительство трубопроводов. — 1989. — №5. — С. 29 — 31.
А.с. № 1337526, МКИ3 Е 21 5/06. Пылесвязующее вещество Универсин “В'7А.П. Зиновьев, С.А Лобастова и др. (СССР)//Открытия, изобрет., пром, образцы, товар, знаки. — 1987. — № 34. — С. 116.
ЧастьVII
ИНЖЕНЕРНАЯ Н БМВЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯНАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ КРИВЛИТВЗЯНЫ НА ПРИМЕРЕ8МБУРГСКВГВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Глава 14
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ
РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
ПО СТЕПЕНИ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯРАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА
На предприятии “Ямбурггаздобыча" совместно со специалистами отдела охраны природы ЮжНИИгипрогаза проведена экологическая инвентаризация нарушенных земель территории месторождения.
В процессе полевого обследования нарушенных земель Ямбургского ГКМ в районах расположения УКПГ было проведено районирование территории. По степени техногенных нарушений и самовосстановления компонентов экосистем были выделены территории и классифицированы в соответствии с разработанной легендой экологической инвентаризации нарушенных земель.
Современное состояние нарушенных земель в районах расположения объектов УКПГ и прилегающих к ним территорий характеризуется наличием следующих участков:
А — участки с ненарушенным растительным покровом. На этих участках почвенно-растительный покров находится в естественном состоянии и в период строительства и эксплуатации месторождений не подвергался техногенному воздействию;
А] — участки самовосстановившиеся со сменой растительности. Почвенно-растительный покров на таких участках
был нарушен в период строительства, а также в результате нерегламентированного движения транспортных средств. Покрытие территории растительностью составляет 50 — 80%, идут процессы формирования почвенного покрова. Проведения восстановительных работ на этих участках не требуется;
А2 — участки, находящиеся в стадии естественного самовосстановления. Нарушения почвенно-растительного покрова возникли на подготовительном этапе и в период эксплуатации. Процесс восстановления растительного покрова только наметился, и покрытие территории растительностью составляет 20 — 30 %. Проведения мероприятий по восстановлению почвенно-растительного покрова не требуется.
При обследовании территории были выявлены участки, требующие проведения рекультивационных работ:
Б, — участки, требующие сокращенного комплекса рекультивационных работ (биологический этап). В процессе освоения и эксплуатации месторождения данные территории подверглись техногенному воздействию, в результате чего растительный покров был уничтожен полностью, сохранность почвенных структур оставляет менее 20 %. На современном этапе наблюдаются признаки первичного естественного восстановления растительности (проективное покрытие территории составляет 10 — 20%). В целях ускорения восстановления почвенно-растительного покрова необходимо на данных участках произвести подсев травосмесей;
Б2 — участки, требующие полного комплекса рекультивационных работ (технический и биологический этапы). Это территории с полностью уничтоженным почвенно-растительным покровом (карьерные выемки, отсыпки и т.д.). Восстановление почвенно-растительного покрова на данных участках требует проведения следующего комплекса мероприятий инженерно-биологической рекультивации: планировки территорий; приготовления торфопесчаной смеси и нанесения ее на площадь рекультивации равномерным слоем; внесения минеральных удобрений; посева многолетних трав.
СОСТОЯНИЕ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ТЕРРИТОРИИ
Почвенный покров в районах расположения производственных объектов Ямбургского ГКМ и прилегающих к ним коммуникаций характеризуется мозаичностью основных типов почв (см. разд. 4.2), агрохимические и биологические свойства которых рассмотрены в разд. 6.1.
В целом для почв Ямбургского ГКМ характерны незначительная мощность гумусо-аккумулятивного слоя, сильнокислая и кислая реакция среды (pH — 3,4 —4,5), обедненность питательными элементами и слабая устойчивость к антропогенным воздействиям.
При всем многообразии почвенных разностей в пределах месторождения они тесно связаны с геоморфологическими особенностями территории и литологическим составом подстилающих пород.
Наибольшие нарушения почвенно-растительного покрова отмечаются в период проведения строительных работ. Нарушенными считаются земли, которые в результате антропогенного воздействия утратили свою хозяйственную ценность и являются источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного, гидрогеологического режима и образованием техногенных форм рельефа.
В результате анализа аэрофотоматериалов разных лет и полевого дешифрирования составлены планы экологической инвентаризации земель Ямбургского ГКМ. В процессе полевого обследования было установлено, что активность зарастания нарушенных участков с различными типами сообществ (кустарничковые тундры, лишайниковые тундры и т.д.) зависит от площади и степени нарушения, вида и причин, вызывающих нарушения, и способности к восстановлению.
На период обустройства Ямбургского ГКМ под объекты строительства было отведено в Надымском районе 6623,4 га, из них в постоянное пользование — 2281,4 га, во временное — 4362,0 га. В процессе экологической инвентаризации земель было установлено, что фактическая площадь нарушенных земель составляет 4062,2 га. На современном этапе восстановлены земли на площади 1750,9 га, находятся в стадии естественного восстановления 1260,5 га. На площади 320,7 га требуется проведение биологического этапа рекультивации, на 730,1 га необходимо выполнить комплекс рекультивационных работ (технический и биологический этапы). Только проведение комплекса мероприятий по технической и биологической рекультивации позволит предотвратить дальнейшую деградацию этих участков.
В Тазовском районе на период обустройства месторождения под объекты строительства было отведено 823,7 га, из них в постоянное пользование 339,2 га, во временное — 484,5 га. В процессе экологической инвентаризации было установлено: фактическая площадь нарушенных земель состав-
ляет 452,6 га. На современном этапе восстановлены земли на площади 187,8 га, находятся в стадии естественного восстановления 122,4 га. Проведение восстановительных работ требуется на площади 142,6 га, из них на 97,3 га требуется проведение биологической рекультивации, а на 45,3 га — комплекса рекультивационных работ (технический и биологический этапы).
Анализ современного состояния нарушенных земель, выполненный на основании полученных материалов, позволяет сделать вывод о том, что основные нарушения почвеннорастительного покрова возникли на подготовительном этапе и в период строительства. На современном этапе большая часть земель, отводимых во временное пользование, восстановилась или находится в стадии естественного восстановления. Деградации подвержены земли в районах расположения УКПГ и примыкающих к ним коммуникаций, а также территории карьеров. Самовосстановление происходит на данных участках крайне медленно. С целью прекращения процессов водной и ветровой эрозии и восстановления почвеннорастительного покрова на этих территориях требуется проведение инженерно-биологической рекультивации.
Анализом материалов аэрофотосъемок 1979, 1986, 1989 и 1993 гг. и полевым дешифрированием территории освоения Ямбургского ГКМ установлено, что техногенная нагрузка на эту территорию привела к интенсивным криогенным процессам, нарушению почвенно-растительного покрова.
Есть основания утверждать, что при условии снятия техногенной нагрузки на грунты оснований и применении рекомендованных мероприятий по защите территории от опасных инженерно-геокриологических процессов и явлений большинство этих процессов (термокарст, термоэрозия, эоловые процессы, обводнение территории) будут находиться в стадии стабилизации или затуханиия. Это хорошо прослеживается в зонах действия УКПГ-1, -2, -3, -4, -5, -8, которые уже построены и эксплуатируются. На этих территориях почти полностью восстановился напочвенный растительный покров, нарушение которого было определяющим фактором развития или активизации деструктивных процессов. Локальные проявления термокарста, термоэрозии и эоловых процессов на этих территориях зарегистрированы в основном в местах бывшей разработки карьеров грунтов, на которых не проведена техническая и биологическая рекультивация.
В зонах действия строящихся ГП перечисленные процессы отмечены, но распространены ограниченно и проявляются в
местах разработки карьеров, вдоль трасс строящихся коммуникаций и кустов газовых скважин.
Нарушение почвенно-растительного покрова произошло как в полосе отвода при строительстве площадок и коммуникаций, так и вне ее в период проведения геологопоисковых и изыскательских работ, строительства объектов обустройства месторождения и железной дороги Уренгой — Ямбург, т.е. в течение более чем 20 лет, причем большая часть этих нарушений приходится именно на нарушения вне полосы отвода строительства. Отмечается, что почвеннорастительный покров в районах расположения УКПГ и на прилегающих к ним территориях восстановился или находится в стадии восстановления. Проведения рекультивации на таких участках не требуется. В течение последующих лет восстановившийся почвенно-растительный покров достигнет стабильного состояния и постепенно ассимилируется с окружающим зональным типом растительности.
На современном этапе большие техногенные нагрузки ускорили процессы эрозии, термоэрозии, термоабразии, эоловые процессы и др., особенно в районах расположения промышленных объектов, в пределах прохождения коридоров коммуникаций и территорий карьеров, встречающихся в полосе обследования. Самовосстановление на таких участках происходит крайне медленно. Для стабилизации этих процессов и создания устойчивого почвенно-растительного покрова необходимо провести комплекс работ по технической и биологической рекультивации.
Площади нарушенных земель по районам и по Ямбург- скому ГКМ приведены в табл. 14.1.
Таблица 14.1
Сводная таблица нарушенных земель Ямбургского ГКМ
Район
В полосе отвода
Вне полосы отвода
всего отведено, га
временно
наруше- но, га
восстановилось
отведе- но, га
нарушено, га
восстановилось
постоянно
требует рекультивации
требует рекультивации
Надымский
6623,4
43620
2281,4
4062,2
3011.4
1050,8
—
22063,9
19983.1
2080,8
Тазов- ский
823,7
484.5
339,2
452,6
310.0
142,8
2048,9
1778.8 272,1
В целом по якгм
7447,1
4846.5
2600,6
4514,8
3321.4
1193,4
24112,8
21759.9
2352,9
Из данных таблицы следует:
из обследуемых 146 425 га земель территории освоения Ямбургского ГКМ нарушения выявлены на площади 28627,6 га, что составляет 19,6 %;
из нарушенных 28627,6 га самовосстановление произошло и происходит на площади 25081,3 га, т.е. 87,63 %;
на оставшихся 3546,3 га площадей нарушенных земель (2,42 % площади территории освоения Ямбургского ГКМ) требуется провести комплекс рекультивационных работ, однако, учитывая большую степень самовосстановления нарушенного почвенно-растительного покрова (87,8%), можно утверждать, что выполнение технической и биологической рекультивации необходимо не на всей указанной площади, а лишь частично.
Материалы экологической инвентаризации нарушенных земель Ямбургского ГКМ могут быть использованы при проведении экологического мониторинга, для составления прогноза изменений экологической ситуации по любому объекту, решения вопросов предотвращения любых негативных
Рис. 14.1. Диаграмма возврата земель ООО “Ямбурггаздобыча" при проведении комплекса работ по технической и биологической рекультивации:
1 — земли постоянного пользования; 2 — земли временного пользования
процессов и явлений и, наконец, для выбора площадок строительства дополнительных объектов и сооружений.
Согласно земельному законодательству ООО "Ямбурггаздобыча" осуществляет возврат земель временного пользования и некоторых земель постоянного пользования после проведения рекультивации нарушенных земель. Диаграмма возврата земель в период 1994—1998гг. приведена на рис. 14.1. В настоящее время рабочие проекты рекультивации носят достаточно формальный характер, не в полной мере отражают особенности нарушенного участка, закономерности изменения составляющих экосистем и современные представления о восстановлении земель.
Глава 15
КЛАССИФИКАТОР МЕРОПРИЯТИЙПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ И РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ
ОБЩАЯ СХЕМА КЛАССИФИКАТОРА ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮНАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Схема классификатора мероприятий по восстановлению нарушенных земель приведена в табл. 15.1. Маршрутные обследования территорий месторождения с различной степенью нарушений почвенно-растительного покрова, полевые и лабораторные опыты позволяют выделить три вида мероприятий по восстановлению нарушенных территорий:
естественное восстановление почвенно-растительного покрова. Оно обеспечивается невмешательством в естественные процессы путем устранения дальнейшего техногенного воздействия;
биологическая рекультивация. В свою очередь она включает ряд видов, отличающихся по содержанию мероприятий в зависимости от конкретных условий;
инженерно-биологическая рекультивация, предусматривающая кроме биологических методов специальные противо- эрозионные мероприятия.
Обязательной составной частью перечисленных мероприятий является первичная техническая рекультивация, включающая минимальное вмешательство в естественные процессы, — очистку территорий от мусора и ее локальную планировку.
Таблица 15.1
Рекомендации по рекультивации нарушенных земель криолитозоны
Вид мероприятия
Содержание мероприятий
Характеристика территорий согласно классификатору нарушений
1. Естественное восстановление
Невмешательство в естественные процессы восстановления устранением техногенных нагрузок
Ан22, Ап31, А1132, А1222> А12зр А1232- А213р А2132, А22з2. В) 132' ®1232
2. Биологическая рекультивация
Легкая стимуляция естественного зарастания путем внесения малых доз удобрений (NPK)30 или альгомелиорация
А121Р А)212- А]22р А2212' А2221, А213Р В1131, В123р
В21ЗР В21325
Внесение удобрений (NPK)^ и подсев семян или альгомелиорация
Ац12' Ан2р А2122* А221р А2222' В|222' В2122- В3131, Вз132- В32зр В3232
Внесение торфа (50 — 100 т/га) и подсев семян
Ащр А2П2, А2ЦР А2121, В122Р В2121
Внесение торфа, удобрений и посев семян: 50 — 150 т/га, удобрения — Изо - (NPK)60
Вц22- ВП12, В2]12
3. Инженернобиологическая рекультивация
Биологическая рекультивация с локальным применением противоэрози- онных мероприятий
Вц1р ВН21
Противоэрозионные мероприятия и биологическая рекультивация
Взпр взи2, В2111
В табл. 15.1 расчет массы торфа произведен при следующих условиях: степень разложения слабая — 20 — 30 %, степень влажности сухая — до 30 %, плотность — 150 — 250 кг/м3.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИНАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ КРИОЛИТОЗОНЫ
Рекомендации составлены в форме временной инструкции для условий газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера.
Восстановление нарушенных земель осуществляется согласно проектам рекультивации.
При разработке проектов рекультивации нарушенных
земель на площадные и линейные сооружения согласно ГОСТ 17.5.3.04 — 83 следует учитывать:
местные природно-климатические и почвенные условия района;
перспективы экономического и хозяйственного развития района;
характер использования земель до начала разработок;
пространственное расположение нарушенных земель;
фактическое и прогнозируемое состояние нарушенных земель к моменту рекультивации площади, формы техногенного рельефа;
степень естественного зарастания, современное и перспективное использование земель, наличие плодородного слоя почвы и потенциально плодородных пород;
подтопление, иссушение, эрозионные процессы, уровень загрязнения почвы и др.;
показатели химического и гранулометрического состава, агрохимические свойства и инженерно-геологические характеристики почвенного покрова;
хозяйственные, социально-экономические и санитарно- гигиенические условия района размещения нарушенных земель;
срок использования рекультивируемых земель и возможность повторных нарушений;
необходимость охраны земель от загрязнения пылью, газовыми выбросами и сточными водами в соответствии с установленными нормами.
Основные направления рекультивации нарушенных земель на территории Ямбургского ГКМ сводятся к следующему: природоохранное и санитарно-гигиеническое направление рекультивации при строительстве площадочных и линейных сооружений предназначено для восстановления и улучшения естественных ландшафтов с целью предотвращения отрицательного воздействия нарушенных земель на промышленные объекты и способствует охране окружающей среды.
Рабочий проект рекультивации нарушенных земель разрабатывается в соответствии с действующими земельноправовыми нормами с учетом результатов научно-исследовательских работ.
Инженерные изыскания выполняются в соответствии с требованиями Временных указаний по разработке рабочих проектов рекультивации нарушенных (нарушаемых) земель (М., 1983), Инструкции по инженерным изысканиям для про-
мышленного строительства, Указаний по крупномасштабной съемке нарушенных земель, проводимой органами землеустройства для целей рекультивации (Минсельхоз СССР, 1981), Временными указаниями по почвенному и почвенногрунтовому обследованию при проектировании рекультивации земель, снятия, сохранения и использования плодородного слоя почв, утвержденными Минсельхозом РСФСР 14.05.75 г.
Технико-экономические показатели проекта рекультивации основываются на материалах топографо-геодезических, геокриологических, геоботанических, почвенных изысканий на нарушенной территории. Проект рекультивации должен содержать характеристику климатических условий почвеннорастительного покрова, геокриологических условий залегания поверхностного слоя пород. Главная часть проекта — разработка комплекса восстановительных природоохранных работ, в котором должен быть представлен план инженернобиологических мероприятий с научно-техническим и экономическим обоснованием. Рабочий проект содержит также раздел по организации работ при восстановлении нарушенных земель, сметную документацию и чертежи.
Комплекс восстановительных природоохранных работ включает инженерную и биологическую рекультивацию.
План работ по инженерной рекультивации карьеров и нарушенных участков вблизи инженерных сооружений при наличии склоновых процессов и овражной термоэрозии должен предусматривать следующие основные мероприятия:
устройство временных подъездных дорог из привозного грунта, при выборе направления которых учитывается сохранение ненарушенного почвенно-растительного покрова и безопасность линейных сооружений (шлейфов, коллекторов, теплотрасс и др.);
выполаживание откосов, карьеров и неглубоких карьеров до 1 м при предварительном снятии гумусово-аккумулятивного горизонта почвы с учетом его мощности;
разработку и перемешивание грунта в срезках и засыпках;
разработку и перемещение грунта во временные отвалы;
засыпку планировочным и привозным грунтом средних и. глубоких оврагов (1,0 м) с послойным уплотнением грунта;
грубую планировку поверхности с движением бульдозера только поперек склонов даже при незначительной крутизне;
устройство на водосборной площади противоэрозионных валов;
разработку торфа в торфокарьере экскаватором с погрузкой на автосамосвалы, транспортировку и нанесение на рекультивируемый участок;
обработку торфа с верхним слоем нарушенной песчаной почвы дорожной фрезой ДС-74 на глубину 5 —10 см с образованием торфопесчаного слоя;
посев многолетних трав;
послепосевное прикатывание.
Рекомендуются водоотводящие и водонаправляющие валы-канавы, а также специальные ложбины стока по засыпанным оврагам. Устройство напашных валов на участках ненарушенного почвенно-растительного покрова необходимо исключить.
При разработке рабочих проектов нарушенных участков отдельные мероприятия плана в зависимости от конкретных условий могут быть исключены или изменены. При этом содержание комплекса мероприятий должно быть научно обоснованным и исходить из основополагающих экологических принципов: ограниченность технического вмешательства и достаточность приближения условий рекультивированного участка к условиям естественных ненарушенных территорий.
Противоэрозионные мероприятия относятся к этапу инженерной рекультивации.
Противоэрозионные мероприятия направлены на предотвращение повторных размывов выположенных и засыпанных оврагов, возникновение новых овражных систем на рекультивируемой территории. Защита от оврагообразования для конкретных участков сводится к научно-техническому обоснованию и составлению схем частных методов защиты для предупреждения, ослабления, исключения термоэрозии или полного восстановления нарушенных оврагами участков.
Разработку комплекса противоэрозионных мероприятий по защите от овражной термоэрозии для конкретных участков с развитым оврагообразованием рекомендуется обосновывать по методике с выделением следующих этапов выполнения:
исследование закономерностей проявления процесса овражной термоэрозии в зависимости от вида, масштаба, продолжительности техногенного воздействия, условий природной среды;
определение количественных параметров оврагов, его возраста и стадии развития;
проведение количественного прогноза новообразований отвершков;
оценка термоэрозионной опасности для нормальной эксплуатации и устойчивости инженерных сооружений и коммуникаций на прогнозируемый период;
выбор эффективных методов защиты от оврагообразова- ния, исходя из общих методов с учетом природноэкономических условий района применения, а также результатов проведенных исследований и расчетов;
эколого-экономическое обоснование противоэрозионных мероприятий, включающее расчеты экономической эффективности.
Составление противоэрозионных мероприятий и отбор частных методов по защите от оврагообразования осуществляется с учетом природно-экономических условий района применения. Например, на севере Западной Сибири широко распространены песчаные грунты, имеются значительные залежи торфа, но отсутствуют гравийно-каменные и древесные материалы. Удаленность от промышленных центров, недостаточное развитие транспортных сетей, высокая стоимость транспортировки ограничивают применение методов с широким использованием привозных материалов и конструкций.
В этой связи особое практическое значение приобретают разработанные профилактические противоэрозионные составы (ППС) для локального применения при защите от овражной термоэрозии на севере Западной Сибири следующим образом:
специальные ложбины стока покрывают ППС мощностью 0,2 — 0,4 м. Состав, приготовленный на исходном грунте с избыточной влажностью 8 %, рекомендуется укладывать свежеприготовленным на сухое основание и уплотнять. Выстойка ППС без последующего нарушения пористой структуры увеличивает противоэрозионную устойчивость на порядок;
при устройстве водозадерживающих валов, водоотводящих и водонаправляющих валов и канав, предназначенных для отсечения водосборов от вершин развивающихся оврагов, их поверхности покрывают ППС мощностью 0,2 — 0,4 м с последующим уплотнением;
ППС засыпают вершины оврагов и отвершков на всю глубину с последующим уплотнением;
из ППС устраивают водопрочное покрытие мощностью до 0,2 м на основном объеме оврага, который предварительно планируют и отсыпают естественным грунтом;
ППС отсыпают оголовки водопропусков и места сопряжения гидротехнических устройств с земляной поверхностью;
ППС мощностью 0,025 — 0,040 м используют при инженерно-биологическом способе закрепления подвижных тундровых почв техногенно-нарушенных склонов с применением местных растений-рекультивантов.
Для регулирования стока с естественного водосбора проектируются водозадерживающие или водоотводящие валы-канавы с покрытием из профилактического противоэро- зионного состава.
Следует отказаться от устройства валов на прилегающей к участку территории, так как дополнительное техногенное воздействие может привести к катастрофическому оврагообразованию, термокарсту, солифлюкции и другим нежелательным последствиям. Вместо этого сохраняется направление концентрированных стоков по уже имеющемуся оврагу, по поверхности которого после выполаживания и засыпки устраивается специальная ложбина стока. Основание ложбины выполняется из противоэрозионного состава типа А, а поверхностное покрытие — из противоэрозионного состава типа В.
Профилактический противоэрозионный состав первого типа содержит нефтяной структурообразователь универ- син "В" в количестве 4 % (масс.) и мелкий пылеватый песок при влажности до 10 % и имеет высокую противоэрозионную устойчивость порядка 105Н при коэффициенте морозостойкости около 0,8 и низкой прочности на сжатие (0,5 — 3,3 кгс/см2).
Профилактический противоэрозионный состав второго типа отличается добавкой цемента в количестве 4 — 8 % (масс.) при влажности мелкого пылеватого песка 15 — 20% и имеет противоэрозионную устойчивость порядка 10б Н при коэффициенте морозостойкости 0,75 — 0,8 и повышенной прочности на сжатие (до 26 кгс/см2). Технология приготовления профилактических противоэрозионных составов промышленными способами апробирована на предприятиях "Надымгазпром'', "Ямбурггаздобыча" и в Нижневартовскдор- ремстрое.
Приготовление ППС в относительно небольших количествах для защиты от термоэрозии отдельных удаленных овражных систем рекомендуется производить автогрейдером на твердом основании (например, на бетонном покрытии автодороги) в следующей последовательности.
Самосвалами завозят грунт — мелкий пылеватый пе-
сок, гидронамывной песок или супесь, который разгружают с интервалом через две дорожные плиты.
Нефтяной структурообразователь универсин “В" доставляют битумовозом, автогудронатором или другой специальной техникой перед приготовлением состава.
Автогрейдер сооружает грунтовый валик с площадью поперечного сечения 0,5 —1,2 м2 на выбранной, например, правой стороне бетонного покрытия автодороги. Так, при S = 0,5 м2 и доставке универсина “В" в битумозаправщике емкостью 5,5 м3 устраивается валик длиной около 150 м. На гребне валика автогрейдер делает канавку или бороздку для внесения структурирующих компонентов. При влажности грунта более 8 % его предварительно подсушивают путем перелопачивания валика автогрейдером.
Универсин “В" вносят в грунт из шланга битумоза- правщика в канавку валика с последующим тщательным перемешиванием смеси автогрейдером. Готовый состав сгребают в бурты, из которых экскаватором перегружают в автосамосвал и отвозят на место применения.
Для защиты от термоэрозии тех объектов, где значительные площади прилегающих участков имеют полностью нарушенный почвенно-растительный покров с развивающимися небольшими отвершками, рекомендуется технология приготовления ППС, в основу которой положен метод смешения компонентов дорожной фрезой на грунтовом основании.
Устройство противоэрозионного покрытия из ППС производится в следующем порядке: рыхление поверхности грунта нарушенного участка автогрейдером типа ДС-98; розлив универсина “В" и перемешивание его с грунтом дорожной фрезой ДС-74; перемещение готового ППС на участки укладки грейдером или бульдозером, разравнивание ППС с последующим уплотнением пневмокатком типа ДУ-16Г.
Рыхление грунта производят на глубину до 20 — 22 см зубьями, установленными в передней части машины, за один проход по одному следу.
Розлив универсина "В" на разрыхленный грунт можно производить не только из шланга битумовоза, но и специально переоборудованным самосвалом "Татра" с подключенным обогревом кузова. Розлив производится через патрубок диаметром 0,05 м, выведенный через левую сторону автомобиля на расстояние 0,5 м, что позволяет оператору- водителю непосредственно контролировать расход универсина “В" в зоне розлива. Расход нефтяного структурообразова-
теля определяется расчетом. Контроль ведется из расчета розлива универсина "В" из емкости автомобиля 12 м3 на полосе длиной 120 м и шириной 4,2 м. При этом в слое грунта мощностью 22 см будет достигнута его концентрация около 4 % (масс.).
Перемешивание грунта с универсином "В" производят за 4 —5 проходов фрезы по одному следу. Контроль за качеством перемешивания производят визуально по 6—10 пробам с участка после проходов фрезы. Перемешивание считается однородным, если темные пятна имеют размеры не менее 1 см.
Готовый ППС перемещают автогрейдером или бульдозером на участки применения (склоны, овраги и др.) и разравнивают в противоэрозионный слой соответствующей мощности. Уплотнение противоэрозионного слоя производят катком на пневматических шинах ДУ-16Г, загруженным балластом, или другими специальными катками. Противоэрози- онное покрытие считается готовым после уплотнения до плотности состава в слое 1800 — 2000 кг/м3.
При укреплении склонов пневмокаток движется поперек склона с образованием борозд от протекторов. Эти борозды будут дополнительно рассредоточивать поверхностный сток по закрепленному склону, что уменьшит возможность водной эрозии на участках биологической рекультивации.
Для расширения временного интервала производства работ разработана технология приготовления профилактических противоэрозионных составов путем смешения их компонентов в передвижной автоматизированной установке ДС-50Б.
Перед началом работы установки производят настройку дозаторов песка и нефтяного структурообразователя. В дальнейшем точность настройки контролируется постоянно через тензометрический датчик весового дозатора.
Песок, доставленный автосамосвалами из карьера, надвигают к подпорной стенке в штабель, откуда одноковшовым экскаватором подают в два бункера дозаторов песка и далее по транспортерам — в камеру смешивания.
Нефтяной структурообразователь, доставленный битумовозом, закачивают в битумную емкость, оснащенную электронагревателями.
Отдозированный универсин “В" в дозаторе непрерывного действия в количестве 4 % (масс.) от массы песка подают в мешалку и перемешивают с песком.
Готовый материал выгружают в кузов самосвала или в накопительный бункер. Применение бункера улучшает ритмичность приготовления ППС и его применения в проти- воэрозионных мероприятиях или для целей дорожного строительства.
Нефтяной структурообразователь универсин "В" выпускается АО "Уфанефтехим".
Применение универсина "В" экологически обосновано. Универсин "В" представляет собой подвижную маслянистую жидкость темно-коричневого цвета. Это малотоксичное и малоопасное соединение (IV класс опасности по ГОСТ 12.1.007 — 76) обладает умеренным местно-раздражающим действием. В заключении Уфимского НИИ гигиены и профзаболеваний о токсичности и опасности универсина “В" указывается, что он не представляет большой опасности для развития острых и подострых отравлений. Согласно санитарно- гигиеническому заключению о возможности применения универсина “В", выданному городской санитарно-эпидемиологической станцией, концентрация паров масел в период размыва и через 18 ч ниже ПДК. Для воды рыбохозяйственных водоемов ПДК универсина "В" составляет 0,05 мг/л; заключение об этом выдано Главным управлением по охране и воспроизводству рыбных запасов и регулированию рыболовства (б. "Главрыбвод” СССР). Анализ на водовымывае- мость нефтепродуктов из ППС, выполненный БашНИИНП, показал, что она ниже ПДК для воды рыбохозяйственных водоемов. Заключение о влиянии универсина “В" на развитие растений, выданное Институтом биологии Башкирского научного центра Уральского отделения АН СССР, подтверждает, что при содержании универсина "В" в ППС около 5 % увеличивается фитомасса растений.
Биологическая рекультивация осуществляется после инженерной на всей нарушенной территории, включая площади, образующиеся при выполаживании откосов. Цель биологической рекультивации — создание устойчивых по времени сообществ, связывающих верхние слои субстрата и препятствующих при этом водной и ветровой эрозии.
Мероприятия биологической рекультивации разрабатываются при соблюдении основного принципа достаточности приближения агрохимических свойств создаваемого почвенного слоя рекультивируемого участка к свойствам естественных ненарушенных почв окружающей территории.
Практическая реализация принципа достаточности приближения условий заключается в подборе минимально 10* 291
возможных количеств минеральных удобрений и торфа, обеспечивающих благоприятные стартовые условия для рас- тений-рекультивантов.
В качестве растений-рекультивантов используются местные злаки, приспособленные к обедненным питательными элементами кислым и маломощным почвам территории северных месторождений. Однако возможно их сочетание в травосмеси с культурными растениями.
Подбор растений, определение доз вносимых минеральных удобрений, торфа, норм высева семян происходят в два этапа. На первом проводятся полевые и лабораторные геоботанические, агрохимические и физико-химические исследования почв нарушенного и естественного почвеннорастительного покрова, на втором выполняются вегетационные или полевые опыты по определению стартовых доз удобрений и норм высева травосмесей.
Проведенные исследования показали, что с помощью вегетационных опытов можно успешно определить стартовые дозы при относительно небольших затратах времени и средств. При этом получены данные, позволяющие сделать следующие выводы.
При рекультивации нарушенных тундровых почв наиболее благоприятные условия для роста и развития растений создаются при внесении в нее торфа из расчета 50 т/га и минеральных удобрений в количестве (NPK)^.
Достаточно хорошее развитие растений происходит при внесении 50—100т/га торфа и только азотных удобрений в количестве 30 кг действующего вещества на га (NPK)^.
Следует исключить использование извести на тундровых почвах, так как известкование, как правило, не оказывает положительного действия на рост и развитие тундровой растительности и в ряде случаев даже угнетает.
При проведении рекультивации достаточно перемешивать внесенную дозу торфа с верхним 5-сантиметровым слоем грунта. Для упрощения технологии перемешивания торфа с поверхностным слоем грунта рекомендуется слой мощностью 10 см. При этом количество торфа должно соответствовать дозе 50 — 100 т/га.
Соблюдение принципа достаточности приближения условий обеспечивает:
восстановление почвенно-растительного покрова, приближающегося к естественному покрову тундры и устойчивого к колебаниям климатических условий;
снижение производственных затрат по приобретению,
разработке, доставке и внесению в грунт минеральных удобрений и торфа;
уменьшение дополнительных техногенных нарушений тундры за счет снижения разработок торфяных залежей;
исключение опасности загрязнения тундры большими дозами минеральных удобрений и извести.
Учитывая климатические условия зоны, все виды работ следует проводить в сжатые сроки, поэтапно. В цикл работ по восстановлению почвенно-растительного покрова входят следующие этапы.
Внесение торфа из расчета 50 —100 т на га и обработка дорожной фрезой ДС-74 на глубину 5—10 см. В результате на участке, подлежащем восстановлению, образуется плодородный слой мощностью около 10 см. Для выполнения работ по внесению торфа требуется следующее техническое обеспечение: бульдозер, самосвал, экскаватор-погрузчик, дорожная фреза.
Посев травосмесей местных дикорастущих, а также инорайонных культурных сортов широкорядными сеялками типа СЗГ-3,6 с глубиной заделки семян 2 —Зсм. Подготовительный участок засеивается смесью местных дикорастущих трав с культурными сортами в соотношении 1:2 с нормой высева 7 — 8 кг/га. При таком соотношении местных и культурных сортов культурные злаки, имеющие высокую всхожесть семян, обеспечивают задернение в первые 1—2 года. При этом семена злаков, адаптированных к местным условиям, но имеющих длительный период произрастания, гарантируют постоянное покрытие на рекультивируемом участке даже после выпадания (замерзания) культурных злаков. Из местных дикорастущих видов наиболее эффективны для посева вейник лапландский, овсяница овечья, щучка Сукачева. Наиболее распространенным видом многолетних трав, используемых для создания травостоя, является кострец безостый. По данным полевых опытов, на третий год культурные инорайонные сорта злаков полностью выпали из состава травосмеси. Местные дикорастущие злаки плодоносят и занимают до 95 % проективного покрытия поверхности при задернении около 50 %.
Внесение научно обоснованных доз минеральных удобрений. Работы могут выполняться газонными сеялками.,
Послепосевное прикатывание поверхности. С этой целью применяют водоливный каток или каток на пневматических шинах ДО-16Г; при этом движение осуществляется поперек склонов.
Комплексы мероприятий по защите склонов от овражной термоэрозии и других склоновых процессов.
При прогнозе возникновения и развития оврагов или наличии неглубоких промоин (до 1 м) наиболее эффективным способом закрепления склонов является специальная биологическая рекультивация, предусматривающая нанесение про- тивоэрозионного слоя профилактического противоэрозион- ного состава в дополнение к биологической рекультивации.
Способ закрепления подвижных почв склоновых участков включает внесение на поверхность участка мелиоранта с использованием торфа и высевом семян, но отличается от известных тем, что с целью повышения эффективности закрепления подвижных почв и восстановления почвенно-растительного покрова первоначально на поверхность наносят смесь торфа и песчаной почвы в соотношении 1:3 с обеспечением толщины слоя 0,08—0,10 м. Затем высевают семена местных растений-рекультивантов (вейника лапландского, вейника пурпурового и овсяницы овечьей) в этот слой, после чего наносят профилактический противоэрозионный состав на основе универсина "В", содержащий около 4 — 5% нефтяного структурообразователя и мелкий пылеватый песок (толщина слоя 0,02 — 0,04 м).
При попадании водотоков на закрепленную предложенным способом песчаную почву предотвращается ее размыв благодаря высокой противоэрозионной устойчивости верхнего слоя и создаются благоприятные агрохимические условия для прорастания и развития растений-рекультивантов. Так, в полевых условиях на участках с противоэро- зионным покрытием на второй год после посева проективное покрытие растений увеличивалось на 5%. Агрохимический эффект обеспечивается оптимальностью концентрации и композиционного состава универсина "В”, а также локальным повышением температуры в корнеобитаемом слое в среднем на 2 — 3 *С; последнее улучшает физические условия развития растений и расширяет пределы вегетационного периода. Кроме того, немаловажен и факт нейтрализации кислотности торфа в корнеобитаемом слое при наличии верхнего противоэрозионного слоя, что повышает доступность питательных элементов для растений.
Данный способ биологической рекультивации позволяет: получить оптимальный агрохимический эффект для развития растений-рекультивантов из местных злаков; предотвратить вымывание семян, проростков и торфяного удобрения концентрированными водотоками талых, дождевых и ливне-
вых вод; повысить противоэрозионную устойчивость подвижных песчаных почв не менее чем в 1000 раз до начала развития растений; предотвратить развитие овражной термоэрозии и восстановить почвенно-растительный покров на рекультивированных склонах.
Проект рекультивации согласовывается со всеми землепользователями, органами государственного контроля за использованием земель и организациями, ведущими строительство. Передача землепользователям восстановленных земель должна осуществляться в установленном порядке.
Глава 16
ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫРАБОТАННЫХ КАРЬЕРОВ,ИХ ТИПИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
ОПИСАНИЕ КАРЬЕРОВ
С целью привязки классификатора техногенных нарушений к местности в качестве ключевых участков были выбраны выработанные карьеры на территории Ямбургского ГКМ. Полевое обследование карьеров проводилось по следующей схеме:
привязка на местности, ориентированная по компасу;
характеристика ландшафта;
определение типа ненарушенной почвы, залегающей поблизости от карьера;
определение типа растительности естественной тундры;
описание рельефа поверхности карьера, мезо- и микроналичия вывалов торфа и грунта, впадин, ям и т.д.;
определение величины и направления уклона поверхности карьера;
определение наличия водотоков, их величины и степени эрозионной опасности;
определение наличия останцев естественной тундры;
определение степени самозарастания;
первичное определение мероприятий по инженерной рекультивации;
первичное определение мероприятий по биологической рекультивации;
визуальное определение превышения фактической площади разработки над проектной;
нанесение на схеме основных характеристик карьера в соответствии с условными обозначениями.
Ниже приведено описание 22 выработанных карьеров.
Карьер № 56. Карьер расположен в 520 м от УКПГ-1 на плоском слабозаболоченном очень пологом склоне водораздела. Почвенный покров представлен перегнойно-торфянисто-глеевыми почвами небольшой мощности (А = 7 —9 см). Растительность: комплекс осоково-пушицевых кочкарных и мелкобугристых кустарничковых мохово-лишайниковых типов. Поверхность карьера в целом выровненная, в северной части имеются вывалы грунта с почвой. Уклон в сторону ручья от 1 до 3°. Выраженных эродированных водотоков нет. На поверхности карьера в центре несколько небольших озер. Самозарастание в центральной части карьера от 0 до 5 %, по понижениям зарастание осокой и пушицей до 70 %. Местами на въезде мусор, металлолом.
В инженерной рекультивации особой необходимости нет. Нужно разровнять вывалы в северной части. Биологическая рекультивация желательна.
Карьер № 109. Местонахождение: в 600 м на северо-восток от куста 109, 2800 м на В-СВ от УКПГ-1, третья морская терраса на левобережье р. Нгарка-Пойловояха.
Карьер расположен в приозерной депрессии. Почвенный покров ненарушенный тундры представлен комплексом болотных тундровых торфяно-глеевых и торфянисто- перегнойно-глеевых почв. Растительность: комплексы осоко- во-пушицево-кочкарных и плоскобугристых кустарничково- мохово-лишайниковых типов.
Поверхность карьера относительно плана разработки сильно увеличена. В средней части карьера образовались болотце и ручей. Уклоны в сторону болотца пологие, поверхность в целом неровная, много холмиков, вывалов грунта и торфа. Большое количество вывалов отмечается в западной части карьера. В восточной части много средних эродированных водотоков. Самозарастание склонов незначительное, но в пониженных местах в среднем 25 %; местами пушицевые ассоциации достигают 70 % проективного покрытия.
В плане инженерной рекультивации необходима частичная планировка западной части с разбросом торфа. Желательна биологическая рекультивация (посев трав можно проводить полосами).
Карьер № 112. Местонахождение карьера: в 520 м в западно-восточном направлении от УКПГ-1 площадки и 6350 м от точки 18/110.
Карьер расположен на выровненной плоской поверхности тундры, вблизи реки (пойма). Почвенный покров ненарушенной тундры представлен комплексом болотных тундровых торфяно-глеевых и торфянисто-перегнойно-глеевых почв (А = 10 см). Растительность: сообщества осоково-пушицево- кочкарных и мелкобугристых кустарничковых моховолишайниковых типов тундр. Поверхность карьера неровная, много холмиков и ям, вывалы грунта с торфом в основном по периферии карьера. Крупных эродированных водотоков нет, мелких мало. Уклон в сторону реки пологий, около 3°, местами до 5 — 7°. Самозарастания на поверхности почвы не наблюдается. Местами в понижениях до 5е проективного покрытия составляют осоки, вейник, пушица. Посев трав можно производить полосами поперек склона.
В плане инженерной рекультивации требуется планировка с разбросом вывалов грунта с торфом. Биологическая рекультивация необходима.
Карьеры № 12 и 49. Карьеры срослись в общую сложную систему, расположенную на увалистых водораздельных склонах, террасах и в пойме р. Яра-Яха и ее небольших притоков. Ненарушенные почвы: комплексы тундровых иллювиально-гумусовых (на повышенных дренированных участках) и тундровых торфянистых и перегнойно-торфянистых разной степени оглеения (на слабодренированных понижениях Ап.т = 10 см), а также мерзлотных пойменных торфянистоболотных различной мощности (в основном маломощные, Аг = 3 см).
Растительность представлена мелкобугристыми кустарничковыми моховыми и лишайниковыми типами на дренированных участках и осоко-пушицевыми кочкарными, ивняками мохово-травяными в депрессиях. На поверхности карьера № 49 останцы лиственницы.
Карьер № 12 находится в 3,3 км от автодороги пром- база - УКПГ-2.
Карьер расположен на увалистом склоне водораздела и первой надпойменной террасе. Поверхность неровная, много куч и холмиков, остатков вывалов грунта и почвы высотой до 5 —7 м. Много средних и малых водотоков. На западных и южных склонах несколько крупных эрозионноопасных водотоков. Общий уклон местами до 10 — 30° в сторону реки.
Самозарастание незначительное (от 0 до 5 %), но по склонам балки пятнами и полосами сохранилась естественная растительность.
Инженерная рекультивация необходима. В западной части
карьера на противоположном берегу основной площади на крутом эродированном склоне необходимо террасирование. Поверхностная планировка, засыпка ям должна проводиться без сбрасывания грунта на заросшие склоны и в пойму. Нужна биологическая рекультивация.
Карьер № 49 находится в 7 км на запад от УПКГ-2 у р. Яра-Яха. С юга на восток карьер органичен выположен- ными балками, поверхность неровная, много вывалов высотой до 5 — 7 м и холмиков грунта и грунта с песком. Мелких и средних водотоков много, но сильноэрозионноопасных нет, так как сток идет по отверткам оврага с ненарушенной растительностью. Общий уклон в реке неравномерный, от 5 до 30°. Самозарастание очень слабое — от 0 до 5% в микропонижениях.
Необходима инженерная рекультивация с засыпкой небольших и средних ям и планировкой поверхности. На крутых эродированных склонах необходимо террасирование. Биологическая рекультивация нужна.
Карьер № 10. Местонахождение: в 3 км к западу отУКПГ-3.
Карьер расположен на пологом склоне водораздела и первой надпойменной террасе р. Собетьяха. Почвы естественной тундры представлены мерзлотными тундровыми перегнойноторфянистыми почвами разной степени оглеения. Растительность — мелкобутристого кустарничково-лишайникового типа.
Поверхность карьера в целом выровненная, местами встречаются небольшие холмики и увалы. Небольших водотоков мало, крупных эродированных нет. Общий уклон небольшой, местами увеличиваются до 5 — 7°.
Самозарастание не выражено, от 0 до 5% по микропонижениям.
В инженерной рекультивации нет необходимости. Планировка поверхности проведена. Необходима биологическая рекультивация. Посев трав достаточно провести полосами (1 проход сеялки через 10 м).
Карьер № 17. Местонахождение: в 2,5 км к северо-западу от УКПГ-3, на правом берегу р. Собетьяха.
Карьер располагается на песчаном выровненном пляже речного берега. Почвы естественной тундры представлены мерзлотными перегнойно-торфянистыми разновидностями разной степени оглеения (Ап.т = 10 см). Растительность мелкобугристая кустарничково-лишайниковая. Рельеф на поверхности карьера выровненный, небольшие вывалы остались только со стороны дороги. Общий уклон поверхности
не превышает 3°. Эрозионных водотоков не обнаружено. Самозарастание хорошее, до 25 — 30 %. На поверхности карьера, по всей видимости, проведена планировка и разбросана почва вывалов. Как в инженерной, так и в биологической рекультивации нет необходимости (кроме уборки мусора).
Карьер №18. Местонахождение карьера: на правом берегу р. Верхняя Паеяха к северо-западу от УКПГ-3 на расстоянии 100 м.
Карьер расположен на пологом склоне водораздела, первой надпойменной террасе и в центральной пойме. Нарушенный почвенный покров представлен мерзлотными тундровыми перегнойно-торфянистыми почвами разной степени огле- ения. Растительность мелкобутристая кустарничково-моховолишайниковая. Поверхность карьера выровненная, проведена планировка, но оставлено много вывалов грунта, смешанного с почвой, особенно при переходе прирусловой части поймы в центральную. Общий уклон поверхности не превышает 3°. Выраженных эрозионных водотоков не наблюдается. Самозарастание очень незначительное, от 0 до 5 % в микропонижениях. На въезде много мусора и металлолома.
Дополнительной инженерной рекультивации поверхности карьера не требуется. Биологическая рекультивация нужна.
Карьер № 43М. Местонахождение: в 800 м к югу от куста скважин 414 на левом берегу р. Собетьяха-Тарка (до уреза воды 50 м с учетом охранной зоны) на территории ГП-4.
Карьер расположен на надпойменной террасе реки и пологом склоне первого водораздела. Почвенный покров ненарушенной тундры представлен перегнойно-торфянистоглеевыми почвами надпойменной террасы (Ап.т = 9 см) и тундровыми торфянисто-глеевыми (Ап.т = 18 см) на склоне водораздела. Растительность мелкобугристая кустарничковолишайниковая и кочкарная кустарничково-лишайниковая (лишайник между кочками — 100%). Поверхность карьера неровная, много вывалов грунта и грунта с почвой. По периметру карьера на границе с ненарушенной тундрой расположены вывалы грунта с почвой и высоким содержанием торфа. Много мелких и средних водотоков. В северной части имеется крупный водоток, образующий овраг с вывалами гранта (высотой 3 — 8 м) по краям. Встречаются довольно глубокие ямы. В целом площадь карьера не имеет выраженного уклона. Самозарастания не наблюдается. На въезде с юга отмечено наличие мусора (металлолома).
Инженерная рекультивация необходима. Для засыпки ям и водотоков осталось много вывалов в непосредственной бли-
зости к ним. После планировки вывалы торфа с периферии нужно разбросать по поверхности, поскольку нет необходимости оставлять барьер для предотвращения эрозии тундры ввиду незначительных уклонов. Биологическая рекультивация необходима.
Карьер № 52. Местонахождение: в 500 м юго-восточнее куста скважин 504 на территории ГП-5.
Карьер расположен на пологом склоне водораздела и первой надпойменной террасе р. Тангелахарвута. Почвы естественной тундры представлены мерзлотными тундровыми перегнойно-торфянистыми глееватыми (Ап.т = Зсм). Растительность мелкобугристая кустарничково-мохово-лишайниковая. Рельеф на поверхности карьера неоднородный. В восточной и западной частях карьера имеются вывалы грунта и грунта с почвой, повсеместно небольшие холмы и кучи. Со стороны дороги после закрепления грунта вблизи опор ЛЭП (металлолом засыпан и уплотнен) образовалась терраса или уступ высотой 1,5 —2,0 м. Много мелких и средних водотоков; крупных эродированных русел нет. Русло реки со стороны карьера частично засыпано. Общий уклон 3 — 5°, местами до 7—10°. Самозарастание развито слабо — до 5 %, в микропонижениях, вдоль русла реки и водотоков — до 10 — 15%.
В плане инженерной рекультивации планировку поверхности можно проводить локально: в центре сделать террасы через 10 —15 м, а в западной части нужна сплошная планировка. Биологическая рекультивация необходима.
Карьер № 53. Местонахождение: в 500 м к северо-востоку от куста скважин 504 на территории ГП-5.
Карьер расположен на пологом склоне водораздела и первой надпойменной террасе р. Тангелахарвута. На ненарушенной тундре залегают мерзлотные тундровые перегнойноторфянистые почвы разной степени оглеения (Ап.т = 14 — 18 см). Растительность мелкобутристая кустарничково-мохо- во-осоковая (лишайников - 5%). Поверхность карьера неровная. В северной части карьера много мелких водоемов. От одного из них ведет крупный эродированный овраг с ручьем, впадающим в речку. На границе карьера с тундрой оставлены вывалы грунта с почвой. В центральной части карьера, расположенной на первой надпойменной террасе, поверхность достаточно неровная, крутой склон к реке (до 45°) покрыт ненарушенной тундровой растительностью. Западная часть карьера отделяется балкой с пологими склонами. На поверхности много вывалов грунта до 2 м высотой. Общий уклон
незначительный (3 — 5°), местами до 7—15°. Самозарастание слабое, от 0 до 5% в микропонижениях и 15 — 20% на дне и склонах балок.
Требуется инженерная рекультивация (планировка местами) и биологическая (полосами).
Карьеры № 509/3, 509/5, 509/6. Местонахождение: в 1200 м на восток от куста скважин 509 на территории ГП-5.
Карьеры расположены в выровненной приозерной или межозерной низине. Почвенный покров представлен комплексом болотных тундровых торфянисто-глеевых почв бугров и торфяно-глеевых почв мочажин. Растительный покров — осоко-пушицево-кочкарная тундра.
Поверхность карьера 509/3 выровненная, без выраженных уклонов, по периметру карьера встречаются вывалы торфа, имеются небольшие озерца. Самозарастание в центральной части карьера 5 %, в микропонижениях и по берегам водоемов до 70 %.
В инженерной рекультивации нет необходимости. Торф из вывалов можно использовать на других объектах. Биологическая рекультивация не нужна.
Поверхность карьера 509/5 в целом выровненная, без выраженных уклонов, много небольших водоемов. Карьер окантован вывалами торфа. Самозарастание идет по пониженным местам и периферии водоемов (до 50 — 70%), на повышенных участках редко превышает 5 %.
Для рекультивации карьера необходимо разбросать торф вывалов по слабозарастающим участкам. Можно обойтись без посева трав, применив только локальную альгомелиора- цию.
Поверхность карьера 509/6 выровненная, без выраженных уклонов, много небольших водоемов. По периметру карьер окантован вывалами торфа. Самозарастание поверхности карьера очень хорошее: в северной части — 50 %, в южной части — до 70 %.
Карьер в рекультивации не нуждается. Торф вывалов можно использовать для присыпки в других местах.
Карьер №511. Карьер расположен на территории ГП-5 в высокой выровненной пойме р. Нгарка-Пойловояха. Ненарушенный почвенный покров представлен мерзлотными пойменными торфянисто-болотными (А = 10 см). Растительность мелкобугристая кустарничковая мохово-лишайниково-осоковая. Поверхность карьера в целом выровненная, встречаются остатки вывалов торфа. Небольших водотоков мало, крупных эродированных не обнаружено. Общий уклон
1—3. Самозарастание очень слабое, от 0 до 5 % в микропонижениях.
В инженерной рекультивации нет необходимости. Планировка проведена. Биологическая рекультивация необходима.
Карьер № 2. Местонахождение: у озера Салабато (Большое) на территории ГП-6.
Карьер гидронамывной. Ландшафт — полигональное болото. Почвенный покров в ненарушенных окрестностях карьера представлен болотными тундровыми торфяно-глеевыми и торфянисто-глеевыми типами. Растительность осоко- пушицево-кочкарная. На освобожденной от скоплений песка территории поверхность карьера выровнена, отдельные остатки вывалов песка 0,5—1,0 м встречаются повсеместно. Заметных продолжительных уклонов нет. Самозарастания не наблюдается. Если по завершении разработки на поверхности карьера не будет крупных вывалов, планировка не нужна. Биологическая рекультивация необходима, возможно использование альгомелиорации.
Карьер № 29. Местонахождение: в 50 м от куста скважин 608 на северо-запад на территории ГП-б.
Карьер расположен в центральной пойме р. Собетьяха. До разработки карьера почвенный покров был представлен сочетанием тундровых аллювиальных дерново-глеевых песчаных и аллювиальных болотных торфяно-глеевых почв. Растительность — комплексы мелкобугристых кустарничково- мохово-лишайниковых и осоково-пушицевых кочкарных типов. Рельеф на поверхности карьера выровненный пологий, уклон в сторону реки не превышает 3 — 5°. Степень самозарастания: от 0 на выровненных пространствах до 5 на микропонижениях, в мезопонижениях — до 25 %, в прирусловой части — до 50 %.
Инженерная рекультивация не нужна, биологическая желательна. Проведена планировка, гумусово-аккумулятивные слои почв (торфянистые) разбросаны по поверхности.
Карьер № 30. Местонахождение: в 750 м севернее УКПГ-6.
Карьер расположен на высоком берегу р. Собетьяха. Почвенный покров ненарушенной тундры представлен тундровой перегнойно-торфянисто-глееватой почвой. Растительный покров — мелкобугристая мохово-лишайниковая тундра (группа покрытия лишайником 41—70%), кустарнички (голубика, морошка, береза) очень мелкие и редкие. Поверхность карьера в целом выровненная, в восточной части вывалы грунта с перегнойно-торфянистым горизонтом высотой 1,5 —2,0 м. Общий уклон поверхности в пределах 3 — 5°. Несколько эрози-
онных водотоков мелкого и среднего размера. Самозараста- ние выражено слабо, от 0 до 5 % в микропонижениях.
В плане инженерной рекультивации желательно разбросать вывалы и спланировать восточную часть карьера. Биологическая рекультивация необходима. Посев трав можно производить полосами по одному проходу сеялки каждые 10 м.
Карьер № 61. Местонахождение: на территории ГП-6, в 625 м влево от точки 7384 по ходу трассы газопровода.
Проехать к карьеру можно только по зимнику. Карьер расположен на пологом склоне водораздела. Почвенный покров представлен тундровой перегнойно-торфянисто-глеева- той почвой (Ап.т = 5—7 см). Растительный покров — мелкобугристая кустарничково-лишайниковая тундра, степень покрытия лишайником 41—70%. На поверхности карьера много вывалов грунта, смешанного с перегнойно-торфянистым горизонтом почвы, высотой до 1,5 —2,0 м; встречаются небольшие холмики и кучки грунта. Общий уклон поверхности в пределах 3е. Самозарастание на вывалах доходит до 30 %. Основные виды растительности — мхи и лишайники (до 10%), злаки, разнотравье. Между увалами и по микропонижениям — осоки, пушица многогнездная, хвощ.
В связи с хорошим самозарастанием поверхности карьера и отсутствием крупных эродируемых водотоков инженерная рекультивация не требуется, несмотря на выраженность мезорельефа; в биологической также нет необходимости.
Карьеры № 26 и 26а. Карьеры № 26 и 26а находятся в промзоне пос. Ямбург и срослись в общую систему. Расположены на первой надпойменной террасе р. Нюдя-Адлюдръе- поко и выровненных участках водораздельных склонов. Ненарушенный почвенный покров со стороны реки представлен неразвитыми песчаными почвами в прирусловой части, мерзлотными пойменными торфянисто-болотными в понижениях, мерзлотными пойменными торфяно-болотными в притеррасной части поймы. На ненарушенных склонах водоразделов залегают мерзлотные тундровые перегнойноторфянистые разной степени оглеения, в межувалистых понижениях — мерзлотные торфянистые и торфяно-болотные. Растительность в пойме представлена пойменными осоко- злаково-разнотравными типами, на склонах водораздела и первой надпойменной террасе — мелкобутристыми кустарничково-моховыми и кустарничково-лишайниковыми типами. Поверхность карьера очень неоднородная, много вывалов грунта, перемешанного с почвой, высотой до 5 —8 м. Гряды вывалов расположены преимущественно вдоль уклона по на-
правлению юг — север. Поверхность карьера изрезана многочисленными мелкими водотоками и промоинами разной глубины. Общий уклон неравномерный: от 5 — 7” на большей части до 15 — 30° на отдельных участках. Крутые обрывы наблюдаются на западной оконечности карьера 26а. Ближе к руслу реки и на поверхности карьера встречаются редкие останцы естественной тундры. Самозарастание в целом выражено слабо, развитие осоково-пушицевых и злакоосоковых отмечается преимущественно в более увлажненных местах между вывалами и грядами.
Требуется инженерная рекультивация с засыпкой оврагов и впадин, планировкой и закреплением базисов эрозии. Биологическая рекультивация необходима.
Карьер № 43. Местонахождение: в 6,5 км на северо-восток от пос. Ямбург.
Карьер расположен на пологом склоне водораздела и в центральной пойме р Нюдч-Адлюдръепоко. Почва ненарушенной тундры на склоне водораздела мерзлотная тундровая перегнойно-торфянисто-глееватая, в центральной пойме — сочетания мерзлотных пойменных аллювиальных (дерновоглеевых) почв повышенных участков и грив и мерзлотных пойменных торфянисто-болотных почв депрессий. Растительность мелкобугристая кустарничково-моховая, кустарничково-лишайниковая на дренированных участках и осоково-пушицево-лишайниковая на увлажненных.
Поверхность карьера неровная, много куч и холмов грунта, вывалов грунта с почвой высотой до 3 м, встречаются останцы. На границе ненарушенной тундры и собственно карьера, уходящего в пойму, расположены вывалы грунта с почвой. Для предотвращения эрозии тундры над карьером необходимо их сохранить. В то же время непосредственно за вывалами находится довольно крутой эродированный склон, поэтому лучше часть вывалов (1/2) сбросить на склон, что будет способствовать самозарастанию и улучшит условия произрастания посеянных семян. На поверхности карьера много мелких водотоков и пять средних, в южной части образуется овраг. Крупная балка в центре оврага в эрозионном отношении не опасна. Общий уклон поверхности оврага небольшой, но на отдельных участках увеличивается до 20—30°. Самозарастание на выровненных уплотненных склонах очень низкое, в понижениях осоково-пушицевые ассоциации развиваются до 70 % уровня покрытия. Со стороны автодороги и около озера много мусора.
Инженерная и биологическая рекультивация необходима.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙРЕКУЛЬТИВАЦИИ КАРЬЕРОВ И ИХ ТИПИЗАЦИЯ
При проведении рекультивационных мероприятий в первую очередь необходимо обеспечить достаточно быстрое и надежное восстановление почвенно-растительного покрова с минимальными затратами. При этом должна быть исключена возможность дополнительных нарушений окрестного ландшафта и загрязнение химическими мелиорантами и удобрениями. Этим условиям наиболее полно удовлетворяет инженерно-биологическая рекультивация. В зависимости от конкретных условий и индивидуальных характеристик поверхности карьера любой из компонентов инженерной или биологической рекультивации может отсутствовать. Биологическая рекультивация, как правило, проводится после инженерной, однако может быть осуществлена и самостоятельно.
Целью инженерной рекультивации является восстановление нарушенного ландшафта после выемки грунта на карьере, но главное — она должна подготовить основу для биологической рекультивации, обеспечить достаточно ровный мезо- и макрорельеф, предотвратить возможность криогенной, водной и ветровой эрозии.
Основные мероприятия по инженерной рекультивации, основанные на анализе фактического состояния поверхности выработанных карьеров, указаны в табл. 16.1. Для оценки сложности отдельных мероприятий инженерной рекультивации была использована условная шкала от 0 (инженерная ре-
Таблица 16.1
Оценка сложности по инженерной рекультивации
Мероприятие
Оценка сложности, балл
Устройство временных подъездных дорог, при выборе направления которых учитывается сохранение ненарушенного почвенно-растительного покрова и безопасность линейных сооружений
10
Очистка поверхности карьера от мусора (металлолом, железобетонные блоки и плиты, древесные отходы, пенопласт и т.д.)
5
Планировка поверхности с одновременной засыпкой планировочным грунтом небольших ям, водотоков и т.п. (глубиной 5 1,5 м)
5
Засыпка средних и глубоких эрозионноопасных водотоков и оврагов (> 1,5 м) грунтом вывалов с послойным его уплотнением
10
Продолжение табл. 16.1
Мероприятие
Оценка сложности, балл
Выполаживание откосов карьеров крутизной от 9 — 18е до 9е
10
Устройство ступенчатых террас на склонах крутизной более 18е
15
Устройство на водосборной площади противоэрози- онных водоотводящих и водонаправляющих валов и канав с укреплением ложбин зарегулированных водотоков профилактическим противоэрозионным составом (при необходимости)
20
Укрепление откосов и зарегулирование русла крупных эрозионноопасных водотоков и оврагов (с использованием отработанных дорожных плит, профилактических противоэрозионных составов и Т.Д.)
25
культивация не требуется) до 100 баллов (необходимы все виды рекультивации). С учетом сложности отдельных мероприятий, потребностью в технике, материальных и трудовых затратах и т.д. дается их оценка в баллах.
Оценка мероприятий по биологической рекультивации дана в табл. 16.2.
Таблица 16.2
Оценка сложности мероприятий по биологической рекультивации
Мероприятие
Оценка сложности, балл
Возвращение плодородного почвенного слоя (обычно оторфованного), сбуртованного до выработки карьера
5
Внесение торфа из расчета 25 т/га при отсутствии сбуртованного почвенного слоя или при очень низком содержании органического материала в буртах
20
Рыхление поверхности карьеров (дисковыми боронами, культиваторами и т.п.)
5
Внесение стартовых доз минеральных удобрений (РКзо или NPK30) на участки, где разбросаны вывалы грунта с торфом
15
Посев местных трав (сплошной) с послепосевным прикатыванием (норма высева 7 — 8 кг/га)
25
Посев местных трав локальный (полосами шириной в один проход сеялки через 10 м на пологих склонах и выровненных участках и через 5 м на склонах крутизной более 6°)
Альгомелиорация (внесение почвенных водорослей) на увлажненных участках (сплошная)
15
Альгомелиорация локальная
5
Обобщенные результаты обследования карьеров, мероприятия по инженерной и биологической рекультивации, а также оценка их сложности приведены в табл. 16.3. Для каждого карьера получена суммарная оценка сложности его рекультивации, которая для 22 обследованных карьеров изменяется в пределах от 0 до 45 баллов. Сопоставление всех полученных данных позволяет выделить семь классов сложности рекультивации карьеров (табл. 16.4).
В соответствии с этим делением к I классу сложности относятся пять карьеров (№ 17, 509/3, 509/5, 509/6, 61). Общим для них является относительная выровненность рельефа и хорошее самозарастание, которое определяется не столько временем, сколько увлажненностью грунта. Карьеры I класса обычно расположены в выровненных приозерных депрессиях или на речных пляжах. Эти карьеры не нуждаются в рекультивации, хотя подсев трав или локальная альгомелиора- ция ускорили бы их восстановление. Следует отметить, что на всех карьерах этого класса уже была проведена планировка и разбросаны предварительно складированные вывалы с торфом.
Ко II классу сложности относятся три карьера (№ 9, 18, 29), для которых характерна в целом выровненная поверхность с небольшими уклонами, но в отличие от I класса самозарастание очень низкое. Сроки выработки карьеров определить не удалось, однако предпосылок для относительно быстрого самозарастания нет, так как условия увлажненности грунта здесь хуже, чем на карьерах I класса, и расположены карьеры как в поймах, так и на надпойменных террасах и склонах водоразделов. На карьерах этого класса можно обойтись без дополнительной инженерной рекультивации (планировка и разброс вывалов на них уже проведены), но они нуждаются в подсеве трав или скальной альгомелиорации.
К III классу сложности относятся пять карьеров (№ 56, 112, 52, 511/1, 30), для которых характерно наличие небольших холмов грунта или ям, остатков вывалов грунта или грунта с торфом по периферии, а также мусора. Уклоны на карьерах этого класса небольшие, количество малых и средних водотоков невелико, крупных эрозионноопасных водотоков нет. На таких карьерах обычно необходимы планировка с разбросом вывалов с торфом и уборка мусора. Учитывая незначительное самозарастание, требуется проводить подсев трав (полосами) и (или) локальную альгомелиорацию. До посева необходимо провести рыхление и внести стартовые дозы минеральных удобрений.
Таблица 16.3
Оценка мероприятий по инженерной и биологической рекультивации карьеров
Характеристика
Номер
Площадь
Превышение
Площадь
Сравнительный критерий
Срок разработки
Инженерная рекультивация
Биологическая рекультивация
Общая оценка
Класс сложности
карьера
по проекту, м2
площади (визуально), %
разработки, м2
Кср, по отношению к площади 500 000 м2
Начало Конец
Возраст самоза- раста- ния Е, годы
Номер вида по табл.
16.1
Баллы по табл.
16.2
Номер вида по табл.
16.1
Баллы по табл.
16.2
опасности, баллы
рекультивации по табл. 16.4
УКПГ-1, К-56
120000
10
132 000
2,64
2
3
5
5
1 2
4 6
5 5
15 10
45
III
УКПГ-1, К-109
26 050
150
78000
1,56
2
3
4
5 5
10
1
3
4
6 8
5 5 15
10 5
60
IV
УКПГ-1, К-112
100000
10
110000
2,20
02.87
11,87
5
3
5
1
3 4
6 8
5 5 15
10 5
45
III
УКПГ-2, К-12
6 760 000
50
101 400
2,03
06.68
10,88
4
2 3
4
5
6 7
5 5
10 10
15 20
1
3
4
5 6
8
5 5 15 25 10
5
130
VI
УКПГ-2, К-49
331000
0
331000
6,62
Конец 1990- 1991 г.
1-2
2 3
4
5
6
5 5 10 10 15
1
3
4 5
6 8
5 5 15 25 10
5
110
VI
УКПГ-3, К-9
93900
10
103 330
2,07
—
—
Не нужна
0
3
4
6
5
15
10
30
II
УКПГ-3, К-17
39700
0
39700
0,8
08.88
01.90
3
2
5
Не нужна
0
5
I
УКПГ-3, К-18
51500
0
51500
1,03
—
2
5
7
15
20
II
УКПГ-4, К-43М
192000
25
240 000
4,80
04.89
1990— 1991
2-3
2
3
4
8
5 5 10 25
1 3 4 6
5 5 15 10
80
V
УКПГ-5
40000
10
44000
0,88
05.86 11.89
3
2 3
5
5
1
3
4
6
5 5 15 10
45
III
УКПГ-5, К-53
48500
10
53350
1,07
2 3
4 8
5 5 10 25
1
3
4
6
5 5 10 15
80
V
УКПГ-5, К-509/3
—
—
—
—
Не нужна
0
Не нужна
0
0
I
Продолжение табл. 16.3
Номер карьера
Характеристика
Класс сложности рекультивации по табл. 16.4
Площадь по проекту, м2
Превышение площади (визуально), %
Площадь разработки, м2
Сравнительный критерий Кср, по отношению к площади 500 000 м2
Срок разработки
Инженерная рекультивация
Биоло кая р< тив<
гичес- экуль- шия
Общая оценка опасности, баллы
Начало Конец
Возраст самоза- раста- ния Е, годы
Номер вида по табл.
16.1
Баллы по табл. 16.2
Номер вида по табл.
16.1
Баллы по табл.
16.2
R-509/5
83250
10
91580
1,83
09.88
1989- 1990
2-3
3
5
8
5
10
I
К-509/6
113600
10
124 960
2,50
09.88
1990- 1991
1-2
Не нужна
0
Не нужна
0
0
I
К-511/1
130000
25
162 500
3,25
02.87
12.88
4
2
5
3
4
6
5
15
10
35
III
УКПГ-б
330 000
—
—
В работе
3
5
2
3
4
6
8
20 5 15 10 5
60
IV
УКПГ-6
К-29
90000
100
180 000
3,6
Не нужна
0
3
4
6
5
15
10
30
II
УКПГ-6
12000
25
150 С00
3,0
02.87
05.89
3
2
3
5
5
1
3
4
6
10 5
10 15
50
III
УКПГ-6 К61
480 000
10
528 000
10,56
04.87
08.89
3
Не нужна
0
Не нужна
0
0
I
Промзона п. Ямбург
112000
15
128800
2,58
10.88 1969
3
2
3
4
5
7
5 5 10 10 20
1
3
5
5
5 5 25 10
110
VI
К-26
394 000
25
492 500
9,85
10.88 1969
3
2 3
4
6 7
8
5 5 10 15 20 25
1
2 3
4
5
6
5 5
5 5 25 10
145
VII
Промзона п. Ямбург
90300
15
103850
2,08
3
2 3
4
5
5 5 10 10
1 3
4 6
5 5 15 10
65
IV
Таблица 16.4
Классы сложности рекультивации нарушенных земель
Показа- тель
Класс сложности
I
II
III
IV
V
VI
VII
Суммарная оценка инже- нерно- биологи- ческой рекультивации, баллы
0-10
15-30
35—50
65-70
75-105
110-130
145
К IV классу относятся три карьера (№ 109, 2 и 43). В этой группе следует выделить разрабатываемый гидронамывной карьер № 2. Поскольку он расположен в выровненной депрессии, можно предположить, что эрозионноопасных водотоков и крутых уклонов на нем не будет. В плане инженерной рекультивации, очевидно, необходима планировка поверхности. Биологическая рекультивация осложняется отсутствием вывалов торфа, и, следовательно, необходимостью его привоза со стороны, что оценивается высоко (20 баллов по шкале). С другой стороны, вполне вероятно, что условия увлажнения после выработки будут благоприятными для применения альгомелиорации, что удешевит рекультивацию. Отсюда следует, что отнесение гидронамывного карьера № 2 к IV классу довольно условно и для его уточнения необходимо дополнительное исследование по завершении его разработки. Для карьеров № 109 и 43 характерна неровная поверхность, большое количество холмов и вывалов грунта и торфа, наличие эрозионноопасных водотоков среднего размера и мусора. На карьерах этого класса местами имеются откосы до 18°. В плане инженерной рекультивации на карьерах IV класса необходимы уборка мусора, планировка поверхности с одновременной засыпкой планировочным грунтом небольших ям, водотоков и т.д., засыпка средних эрозионноопасных водотоков, в некоторых случаях требуется выполнить откосы. Биологическая рекультивация на этих карьерах предусматривает возвращение плодородного почвенного слоя, рыхление, внесение стартовых доз минеральных удобрений, локальный посев трав (иногда в увлажненных местах можно использовать альгомелиорацию).
К V классу сложности относятся карьеры № 43М и 53. Эти карьеры характеризуются очень неровной поверхностью и большим количеством вывалов грунта и грунта с торфом,
наличием множества мелких и средних водотоков, а также крупных эрозионноопасных образующихся оврагов. В плане инженерной рекультивации овраги этого класса по сравнению с IV нуждаются в укреплении откосов и зарегулировании русла крупных эрозионноопасных водотоков и оврагов. Биологическая рекультивация аналогична вышеописанной.
К VI классу сложности относятся три карьера (№ 12, 49, 26), которые, обладая всеми характеристиками V класса, отличаются наличием крутых склонов, нуждающихся в устройстве ступенчатых террас, а также противоэрозионных водоотводящих и водонаправляющих валов и канав с укреплением ложбин зарегулированных водотоков профилактическим противоэрозионным составом. В плане биологической рекультивации дополнительные затраты связаны с необходимостью сплошного засева травами ступенчатых террас.
К VII классу сложности относится карьер № 26а, который характеризуется особой замусоренностью, наличием крутых склонов и образующихся оврагов и нуждается практически во всех мероприятиях инженерной и биологической рекультивации.
Таким образом, предложенная условная шкала для оценки сложности рекультивации карьеров удовлетворительно отражает реальные условия и позволяет типизировать выработанные карьеры.
■ПШЕНЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Часть I. Проблемы землепользования при освоении и разработке газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера9
Глава 1. Экологическая политика ОАО "Газпром" 9
Природоохранная концепция 9
Охрана и рекультивация земель 16
Глава 2. Освоение Ямбургского газоконденсатного месторождения24
Общие сведения о месторождении 24
Сведения о состоянии земель месторождения 28
Глава 3. Правовые основы охраны и рационального использования земель 30
Экологические и социально-правовые аспекты землепользова= ния 30
Государственное управление землями. Землеустройство и рекультивация 38
Список литературы к ч. 1 43
Часть 11. Природная среда и техногенные нарушения территории Ямбургского газоконденсатного месторождения 45
Глава 4. Природно-климатические условия 45
Климатические и геокриологические условия 45
Основные типы почв 49
Растительный покров 54
Ландшафтное районирование территории месторождения59
Естественные нарушения поверхности тундры 61
Режимы естественного поверхностного стока и снегонакопления 63
Глава 5. Классификация техногенных нарушений земель Ямбургского газоконденсатного месторождения 64
Цели и задачи классификации техногенных нарушений. Основные объекты и методы исследований 64
Основные виды техногенных нагрузок и их систематизация67
Общая схема классификатора техногенных нарушений68
Список литературы к ч. П 72
Часть III. Разработка научных основ защиты земель и их восстановления в условия криолитозоны 74
Глава 6. Концепция инженерно-биологической рекультивации нарушенных земель 74
Почвенный покров. Характеристика почв естественной тундры 74
Свойства почв техногенно-нарушенных участков и основные пути их восстановления 84
Естественное зарастание нарушенных участков тундры85
Экспериментальное изучение оптимальных условий восстановления почвенно-растительного покрова 87
Концепция инженерно-биологической рекультивации 103
Глава 7. Концепция рекультивации нарушенных земель на основе альгофитомелиорации 107
Научное обоснование методов альгофитомелиорации нарушенных земель криолитозоны 107
Технико-технологические параметры альгофитомелиорации121
Список литературы к ч. Ш 124
Часть IV. Исследование и прогноз процессов термоэрозии и техногенного оврагообразования территорий месторождений Крайнего Севера 126
Глава 8. Исследования закономерностей проявления эрозии 126
Термоэрозия и оврагообразование 126
Характеристика районов и методика исследований 133
Результаты натурных экспериментальных исследований140
Результаты лабораторных экспериментальных исследований148
Полевые исследования техногенного оврагообразования152
Техногенное оврагообразование в районе УКПГ-1В Ямбургско- го месторождения 165
Глава 9. Прогнозирование термоэрозионных процессов 175
Задачи, методы и цель прогнозирования термоэрозионных процессов 175
Термогидродинамическая модель процесса термоэрозии [62]182
Методика прогноза изменения профиля и длины очага термоэрозии на основе пространственно-временной экстраполяции187
Практические указания по применению методики 191
Экспресс-методика количественного локального прогноза овражной термоэрозии и оценка термоэрозионной опасности191
Список литературы к ч. IV 199
Часть V. Разработка ■ экологическое обоснование методов повышения противоэрозионной устойчивости несвязанных грунтов 202
Глава 10. Повышение противоэрозионной устойчивости несвязанных грунтов с использованием нефтяного структурообразователя универ- сина "В" 202
Оптимизированный структурообразователь универсин “В" 202
Разработка профилактических противоэрозионных составов на основе универсина “В" 212
Влияние профилактического противоэрозионного состава на температурный режим подстилающих грунтов 227
Глава И. Экологическое обоснование применения профилактических противоэрозионных составов в условиях Крайнего Севера 233
Влияние профилактических противоэрозионных составов на развитие растений 233
Оценка токсичности профилактических противоэрозионных составов и универсина "В” 243
Вымываемость и стабильность нефтепродуктов из ППС с универсином “В" 252
Список литературы к ч. V 254
Часть VI. Методы защиты почв и грунтов от техногенного оврагообразования. Технологии повышения противоэрозионной устойчивости256
Глава 12. Методы защиты от оврагообразования 256
Общие методы 256
Комплексные методы 261
Глава 13. Технологии повышения противоэрозионной устойчивости почв и грунтов 269
Список литературы к ч. VI 275
Часть VII. Инженерная и биологическая рекультивация нарушенных земель криолитозоны на примере Ямбургского месторождения
Глава 14 Экологическая инвентаризация земель
14 1 Районирование территории месторождения по степени самовосстановления растительного покрова
14 2 Состояние нарушенных земель территории
Глава 15 Классификатор мероприятий по восстановлению и рекомендации по рекультивации
15 1 Общая схема классификатора по восстановлению нарушенных земель
15 2 Рекомендации по рекультивации нарушенных земель криолитозоны
Глава 16 Характеристика выработанных карьеров, их типизация и методы рекультивации
16 1 Описание карьеров
276276ОО8ОООО8ОО16 2 Мероприятия по инженерно-биологической рекультивации карьеров и их типизация
276
276
ОО8ОО
ОО8ОО
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Ананенков Александр ГеоргиевичСтавкин Геннадий ПетровичЛобастова Светлана АлександровнаХабибуллин Ильдус Лутфурахманович
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯПРИ ОСВОЕНИИ И РАЗРАБОТКЕ ГАЗОВЫХИ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Заведующий редакцией Т.К. ГубинскаяРедактор издательства В.Н. СлесаренкоПереплет художника А. Г. ДудникаХудожественный редактор Н.П. НовиковаКорректоры Т.Ю. Шамонова, Е.В. ЕнокянТехнический редактор Л.Н. ФоминаОператоры Л.Е. Конькова, М.Г. ЧесноковаКомпьютерная верстка Е.Б. Рагузина
Изд лиц. № 071678 от 03.06.98. Подписано в печать с репродуцированного оригинал-макета 15.11.2000. Формат 60x88 1/16. Гарнитура "Балтика". Печать офсетная. Усл. печ. л. 19,6. Уч.-изд л. 25,5. Тираж 500 экз. Заказ 908 /813. Набор выполнен на компьютерной технике в ОАО "Издательство "Недра".
ООО “Недра-Бизнесцентр"125047, Москва, пл. Тверская застава, 3
ППП "Типография "Наука" Академиздатцентр РАН
121099, Москва, Шубинский пер., 6
ИЗДАТЕЛЬСТВО “НЕДРА”ПРЕДЛАГАЕТ
С. А СЕРКЕРОВ
ГРАВИРАЗВЕДКАИ МАГНИТОРАЗВЕДКА
(учебник для вузов)
1999 г., 437 с.,стоимость книги 50 руб.
В учебнике описаны основные виды потенциалов притяжения и магнитных потенциалов на основе единой теории, наиболее важные интегральные теоремы и уравнения теории потенциала. Рассмотрены гравитационные и магнитные поля Земли, представления их в виде рядов сферических функций, аппаратура для их измерения.
Приведены основные способы преобразования полей, спектральные и энергетические характеристики аномалий. Изложены вопросы определения однозначно определяемых параметров источников полей, закономерности отражения структур месторождений нефти и газа и залежей углеводородов в гравитационных и магнитных полях, а также вопросы методики полевых работ.
Телефон для справок: (095) 251-55-22Факс: (095) 250-27-72E-mail nedra @ glasnet.ru
Адрес: 125047, Москва, пл. Тверская застава, 3
A.G.Ananenkov G.P.Stavkin
S.A.Lobastova I.LKhabibullin
WHILE DEVELOPMENT AND EXPLOITATIONOF GAS AND GAS CONDENSATE FIELDS IN FAR NORTH
АТАнаненков Г.П.Ставкин
СА.Лобастова И.Л.Хабибуллин
..«.^“И «Сна.^№18^
ПРО ОСВОЕНИИ И РАЗРАБОТКЕ ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХМЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
УДК 621.648
Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Лобастова СЛ, Хабибуллин И.Л. Экологические основы землепользования при освоении и разработке газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера. —М.: ООО "Недра- Бизнесцентр". 2000. - 316 с.: ил. ISBN 5-8365-0057-6
Рассмотрены актуальные проблемы охраны и восстановления нарушенных земель в районах разработки газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера. Основные исследования проведены для территории Ямбургского газоконденсатного месторождения. Изучены техногенные нарушения территории, приведена их классификация. Подробно исследованы проблемы термоэрозии и техногенного оврагообразования, изложены научные основы защиты земель и их восстановления в условиях криолитозоны.
Для научных и инженерно-технических работников нефтегазовой отрасли.
Ananenkov A.G., Slavkin G.P, Lobastova SA., Khabibullin I.L Ecological Foundations of Land Use while Development and Exploitation of Gas and Gas Condensate Fields in Far North.
Actual problems on protection and restoration of affected lands at gas and gas condensate field development sites in the Far North areas are discussed. The main investigations were conducted for the areas of Yamburg gas condensate field. Also considered are technogenous destructions of the area and the classification of these destructions. Attention is given to the comprehensive analysis of thermal erosion and technogenous gully formation. Scientific foundations of land protection and restoration under cryolitic zone conditions are studied.
ISBN 5-8365-0057-6ISBN 5-8365-0057-6Advisable for wide area of specialists enegaged in oil and gas industry.
ISBN 5-8365-0057-6
ISBN 5-8365-0057-6
© А.Г. Ананенков, Г.П. Ставкин, C.A. Лобастова, И.Л. Хабибуллин, 2000
© Оформление. ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000
ВВЕДЕВМЕ
Обустройство и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений сопровождаются значительным техногенным воздействием на природную среду. При освоении газовых месторождений субарктической зоны это воздействие имеет ряд специфических особенностей.
Крупнейшие газовые месторождения расположены в зоне тундры с экстремальными климатическими условиями. Тундра (фин. тунтури — безлесная плоская вершина, возвышенность) представляет собой биом и тип растительности, характеризующийся безлесьем, сильным развитием цокрова мхов и лишайников, местами многолетними травами и кустарниками. Тундра распространена в субарктическом географическом поясе Земли и составляет географическую зону. Экосистемы тундры очень уязвимы. В тундровых экосистемах сообщества обеднены, основной причиной этого является недостаток тепла. Растительный покров, развивающийся в условиях низких температур, вечной мерзлоты и продолжительной полярной ночи, в основном одноярусный, из-за низкой активности продуцентов отмирающие части растений не успевают перерабатываться и накапливаются в виде торфяной массы. Поэтому в условиях тундры запасы мертвого органического вещества намного (до двух порядков) превышают годовой прирост. Биомасса растений в тундре в среднем составляет 0,6 кг/м2, т.е. имеет такой же порядок, как в пустынях и полупустынях, и в три раза меньше, чем в степной зоне.
Бедные по составу и структуре биоценозы, малая мощность почвенного покрова, термодинами-
ческая нестабильность многолетнемерзлых пород в совокупности определяют повышенную уязвимость тундровых экосистем и неустойчивость тундровых геосистем в целом.
Территории, относящиеся к субарктической зоне, являются экономически слаборазвитыми, населены малыми коренными народностями (ненцы, селькупы, ханты, манси и др.) с их специфичным укладом жизни и традиционными методами хозяйства — оленеводством и рыбным промыслом. На этих территориях слабо развиты транспортные и энергетические сети.
Освоение месторождений осуществляется в сжатые сроки: период с начала освоения до выхода на проектную мощность составляет около 10 лет. Этот промежуток времени характеризуется большой концентрацией техники, технологии и интенсивным воздействием на окружающую среду (строительство дорог, жилых поселков, линий электропередачи, трубопроводов, собственно кустов скважин и установок комплексной подготовки газа). Таким образом, скорость техногенного изменения поверхностного слоя криолитозоны намного превышает скорость самовосстановления тундровых ландшафтов.
Эти особенности определяют основное содержание экологического мониторинга и комплекса 11р.ирОДОиХр>с1иНЫХ МбрОПрИНТИИ, КОТОрЫС ДОЛЖНЫ сопровождать процесс освоения месторождений с самого начала. В современной трактовке экологический мониторинг означает наблюдение, анализ и оценку состояния окружающей среды и прогноз ее изменений под влиянием деятельности человека. В системах мониторинга необходимо соблюдать единство априорного (лат. apriori — из предшествующего, до опыта, заранее) и апостериорного (лат. aposteriori — из последующего, т.е. на основании опыта) подходов. В связи с этим важное значение имеет составная часть мониторинга, связанная с прогнозом возможных изменений окру-
жающей среды под влиянием техногенных нагрузок. Особую значимость этот фактор приобретает в экстремальных условиях Крайнего Севера, геосистемы которого являются слабоустойчивыми. Значительные изменения поверхности территорий и ландшафтов тундры могут происходить импактно, т.е. практически мгновенно, например в течение одного-двух сезонов. Именно в этом аспекте просматривается тесная взаимосвязь проблем охраны окружающей среды (прежде всего поверхностного слоя криолитозоны) и экологической безопасности технологических объектов.
В монографии систематизированы результаты исследований, проведенных Башгосуниверситетом, ООО “Ямбурггаздобыча" и рядом других организаций за последние 20 лет по проблемам охраны земель при освоении газовых месторождений Крайнего Севера.
Рассматриваются следующие научно-прикладные проблемы:
исследование закономерностей проявления и прогноз динамики процессов техногенной термоэрозии грунтов, разработка методов и технологий борьбы с термоэрозией грунтов в условиях криолитозоны;
изучение процессов техногенного оврагообразо- вания и разработка способов и технологий защиты от него;
классификация техногенных нарушений земель и мероприятий по их восстановлению на основе разработанной применительно к условиям Крайнего Севера концепции инженерно-биологической рекультивации.
Исследования в указанных направлениях являются многоплановыми и включают в себя элементы геокриологии и мерзлотоведения, физической географии, ботаники, зоологии, почвоведения, физико-химической механики дисперсных систем, механики грунтов, теплофизики, гидравлики и экологического мониторинга.
Авторы выражают благодарность за научное сотрудничество на разных этапах проведения исследования д-рам техн, наук Р.Н. Гимаеву, Г.А. Халикову, П.Л. Олькову, А.П. Зиновьеву, д-ру геол.-ми- нерал. наук В.Д. Ершову, д-рам биол. наук Б.М. Миркину, Ф.Х. Хазиеву, Н.Д. Мазманиди, И.Е. Дубовик, Ф.Б. Шкундиной, канд. геол.-минерал. наук В.К. Данько, Э.З. Кучукову, канд. техн, наук В.Б. Са- лагаеву, канд. биол. наук И.Н. Габбасовой, А.Ф. Хусаинову, А.Р. Ишбердину, М.Ю. Шариповой, канд. физ.-мат. наук А.Т. Ахметову и др.
В организации полевых исследований постоянную помощь и поддержку оказывали бывшие руководители ПО "Ямбурггаздобыча" |А.Р. Маргулов|, В.Е. Губяк и начальник ЦНИПР ООО "Ямбурггаздобыча", канд. техн, наук Р.Х. Сулейманов.
ЧастьI
■РОИЕМЫ ЗЕМЛЕДДЛЬЗОВДВИЯIPN ОСВОЕНИЯ I РАЗРАБ1ТКЕГАЗОВЫХ ■ ГАШШДЕ1САТ1ЫХ МЕСТОРОЖДЕ1КЙ КРАЙНЕГОСЕВЕРА