CC BY
116
УДК 502/504
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-16040
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ И САНАЦИЯ ТЕРРИТОРИЙ КАРЬЕРОВ ПО ДОБЫЧЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Г. А. Бортникова, аспирант, [email protected], Л. А. Межова, к. г. н.,
ФГОБУ ВО «Воронежский государственный
педагогический университет»,
г. Воронеж, Россия,
А. М. Луговской, д. г. н., профессор,
М. Ю. Евдокимов, к. г. н., доцент
А. Ю. Ткачев, аспирант, [email protected],
П. В. Рихардт, магистрант,
Московский государственный областной
университет, [email protected],
г. Мытищи, Россия
В статье дается описание геоэкологических основ санации карьеров по добыче строительных материалов. Была проанализирована эволюция понятий в определении подходов при восстановлении карьеров по добыче строительных материалов. Необходимость изучения рекультивации карьеров, добывающих строительные материалы, обусловлена множеством факторов, в числе которых отсутствие единого подхода к их рекультивации, значительное количество земель, изымаемое из сельскохозяйственной деятельности, а также существенные региональные различия в каждом конкретном случае. Это свидетельствует о необходимости не просто восстановления территорий, а исследования процесса проектирования модифицированных природно-техногенных геосистем, ускорения естественных сук-цессионных процессов с более высокой продуктивностью и устойчивостью при сохранении хозяйственной и экологической ценности ландшафтов, что и является основой нашей работы, обеспечивая научную новизну. Целью данного исследования является: выявление наиболее эффективных мер по рекультивации и дальнейшей санации карьеров по добыче строительных материалов в зависимости от природной зоны, на которой он расположен. Задачами исследования являются: анализ эволюции понятий в определении подходов при восстановлении карьеров по добыче строительных материалов; разработка алгоритма формирования карьеров; выделение модельных карьеров для проведения всестороннего геоэкологического анализа алгоритма формирования карьеров по добыче строительных материалов и составление картосхемы их строения.
The paper gives the description of geo-ecological bases of rehabilitation of the structural material extraction pits. The evolution of the concepts for defining the approaches in the process of recultivation of structural material extraction pits is analyzed. The need of studying the rehabilitation of the quarries for the extraction of structural material is conditioned by a set of factors among which there is a lack of uniform approach to their rehabilitation, the significant amount of lands withdrawn from agricultural activities as well as essential regional differences in each case.
It indicates the need not just to restore the territories, but also to study the process of designing modified natural and technogenic geosystems, accelerate natural succession processes with higher efficiency and sustainability while maintaining the economic and environmental value of the landscapes, which is the basis of our research, providing scientific novelty.
The objective of this research is to identify the most effective measures for the reclamation and further sanitation of the quarries for structural material extraction depending on a natural area in which it is located.
The aims of the research are the analysis of the evolution the concepts for defining the approaches in the process of recultivation of structural material extraction quarries; the development of an algorithm for the formation of quarries; the allocation of model quarries for a comprehensive geo-ecological analysis of the algorithm for the formation of quarries for the extraction of building material and drawing up a map of their structure.
Ключевые слова: санация, карьеры по добыче строительных материалов, геосистемы, рекультивация, природопользование.
Keywords: rehabilitation, quarries for the extraction of building material, landscape reclamation, environmental management.
Введение. Проблемы рекультивации с дальнейшей санацией территории карьеров стали актуальными еще в XX веке, поэтому многие ученые серьезно озаботились этой проблемой. Подходы совершенно разные. С одной стороны, это повторно натурализованные и культивируемые ландшафты, созданные в результате устойчивого управления ландшафтом (L. M., Szmanda, J. B. Renaturalizedand), с другой — более упрощенная рекультивация и устойчивое развитие ландшафтов после добычи полезных ископаемых (Syrbe R. U.). Есть и попытки многокритериального анализа решений для заброшенного карьера в регионе Еврос (3). Исследованием процесса рекультивации карьеров по добыче строительных материалов занимались многие ученые — Иванов Ф. Е., Колесников Б. П., Knabe W., Лазарева И. В., Лозовский Л. Ш., Масюк Н. Т., Моторина Л. В., Панков Я. В., Овчинников В. А., Райзберг Б. А., Стародубцева Е. Б., Трещевский И. В., Чертес К. Л., Волшаник В. В. Ими последовательно рассматриваются вопросы утилизации ресурсов, не находящих прямого применения по назначению, рекультивация как система специальных мероприятий по подготовке почв для сельскохозяйственного или полеводческого использования, рекультивация ландшафтов как комплекс горнотехнических и биологических, а также инженерных и мелиоративных мероприятий с целью создания и ускорения формирования на площадях, освобожденных после промышленного использования оптимальных культурных ландшафтов с продуктив-
ным почвенно-растительным покровом. Противоречие состоит в том, что при наличии общих подходов, выраженных в нормативных и технологических документах, в каждом регионе есть свои геоэкологические особенности, требующие учета при целенаправленном решении поставленных инициатором этого процесса задач, типа собственности и характера использования конкретной территории.
Модели и методы. Формирование отличной от предыдущего естественного состояния — модифицированной территории принципиально невозможно вернуть ее в исходное состояние. Однако необходимо и возможно оптимизировать процессы природно-техногенной среды. Показателем оптимизации является скорость восстановления, объем и масса биологической продуктивности, разнообразие и устойчивость состава биоты естественной и модифицированной природно-тех-ногенной геосистемы (МПТГС).
Восстановление большого количества относительно небольших карьеров по производству строительных материалов требует существенных финансово-экономических затрат, что отражается на себестоимости конечной продукции и удорожает постэксплуатационные рекультивацион-ные мероприятия в виде оположивания склонов. Исследование процесса оптимизации геосистем карьеров строительных материалов путем замены технологической схемы рекультивации и создание принципиально новых для данной территории геосистем.
Соответствие технологической схемы вновь формируемых природно-техногенных систем на территории карьеров строительных материалов существующим природно-региональным особенностям имеет большое научное и практическое значение. Требование о возвращении в исходном состоянии территорий после эксплуатации, предлагаемое в нормативно-технической документации, нуждается в критическом научном анализе, пересмотре критериев для рекультивированных территорий и мониторинге (наблюдении и анализ состояния, оценки параметров выявленных показателей, нормировании степени воздействия, приведении показателей в соответствие с нормативами и их оптимизации) естественных процессов при положительном влиянии хозяйственной деятельности.
Геосистемы карьеров образуются в результате добычи полезных ископаемых открытым способом. Геоэкологическая проблема карьеров заключается в нарушении почвенного и растительного покрова, режима подземных вод, изменении состава растительного и животного мира. Отвалы
и выемки становятся самостоятельным место -обитанием животных и растений, а чаще местом несанкционированных свалок.
Методологические основы исследования модифицированных природных геосистем составляют изучение взаимосвязей элементов геосфер, находящихся под воздействием техногенной деятельности, прежде всего, геоэкологические особенности территории и распределение биоты под влиянием гидрологического и термического режима. В результате использованные методы и предложенные нами технологические средства, изменения литологической основы для минимизации негативных воздействий на конкретные элементы геосферной оболочки позволили осуществить мониторинг и контроль за использованием природных ресурсов и оптимизацией протекания естественных процессов в модифицированных природных геосистемах.
Результативность мероприятий по реконструкции модифицированных природно-техноген-ных геосистем карьеров по добыче строительных материалов состоит в геосистемном подходе использования комплекса оценок состояния и функционирования геоморфологических комплексов.
Исходя из принципа целевого использования нарушенных земель выделяются конкретные направления их восстановления:
1. Разработка универсального вяжущего материала, применение лесохимических реагентов и отходов промышленности, отработанных бенто-нито-гуматных буровых растворов против пыле-образования, создание профилактического покрытия на основе водного раствора поливинилового спирта и полимеров, препятствующего водной эрозии и обеспечивающих благоприятное увлажнение почвы как технологического направления являются превентивной мерой против эрозии (Боброва; Дедиков; Годунова; Зиновьев; Медко; Кононенко; Соловьянов; Шеметов; Чеверев; Чу-гунов).
2. Использование биологических препаратов и определение альгологического состава для повышения плодородия является биотехнологическим направлением.
3. Важнейшим условием реализации экологических основ природопользования является биологическое направление промышленной ботаники, культурфитоценологии и агрофитоценологии.
4. Основные принципы проектирования включают комплексное обследование территории карьера с последующей охраной и необходимостью геоэкологического мониторинга земель в системе запланированного типа природопользования.
5. Горнотехническое направление включает мероприятия по формированию форм рельефа для последующего целевого использования в зависимости от назначения, формирование откосов методом выполаживания, создание рекуль-тивационного слоя или коренная мелиорация, строительство дорог, специальных гидротехнических сооружений, полигонов ТБО и др. (ГОСТ 17.5.1.01—83).
Анализ моделей формирования МПТГС в условиях степной, лесостепной и таежной зон показал их разнообразие подходов: сельскохозяйственные модели с созданием на поверхности устоявшихся площадок плодородного слоя оптимальной толщины для традиционного земледелия, не отличающегося от зонального типа. Геомелиоративная модель состоит в покрытии фототоксичных грунтов лессовидными суглинками с последующим нанесением плодородного слоя с устранением вредных свойств подстилающих горных пород. Локальная модель состоит в разработке оптимальных параметров техногенных почв для обеспечения продуктивности подобранного сортимента сельскохозяйственных растений. Специальная модель предусматривает создание искусственных эдафотопов с потенциально-плодородными полиминеральными нетоксичными горными породами. Гидромелиоративная модель рекомендуется для засушливых территорий, для чего необходимы меры по очистке вод с учетом особенностей гидрологического режима и геохимических циклов. Интересен, на наш взгляд, подход в изменении типа природопользования после проведения комплекса рекультивацион-ных мероприятий, состоящий в ликвидации негативного воздействия за счет организации водно-рекреационных зон с использованием рентабельных гидромеханизированных технологий. В рекомендуемом алгоритме технологической схемы формирования МПТГС рассматриваются вопросы проведения инженерных изысканий и разработки проектной документации на карьеры разного типа по добыче строительных материалов. Проанализировали проектные документации разработки добычи строительных материалов 67 карьеров, расположенных на территории лесостепной и степной зон Воронежской области, нарушенных добычей строительных материалов. Следует отметить различие в геологическом и тектоническом строении исследуемых территорий, осадочный чехол отличается как по составу, так и по происхождению.
На территории Воронежской области разведано 282 полезных ископаемых. Из них 132 месторождений строительных материалов, а 189 об-
щераспространенных полезных ископаемых, основную часть которых — 115 представляют месторождения торфа. Среди запасов полезных ископаемых выделяются месторождения федерального значения. Это Латницкие огнеупорные глины, Подгоренское месторождение мергеля, Никольские и Подгоренские две бентонитовые глины и выделяются месторождения регионального значения. Это в основном месторождения глин для кирпичного производства, для производства керамзита, для кормовых добавок, для производства керамики, песчаные месторождения, которые используются для производства растворов бетона, силикатного кирпича, песча-но-гравийных смесей, также месторождения мела для производства извести, известняка, песчаника и месторождения гранитов. В настоящее время эксплуатируются около 70 месторождений. В структуре добычи строительных материалов области можно выделить следующие основные типы месторождений, например, месторождения глин легкоплавких для кирпичного производства. На территории Воронежской области разрабатываются более 60 таких месторождений. Редким является сырье для производства керамзита. Наиболее крупное — месторождение Бобыльский луг с объемом добычи более 5 тыс. м3. Месторождение строительных песков в основном приурочено к руслу реки Дон и всего известно более 40 месторождений с объемом добычи более 1 млн м3. Кроме того, выделяются месторождения песков формовочных с объемом добычи более 60 тыс. т и центрами добычи являются село Подгоренское и село Станичное. Самая известная — это Лат-нинское месторождение огнеупорных глин с объемом добычи около 600 тыс. т. Месторождений карбонатного сырья насчитывается около 30 с объемом добычи более 600 тыс. т, которые приурочены к южным районам Воронежской области. Наиболее крупным месторождением гранитов в регионе является Шкурлатовское с объемом добычи около 3 тыс. м3. Ежегодно выявляются месторождения строительных материалов в Хохольском городском округе г. Воронеж до 15 340 тыс. м3.
В районе исследования нами проведена типология карьеров по добыче строительных материалов и исследование типичных ландшафтов с применением комплекса научных методов для выявления закономерностей самовосстановления нарушенных земель в процессе оптимизации естественных процессов. В соответствии с определением в процессе типизации карьеров научной гипотезы нами были выбраны населенные пункты, расположенные в Семилукском, Подго-ренском, Новохоперском, Кантемировском, Бо-
Ш'
01 о2 <Щ>3
3 245
180
160
140
120
100
178,5
'.у.у.ул :
Рис. Картосхема и геологический разрез Латненского месторождения строительных материалов: 1 — почвенно-растительный слой; 2 — моренные отложения 3 — мел плотный (К211); 4 — мел песчаный (К2б); 5 — глина плотная (К2б); 6 — песок с желваками фосфоритов (все К2б); 7 — песок кварцевый (К1а + а1 + К2б); 8 — глина огнеупорная; 9 — алевриты глинистые; 10 — песок с гравием (все К1а); 11 — глина песчаная (К1п); 12 — номер скважины (числитель) и абсолютная отметка (знаменатель)
В
гучарском и Острогожском районах исследования. Ключевые участки расположены в пределах Средне-Русской возвышенности и Окско-Донс-кой равнины. Комплексное обследование 36 карьеров и визуальные описания сукцессий в процессе природопользования 31 карьера позволили выделить модельные карьеры для проведения всестороннего геоэкологического анализа алгоритма формирования МПТГС карьеров по добыче строительных материалов на примере Латненского месторождения (рисунок).
Результаты и их обсуждение. Анализ геоэкологической ситуации карьеров по добыче строительных материалов показал низкую эффективность проводимых мероприятий, направленных на воссоздание зональных геосистем с низкой биологической продуктивностью, требующих значительных финансово-экономических затрат. В то же же время потенциал территории позволяет формировать МПТГС с устойчивой серией сук-цессионных состояний, что позволило предложить алгоритм реконструкции карьеров по добыче строительных материалов с учетом зонального характера процессов самовосстановления.
Изучение структуры преобразованных природных геосистем и закономерностей функционирования их компонентов одна из важнейших задач современных геоэкологических исследований. Представляя собой совокупность синерги-ческих и эмерджентных связей геологических, биологических и технических компонентов, антропогенно преобразованные природные геосистемы требуют всестороннего изучения для разра-
ботки и реализации методов сохранения и улучшения комплекса природных ресурсов и среды обитания человека.
Особенности проявления зональных климатических особенностей находятся в тесной связи с региональными проявлениями, связанными с особенностями микрорельефа. Ключевым фактором для управления МПТГС является микрорельеф, формирование которого изменяет тепловой баланс, радиационный режим на экспозиционной поверхности, гидрологический режим за счет дренирования, формирование оптимального фитоценологического разнообразия с повышением биологической продуктивности геосистем. Микроклиматические условия конкретного местообитания имеют сильную вариацию, сравнимую по своим характеристикам с изменением зональных параметров порядка 200 км в зависимости от склоновой экспозиции или 7—14 дней в зависимости от гидрологических условий в сдвиге фенологических фаз.
Для выявления оптимальной схемы исследовались разновозрастные геосистемы карьеров без ополаживания и с ополаживанием склонов на техническом этапе мероприятий с биологической рекультивацией и без нее, выполненных по разным технологическим схемам для выявления особенностей процесса самовосстановления в разных типах откосов.
Важно определить комплексную реакцию среды, выраженной в количественной форме:
— для планирования минимального стандарта качества среды;
— для оценки самовосстановления, полученной с использованием биотических методов исследования, необходимо использование мониторинга абиотических факторов геосистем.
Полученные нами результаты подтверждают оптимизацию процесса формирования МПТГС без выполаживания склонов карьеров по добыче строительных материалов.
Заключение. Ключевым фактором воздействия при формировании МПТГС с заданными параметрами являются особенности микрорельефа, который определяет солярный, термический, гидрологический режимы, почвообразовательный и фитоценотический процессы. В результате исследования выявлена роль и разработан алгоритм регулирования гидротермического режима и сукцессионного процесса для повышения эффективности самовосстановления модифицированных природно-техногенных геосистем. При-
Библиографический список
менение технологии формирования крутых склонов должно носить зональный характер и может быть оптимальным для лесостепной и степной зоны в связи с интенсификацией геохимических процессов и оптимизацией теплового режима и гидрологического баланса. Отказ от технологии выполаживания склонов карьеров в технологической части формирования МПТГС и создание гидрологических дренажных объектов в зоне лесотундры и северной подзоне тайги позволяет локализировать техногенное воздействие, увеличить эффективное поглощение солнечной энергии и накопление органики, что, в свою очередь, создает консорционные связи путем увеличения биоразнообразия и устойчивости геосистем. В результате нами предложена схема мониторинга функционирования модифицированных техно -генных геосистем карьеров по добыче строительных материалов и их санации.
1. Boscutti F., Vianello A., Bozzato F. Vegetation structure, species life span, and exotic status elucidate plant succession in a limestone quarry reclamation // Restoration ecology. 2017. Vol. 25. No. 4. P. 595—604.
2. Luc M., Szmanda J. B. Renaturalized and recultivated landscape as a result of sustainable landscape manegment // Landscape analysis and planning: geographical perspectives. 2015. P. 271—292. doi: 10.1007/978-3-319-13527-4_16.
3. Sybe R. U. Recultivation and sustainable development of post-mining landscapes // Beljing international symposium land reclamation and ecological restoration (LRER). 2014. P. 489—492.
4. Tsolaki-Fiaka S., Bathrellos G. D., Skilodimou H. D. Multi-criteria detision analysis for an abandoned quarry in the Evros region (NE Greece) // Land. 2018. Vol. 7. Art. 43. doi: 10.3390/land7020043.
5. Бортникова Г. А. Анализ моделей рекультивации карьеров для санации маргинальных территорий / Г. А. Бортни-кова, А. М. Луговской, Л. А. Межова // Успехи современного естествознания. — 2016. — № 12 (1). — С. 139—143.
6. Бортникова Г. А. Реализация экономического потенциала маргинальной территории путем создания кадастра ту-ристско-рекреационных условий на базе единого интернет-портала / Г. А. Бортникова, А. М. Луговской, Е. Л. Плисецкий, Региональная экология, № 6, 2016. С. 36—40.
7. Бортникова Г. А. Типология добычи строительных материалов в Семилукском районе Воронежской области для их рекультивации и санации / Г. А. Бортникова // XI Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. Воронеж, изд-во: «Научная книга». 2016. — С. 101—103.
8. Бортникова Г. А., Межова Л. А. Геоэкологические проблемы рекультивации и санации карьеров по добыче строительных материалов Воронежской области / Комплексные проблемы техносферной безопасности Материалы Международной научно-практической конференции (г. Воронеж, 12 ноября 2015 г.). Часть ГУ. Воронеж, 2015.
9. Иванова Л. В. Зарубежный опыт решения проблем рекультивации земель, нарушенных в процессе недропользования / Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 56. — С. 491—498.
10. Чернявский Е. А. Современное состояние проблемы создания модифицированных природно-техногенных геосистем карьеров по добыче строительных материалов с учетом зонального характера процессов самовосстановления / Е. А. Чернявский, А. М. Луговской // Экология урбанизированных территорий. — 2015. — № 4. — С. 96—102.
GEO-ENVIRONMENTAL RECLAMATION AND REHABILITATION OF AREAS OF THE QUARRIES FOR CONSTRUCTIONAL MATERIAL EXTRACTION
G. A. Bortnikova, postgraduate student, Department of Geography and Tourism,
FGOBOU WAUGH "Voronezh State Pedagogical University", [email protected], Voronezh, Russia,
L. A. Mezhova, Ph. D. (Geography), Associate Professor of Geography and Tourism,
FGOBOU WAUGH "Voronezh State Pedagogical University", Voronezh, Russia,
A. M. Lugovskoy, Ph. D. (Geography), Dr. Habil., Professor, Department of Economic and Social Geography, Geographical and Ecological Faculty, Moscow State Regional University, [email protected], Mytishchi, Russia, M. Yu. Evdokimov, Ph. D. (Geography), Associate Professor, Economic and Social Geography, Moscow State Regional University, [email protected], Mytishchi, Russia,
A. Yu. Tkachyov, 3rd year postgraduate student, Geographical and Ecological Faculty, Moscow State Regional University, [email protected], Mytishchi, Russia,
P. V. Rikhardt, graduate student, Geographical and Ecological Faculty, Moscow State Regional University, [email protected], Mytishchi, Russia.
References
1. Boscutti F., Vianello A., Bozzato F. Vegetation structure, species life span, and exotic status elucidate plant succession in a limestone quarry reclamation. Restoration ecology, 2017. Vol. 25. No. 4. P. 595—604.
2. Luc M., Szmanda J. B. Renaturalized and recultivated landscape as a result of sustainable landscape manegment. Landscape analysis and planning: geographical perspectives. 2015. P. 271—292. doi: 10.1007/978-3-319-13527-4_16.
3. Sybe R. U. Recultivation and sustainable development of post-mining landscapes. Beljing international symposium land reclamation and ecological restoration (LRER). 2014. P. 489—492.
4. Tsolaki-Fiaka S., Bathrellos G. D., Skilodimou H. D. Multi-criteria detision analysis for an abandoned quarry in the Evros region (NE Greece). Land. 2018. Vol. 7. Art. 43. doi: 10.3390/land7020043
5. G. A. Bortnikova, A. M. Lugovskoy, L. A. Mezhova Analiz modelej rekultivacii karerov dlya sanacii marginalnyh territory. [Analysis of quarry reclamation models for the rehabilitation of marginal areas]. Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2016. No. 12. P. 139—143. [in Russian]
6. G. A. Bortnikova, A. M. Lugovskoy, E. L. Pliseckiy. Realizaciya ekonomicheskogo potenciala marginalnoj territorii putem sozdaniya kadastra turistsko-rekreacionnyh uslovij na baze edinogo internet-portala. [Realization of the economic potential of the marginal territory by creating an inventory of tourist and recreational conditions on the basis of a single Internet portal]. Regionalnaya ekologiya. 2016. No. 6. P. 36—40. [in Russian]
7. Bortnikova G. A. Tipologiya dobychi stroitelnyh materialov v Semilukskom rajone Voronezhskoj oblasti dlya ih rekultivacii i sanacii. "XI Vserossijskaya nauchno-prakticheskaya konferenciya s mezhdunarodnym uchastiem". (Proc. of the XI All-Russian Scientific-Practical Conference with international participation "Typology of the extraction of building materials in the Sem-iluksky district of the Voronezh region for their recultivation and rehabilitation"). Voronezh. 2016. P. 101—103. [in Russian]
8. Bortnikova G. A., Mezhova L. A. Geoekologicheskie problemy rekultivacii i sanacii karerov po dobyche stroitelnyh materialov Voronezhskoj oblasti. "Kompleksnye problemy tehnosfernoj bezopasnosti". (Proc. of the Complex problems of technospheric safety Materials of the International Scientific and Practical Conference "Geoecological problems of recultivation and rehabilitation of quarries for the extraction of construction materials of the Voronezh region"). Voronezh. 2015. [in Russian]
9. Ivanova L. V. Zarubezhnyj opyt resheniya problem rekultivacii zemel, narushennyh v processe nedropolzovaniya. [Foreign experience in solving the problems of land reclamation disturbed in the process of subsoil use]. Gornyj informacionno-analit-icheskij byulleten, 2015. No. 56. P. 491—498. [in Russian]
10. Chernyavskij E. A. Sovremennoe sostoyanie problemy sozdaniya modificirovannyh prirodno-tehnogennyh geosistem karerov po dobyche stroitelnyh materialov s uchetom zonalnogo haraktera processov samovosstanovleniya. [The current state of the problem of creating modified natural-man-made geosystems for quarries for the extraction of building materials, taking into account the zonal nature of self-healing processes]. Ekologiya urbanizirovannyh territorij. 2015. No. 4. P. 96—102. [in Russian]
