Методика геоэкологической оценки природно-техногенных геосистем по добыче строительного сырья для их рекультивации и санации

Во введении обоснована актуальность темы исследования, отражена
научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
В первой главе «Методологические и методические подходы к гео- экологическому изучению природно-техногенных геосистем карьеров по добыче строительного сырья для их рекультивации и санации» проведен теоретический анализ подходов изучения природно-техногенных геосистем карьеров и особенности их рекультивации и санации. В исследованиях В.Т. Трофимова, Д.Г. Зилинга, В.В. Ржевского, О.М. Гуман, О.Н. Грязнова, И.И, Косиновой, В.В. Куриленко, Ю.Е. Саета обосновываются методы оценки эколого-геологических систем, определяются преобразования компонентов природной среды в радиусе влияния добычи полезных ископаемых. Исследо- ваниями геоэколого-экономических проблем горнодобывающего производ- ства и методами их оценки занимаются Ельчанинов Е.А., Калабин Г.В., Ку- ликова Е.Ю., Крупская Л.Т., Богачева В.Н., Рофман К.Г. Следует отметить недостаточную проработанность методических подходов и оценок, учитыва- ющих региональные особенности протекания негативных природных и тех- ногенных процессов, определения степени их взаимосвязи, которые необхо- димы при организации процесса экологического недропользования.
Во второй главе «Информационно-аналитическая модель опреде- ления негативных природных и техногенных процессов в карьерах по добыче строительного сырья» в рамках интегрирования геоэкологической информации обосновывается необходимость информационно-аналитического моделирования природных и техногенных процессов. Информационно- информационная модель включает определение геоэкологического состояния природно-техногенных геосистем карьеров на основе оценки структурно- функциональной организации и взаимосвязи компонентов. В ее основу поло- жен ландшафтно-экологический подход с учетом природных геоморфологиче- ских и геохимических процессов и техногенной трансформации. Структура мо- дели отражена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Информационно-аналитическая модель выявления природных и техногенных процессов для обоснования рекультивации и санации ПТГКСС
Создание информационно-аналитической модели позволит оценить гео- экологическую ситуацию в них и обосновать их рекультивации и санации. Для реализации информационно-аналитической модели проведены полевые иссле- дования на территории 79 карьеров, было проанализировано 400 образцов поч- венных грунтов и столько же растительных образцов.
8

Разработан алгоритм комплексной оценки изменения рельефа и ланд- шафтной структуры в районе нерекультивированного карьера по добыче и транспортировке строительного сырья (рис.2).
Рисунок 2 – Методика комплексной оценки изменения рельефа и ландшафтной структуры в районе добычи строительного сырья
На схеме проиллюстрировано проявление природных негативных процес- сов рельефообразования в местах добычи полезных ископаемых, пути их восста- новления, выявление степени техногенной трансформации природных ландшаф- тов и определение экологических и экономических проблем недропользования.
Доказана необходимость создания алгоритма комплексной геоэкологиче- ской оценки геосистем карьеров. Для создания информационно-аналитической модели предложена система полевых экспериментальных, аналитических мето- дов для изучения карьеров по добыче строительного сырья. Информационно- аналитическое моделирование предполагает создание системы критериев, что позволит обобщить информацию и выявить закономерности.
В третьей главе «Зональные закономерности проявления негатив- ных природных и техногенных процессов в карьерах по добыче строи- тельного сырья в Воронежской области для проведения рекультивации и санации» исследуются особенности недропользования и зональные геоэколо- гические процессы и явления на территории Воронежской области. На террито- рии Воронежской области используются более 132 месторождений строитель-
ного сырья, среди которых 8 включены в список федерального значения.
Для выявления негативных геоморфологических процессов на склоно- вых поверхностях отработанных карьеров проведены наблюдения за особен-
ностями их протекания, которые сведены в таблице 1.
Таблица 1 – Закономерности проявления негативных геоморфологических процессов в отработанных карьерах Воронежской области
Вид негативного природного Площадь,м2 Ежегодное удаление Площадь
процесса
Обвалы
Осыпи
Оползни
Оплывины
Децерация в плотных породах Децерация в рыхлых породах Дефлюкция
почвогрунтов, м3 обвальных склонов, тыс. км2
600 0,02 25 1200 20,5 18 700 420 60
1800 0,4 220 0,3 100 10 1000 – 20
300 0,4 0,8
Наибольшей интенсивностью обладают процессы оплывания грунтов. На территории Средне-Русской и Калачской возвышенностей отмечено активное интенсивное проявление негативных геоморфологических процессов, здесь склоновый снос составляет 25%, блоковый – 45%, гравитационный около 1%, а в южных районах склоновый снос достигает 54%, блоковый – 4%, гравитаци- онный 2,5%. Геоморфологические процессы взаимосвязаны с химическим со- ставом талых и ливневых вод, в таблице 2 показан их химический анализ.
Таблица 2 –Химический анализ талых и ливневых вод на территории песчаного карьера
Химические элементы рН
Cl, мг/дм3
HCO3, мг/дм3
Ca, мг/дм3
Сухой остаток, г/дм3 Na, мг/дм3
Ливневый сток 7,7
10,2 73.5 23 0,12 3,7
Талый сток 7,5
35 115 63 0,46 38
Отмечено, что при ливневом стоке минерализация воды увеличивается от бровки к подножью склона карьера, а талые воды имеют ярко выражен- ную зависимость от химического состава почвогрунтов. При ливневом стоке на химический состав влияет интенсивность осадков, время их выпадения и длина склона. Химический состав талого стока зависит от длины, уклона, глубины оттаивания и гранулометрического состава почвогрунта, температу- ры воды. Проведено обследование трех типов карьеров по добыче строитель- ного сырья: глинистых, песчаных и песчано-гравийных и карбонатных, кото- рые являются преобладающими. В некоторых из них формируются водоемы
как под влиянием атмосферных осадков, так и грунтовых вод. При этом в глинистых карьерах образуются небольшие непроточные водоемы, их пло- щадь колеблется от 0,3 до 2,5 га с глубинами от 2,5 до 4,5 м. Водоемы, кото- рые сформировались в меловых карьерах, имеют размеры, от 2 до 40 га и глубины от 8 до 30 м. В них проведено исследование химического состава карьерных вод по содержанию хлора и сульфатов (рис.3, 4).
Рисунок 3 – Химический состав карьерных вод по Cl-, мг/л (min, max)
Рисунок 4 – Химический состав карьерных вод по SO4, мг/л (min, max)
Повышенное содержание хлора отмечено в водоемах глинистых карье- ров, а в меловых – сульфатов. При открытой добычи строительного сырья по бортам формируются субстраты, которые представляют смесь пород, некон- диционные сырье и различные элементы грунтосмесей.
Исследовались грунтосмеси нарушенных земель карьеров по химиче- скому составу, результаты представлены на рисунках 5, 6, 7 и 8. Выявлены зависимости химического состава от типа карьера. Повышенное содержание оксида железа и оксида алюминия обнаружено в грунтосмесях глинистых ка- рьеров, а в песчаных и меловых карьерах их величина варьирует незначи- тельно. Увеличение оксида кальция отмечено в грунтосмесях меловых карье- ров, по никелю максимумы определены в глинистых карьерах. На отработан- ных карьерах проведено обследование содержания тяжелых металлов в рас- тениях и почвах по поперечному профилю (рисунки 9 и 10). По линии про- филя в почвенных пробах отмечены незначительные колебания показателей по меди и никелю, увеличение свинца отмечено в точках 4 и 5, резкое сниже- ние показателя в точке 6. Концентрация валовых форм тяжелых металлов в растениях превышено по никелю – до 0,5, а по меди в точках 2 и 8. При этом превышение ПДК по исследуемым тяжелым металлам не выявлено.
В почвенных образцах превышена концентрация подвижных форм Pb, а в растительных пробах увеличены концентрации Сu. Выявленные законо- мерности превышения концентрации тяжелых металлов в почвенных пробах
и растениях отмечены в лесных и агрогеосистемах, уменьшение их уровня 11

характерны для остепненных геосистем. На ключевых пробных участках от- работанных карьеров определено 82 вида травянистых растений, что свиде- тельствует о саморегулирующем их потенциале.
Рисунок 5 – Химический состав грун- тосмесей нарушенных земель карьеров по Fe2O3, (min, max), %
Рисунок 6 – Химический состав грунтосмесей нарушенных земель карьеров по Al2O3, (min, max), %
Рисунок 7 –
грунтосмесей
карьеров по CaO, (min, max), %
состав земель
Рисунок 8 – Химический грунтосмесей нарушенных карьеров по Ni, (min, max), %
состав земель
Химический нарушенных
Рисунок 9- Концентрация подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Ni, Pb) в почве на ключевых участках, мг/кг почвы
Рисунок10 – Концентрация валовых форм тяжелых металлов (Cu, Ni, Pb) в растениях, мг/кг
Определены особенности восстановления растительности на рабочих от- валах карьеров, в виде сукцессионного ряда: сорные → луговые → лесные виды. На отработанных глинистых и меловых карьерах преобладают злаковые и бобо- вые. Продуктивность геосистем нерекультивированных карьеров находится в
тесной взаимосвязи с механическим составом, водо-физическими и агрохимиче- скими свойствами почвогрунтов.
Минимальные показатели первичной продуктивности выявлены в песча- ных и песчано-гравийных карьерах, где она достигает 3-10 ц/га. Важно отметить, что кроме добычи строительного сырья используется его транспортировка и пе- реработка. Перевозка строительного сырья осуществляется открытыми машина- ми, которые повышают пылеобразование в районе добычи и окрестностях в ра- диусе около 15 км, а в процессе транспортировки увеличивается до 50 км. Запы- ление приводит к загрязнению верхних горизонтов почв, в результате уменьша- ется их увлажнение, что снижает биологическую продуктивность ландшафта.
В районе Подгоренского карьера по добыче цементного сырья и его переработки определено подкисление атмосферных осадков, увеличение кислотности почв и пылевой налет на листьях древесных пород в радиусе около километра от цементного завода. В окрестностях завода содержание пыли превышает 450 г/м2, рН атмосферных осадков более 8,5. Пылевой налет на поверхности листовых пластинок, влияет на их световой, водный и темпе- ратурный режим. В таких растениях определено повышенное содержание Ca, K, Mg, изменение рН в сторону щелочной реакции, нарушается катионно- анионный баланс. На основе биоиндикационных исследований определено изменение величины биомассы клевера на расстоянии более километра на 40%, а на расстоянии около 4 км на 36%. Загрязнения воздушной среды происходит в районах разработки карьеров, которое рассчитывалось в долях ПДК, как отношение содержания определенного загрязняющего вещества (мг/м3) к гигиеническому нормативу этого же вещества (мг/м3). Структура загрязнения воздушной среды различных типов карьеров, представлены на рисунках 11, 12, 13, 14.
Определено превышение ПДК по диоксиду азота в 1,4 раза, по оксиду уг- лерода в 0,5 раза. Геоэкологическая ситуация в санитарно-защитных зонах наиболее благоприятная в меловых карьерах. Максимальные превышение ПДК по содержанию пыли были зафиксированы на меловых и песчаных карьерах.
Территория Воронежской области по А.Н. Перельману относится к «Там- бовским ландшафтам» в системе ландшафтно-геохимического районирования России. При проведении санации вместе с часто используемыми показателями ПДК, ПДВ, ПДСВ нами предлагается применение и почвенные кларков, разра- ботанных на основе изучения почв селитебных зон города Н.П. Лаверовым, В.А. Алексеенко и А.В. Алексеенко.
Рисунок 11 – Загрязнение атмосферы диоксидом азота и оксидом углеродом при разработке карьеров
Рисунок 12 – Загрязнение атмосферы оксидом углерода и диоксидом серы при разработке карьеров
Рисунок 14 – Загрязнение атмосферы пылью при разработке карьеров
Рисунок 13 – Загрязнение атмосферы бензапиреном и бензином при разработке карьеров
Обобщенные геохимические особенности почв по кларковым показате- лям исследуемых участков даны в таблице 3.
Таблица 3 – Кларковые показатели макроэлементного состава почв Воронежского лесостепья, взвешенные по территории области
Элементный среднепедосфер- ный кларк по Виноградову
Модуль содержания, т/км2
Полный местный почвенный кларк
Кларковый коэффициент
Al (7, 13) Fe (3, 8) Ca (1,37) Mg (0,63) Na (0,63) K (1,36) P (0,08) S (0,085)
6 0,84
2 0,74 0,8 0,58 0,32 0,55 0,26 0,41 1,02 0,75 680 0,26 2,25
940 0,3 3,1
65800
30800
31600
10800
3100
10700
В кларковых коэффициентах представлено итоговое сальдо геохимиче- ского баланса, которое осуществляется во всех средовых состояниях веще- ства по отношению к педосферному кларку элементов. Рассчитанные мест- ные кларки показывают сальдо местных геохимических балансов. По расчет- ным данным выявлено, что содержание алюминия ниже педосферного кларка в луговых черноземных почвах, а кларк железа выше педосферного – это свя-
зано как с современными геохимическими процессами, так и с их палеогид- роморфизмом. Ландшафтно-геохимическое районирование можно использо- вать в процессе санации нерекультивированных карьеров. При добыче строи- тельного сырья происходит изменение направленности природных процессов, интенсивности миграции элементов, круговорота веществ. Геохимическая об- становка в ландшафте может привести к мобилизации химических элементов, препятствующих выносу веществ. Создание лесных геосистем на месте отра- ботанных карьеров позволяет сформировать геохимические барьеры.
Таким образом, проведенная геоморфологическая, геохимическая, гео- экологическая оценка определила закономерности проявления природных и техногенных процессов в пределах лесостепей и степей Воронежской обла- сти и выявила негативные черты недропользования.
В четвертой главе «Методика геоэкологической оценки природно- техногенных геосистем карьеров по добыче строительного сырья для со- здания базы данных недропользования и пути решения региональных проблем» для научного обоснования рекультивации и санации нерекультиви- рованных карьеров разработаны рекомендации создания базы данных по орга- низации комплексного геоэкологического мониторинга ПТГКСС и оздоровле- нию качества окружающей среды, представленный на рисунке 15.
Рисунок 15 – Рекомендации по созданию базы данных комплексного геоэкологического мониторинга ПТГКСС для обоснования вариативности проведения рекультивации и санации
Рекомендации представляют концепцию организации геоэкологическо- го мониторинга для недропользователей, в которой последовательно раскры- ваются этапы исследования. Первый этап направлен на составление базы данных по 6-ти основным модулям. Модуль природных геосистем основыва- ется на использовании геоморфологических и геохимических показателей изучения природного фона нерекультивированных карьеров. Техногенный модуль включает технологические показатели эксплуатации карьеров. Сель- скохозяйственный модуль учитывает земли, изъятые из данного типа приро- допользования, включая процесс их восстановления. Лесохозяйственный мо- дуль обосновывает специфику проведения лесомелиоративных работ с учё- том естественных условий их произрастания. Модуль аквальных геосистем карьеров опирается на формирование в их пределах естественных и искус- ственных гидросистем, которые на современном этапе их формирования не имеют правового статуса и имеют сложный механизма их включения в Вод- ный кодекс. Рекреационный модуль определяет возможности использования карьеров для рекреационного природопользования.
ГИС-информационно-аналитическая система позволит усовершенство- вать геоэкологический мониторинг за природно-техногенными геосистемами карьеров. Оценка природно-геохимического фона использовалась для опре- деления миграционных процессов в природных ландшафтах с учетом типа местности, геологического строения и коэффициентов фильтрации горных пород. Геохимические исследования почв включают данные по следующим элементам: алюминию, железу, кальцию, магнию, фосфору, сере, натрию и калию. Для определения процессов миграции и аккумуляции вещества были проведены расчёты по содержанию химических элементов, формирующих основную часть минералов почвенной массы. Каждый элемент характеризо- вался следующими параметрами: абсолютной массой (АМ), выраженной в тоннах; местным почвенным кларком (МПК), измеряемым в процентах; клар- ковым коэффициентом и удельным местным почвенным кларком. Вычисле- ние производилось по следующим модулям: модуль содержания (МС), удель- ный местный почвенный кларк (УМПК), полный местный почвенный кларк (МПК), кларковый коэффициент (КК). Вычисление производилось по следу- ющим предлагаемым нами формулами:
Модуль содержания
Удельный местный почвенный кларк
Полный местный почвенный кларк
16

Кларковый коэффициент , где р почвы с номерами от I до
i, е – элементы с номерами от 1 до j, М – масса, S – площадь, 1 – мощность слоя, od – относительная масса, deo – молекулярная масса оксида, de – атомная масса элемента, k – кларк всей педосферы.
Для построения картосхемы использовались методические приемы дроб- ной дифференциации территории Воронежской области, которая была разбита на квадраты как операционные единицы, а степень проявления каждого из факторов в них оценивалась по бальной системе от очень низкого до очень высокого. В каждом районе учитывались как природные негативные процессы, так и техно- генные факторы. Для каждого фактора рассчитывался весовой коэффициент:
где i – от 0 до 8 – экологические факторы «кризисных точек».
Затем определялся интегральный показатель для каждого фактора по формуле:
А дальше суммировались показатели для каждого района и наносились на карту:
Ландшафтно-геохимическое районирование территории Воронежской области определяет закономерности проявления миграционных и аккумуляцион- ных процессов химических элементов в зональных ландшафтах (рисунок 16).
Скорость миграционных процессов в ландшафте зависит от геологического строения, типов почв, уклонов поверхности, кларковых коэффициентов и коэффициентов фильтрации горных пород. Опираясь на схему ландшафтно- геохимического районирования, можно выделить условия миграции и аккумуляции веществ, которые важно учитывать в процессе рекультивации и санации для создания сбалансированного природопользования в отработанных карьерах.
Для управления и моделирования процессов по оценке геоэкологической ситуации в карьерах установлены взаимосвязи между природными факторами, на основе интегральной формулы:
,
где ЭКк – оценка геоэкологической ситуации в карьере, м – экономическая эффективность нерекультивированного карьера, п – природно- 17

ресурсный потенциал территории, е – стоимость рекультивации, о – количество «экологических кризисных точек», в – издержки деградации окружающей среды, к – капитальные издержки его эксплуатации
Рисунок 16 – Ландшафтно-геохимическое районирование территории Воронежской области
Математическая модель расчёта геоэкологической ситуации карьера, учитывает как его природные ресурсы, так и капиталовложения, включённые в эксплуатацию карьера, с дальнейшей их рекультивацией или санацией. Большая часть показателей заложена в технологической документации, «экологические кризисные точки» определяют в результате полевых наблюдений, в основном это свалки, расположенные в карьерах. Издержки деградации окружающей среды рассчитывают исходя из ущерба, причинённые карьерами сельскохозяйственному природопользованию.
Картосхема геоэкологического районирования территории Воронеж- ской области по степени трансформации среды в районе добычи сырья для строительной индустрии показана на рисунке17 и таблице 4.
На картосхеме отражено 5 зон трансформации среды по степени нарушен- ности земель карьерами, составленных на основе космоснимков, при этом выде- лены районы с очень высоким уровнем техногенной трансформации, приурочен- ные к Подворонежью, Лискинскому и Подгоренскому районам. Сбор информа- ции позволил доказать, что районы с высокой плотностью добычи и переработки строительного сырья влияют на геоэкологическую ситуацию в регионе и которые
необходимо учитывать при создании схем управления устойчивым развитием Воронежской области.
Рисунок 17 – Геоэкологическое районирование территории Воронежской области по степени трансформации среды под влиянием карьеров по добыче строительного сырья
Таблица 4 – Оценка трансформации территории Воронежской области под влиянием ПТГКСС
Показатель трансформации среды
Плотность площади карьеров к общей площади
Степень трансформации типов местности
Скорость геоморфологических процессов
Итого
Степень трансформации среды под влиянием карьеров по добыче строительного сырья в баллах очень низкая средняя высокая очень низкая высокая
3 6 8 10 12 2 4 6 8 10
12468 6 12 18 24 30
Собранные информационно-аналитические показатели могут служить ос- новой для проведения научно-обоснованной санации и рекультивации.
Предлагаются методические рекомендации по проведению санации и эстетическому восстановлению нерекультивированных карьеров в условиях лесостепных и степных ландшафтов Воронежской области для оптимизации территориального управления с применением ассортимента различных эко- логических групп растений с разными типами корневых систем. Для учета всех показателей необходимо создать ландшафтно-экологическую модель, на основе которой можно оптимизировать природно-техногенные процессы в регионе. Ведущую роль при проведении санации и рекультивации играет необ-
ходимость использования ландшафтно-экологического моделирования (рисунок 18).
Рисунок 18 – Ландшафтно-геоэкологическое моделирование санации нерекультивированных карьеров
Таким образом, для оптимизации процесса недропользования на терри- тории нерекультивированных карьеров по добыче строительного сырья важ- но разработать эффективную технологию управления за природно- техногенными процессами.
В заключении приведены основные результаты исследования.
В результате проведённых исследований получены следующие выво- ды: 1. Рассмотрены современные геоэкологические подходы изучения карье- ров по добыче строительного сырья в России и за рубежом для обоснования их рекультивации и санации. Определены некоторые недостатки в их научно- методическом аппарате. Используемые методические подходы не учитывают зональных и региональных особенностей территорий добычи, что снижает эффективность процессов их восстановления.
2. Процесс санации только начинает использоваться для восстановле- ния нарушенных земель. В этой связи актуальна разработка методики оценки качества компонентов среды нерекультивированных карьеров по добыче строительного сырья для обоснования рекомендаций по геоэкологическому
сбалансированному развитию нарушенных территорий.
3. Создана информационно-аналитическая геоэкологическая модель
для выявления негативных природных и техногенных процессов на основе ландшафтно-экологического подхода и оценки техногенного воздействия в системе «добыча
Добывается строительное сырье в 132 карьерах, которые занимают 2% от площади области, при этом 8 из них имеют федеральное значение. Обсле- дование химического состава грунтосмесей глинистых, песчаных и меловых карьеров доказывает взаимосвязь с их типами. Определено повышенное со- держание рН (8,5), низкое содержание гумуса, пониженное содержание SiO2, увеличенные данные по CaO, Al2O3 и Fe2O3. Рассчитанные кларковые коэф- фициенты показали местное сальдо региональных геохимических балансов для различных типов почв.
Геохимический анализ ПТГКСС выявил, что по содержанию CaO, SiO2 различные нерекультивированные карьеры имеют близкие показатели. По геохимическому составу карьерные водоемы имеют в зависимости от типов карьеров диапазон колебаний по Ni от 0 до 0,7%, а по Mn от 12 до 77%. В це- лом водоемы относятся к гидрокарбонатному классу и приближены к зо- нальным речным гидросистемам.
5. Апробированы разработанные методики геоэкологической оценки природно-техногенных геосистем нерекультивированных карьеров по добыче строительного сырья на основе кларковых геохимических коэффициентов, геоэкологического картирования по степени трансформации среды в резуль- тате недропользования и ландшафтно-геохимического районирования Воро- нежской области.
6. Усовершенствована система геоэкологического мониторинга для недропользования строительного сырья, которая включает этапы исследова- ния, сбор базы данных по 6-ти основным модулям (природному, техногенно- му, сельскохозяйственному, лесохозяйственному, аквальному, рекреацион- ному). На втором этапе проводиться картографическое моделирование и со- цио-эколого-экономическая оценка территории на основе ГИС-технологий.
→ переработка → транспортировка».
4. Определены зональные и региональные закономерности проявления
природных и техногенных процессов. Разработаны способы районирования с
использованием геоморфологических, геохимических, физико-
географических, ландшафтно-экологических особенностей территорий и их
проявления в различных типах карьеров.
Таким образом, предложенные методические подходы позволят повысить эффективность природоохранных мероприятий, доказывают необходимость со- вершенствования геоэкологического мониторинга для недропользования, что позволит снизить уровень его негативного воздействия на окружающую среду. В результате комплексных геоэкологических исследований решена поставлен- ная научная задача по разработке методики оценки геоэкологической ситуации для обоснования региональных процессов рекультивации и санации.