Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нарушенные территории агломераций и современные тенденции их использования в градостроительстве 17
1.1. Состояние проблемы освоения нарушенных территорий 17
1.2. Нарушенность территорий городов 25
1.3. Неблагоприятное воздействие нарушенных территорий на природно-территориальный комплекс 27
1.4. Градостроительное использование нарушенных территорий (отечественный и зарубежный опыт) 33
Глава 2. Методологические основы восстановления и использования нарушенных территорий 52
2.1 Проблемы классификации нарушенных территорий 52
2.2. Метод морфологического анализа и разработка классификации нарушенных территорий 54
2.3. Аэрация как ведущий фактор освоения карьерных выемок 64
2.4. Геометрические параметры карьерных выемок 72
2.5. Методика выбора направлений использования каменных карьеров 77
2.6 Перспективы использования каменных карьеров в градостроительном планировании 83
Глава 3. Теоретическое и экспериментальное решение задач аэрации нарушенных территорий 86
3.1. Типология техногенного рельефа, формы рельефа и его геометрические параметры 87
3.2. Воздействие техногенного рельефа на аэрационный режим нарушенных и прилегающих к ним территорий 95
3.3. Теоретическое решение задачи обтекания воздушным потоком профиля техногенного рельефа 99
3.4. Экспериментальные исследования влияния техногенного рельефа на аэрационный режим 105
3.4.1. Теоретические предпосылки исследований методом физического моделирования 105
3.4.2. Методика проведения экспериментов 111
3.4.3. Трансформация воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа в сечении 115
3.4.4. Трансформация воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа в плане 127
3.4.5. Трансформация воздушного потока, обтекающего террасную застройку на частично спланированном терриконике 137
Глава 4. Научно-методические положения системы восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима 139
4.1. Методика выбора направлений использования нарушенных территорий 140
4.2. Методика составления карты аэрационного режима нарушенной территории 147
4.3. Учет аэрационного режима при разработке градостроительной документации 155
4.4. Оценка аэрационного режима города при решении проблем градостроительной безопасности 157
Глава 5. Рекомендации по проектированию на восстанавливаемых нарушенных территориях объектов градостроительства 170
5.1. Формирование техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами 171
5.2. Использование техногенного рельефа в градостроительных целях 175
5.3. Использование нарушенных территорий Копейского природно-территориального комплекса 180
5.4. Террасная застройка на сложном рельефе нарушенных территорий 186
5.5. Использование нарушенных территорий Коркинского природно-территориального комплекса 195
Заключение 205
Словарь терминов 209
Список литературы 211
Приложения 236
- Неблагоприятное воздействие нарушенных территорий на природно-территориальный комплекс
- Типология техногенного рельефа, формы рельефа и его геометрические параметры
- Методика выбора направлений использования нарушенных территорий
- Использование нарушенных территорий Коркинского природно-территориального комплекса
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Диссертация посвящена актуальной градостроительной проблеме восстановления и использования нарушенных территорий. Территория — одно из главных богатств любого народа. Ее ценность возрастает все более, поскольку она невоссоздаваема, а рост производительных сил, населения, строительство городов во всем мире продолжает идти высокими темпами.
Современный высокий уровень научно-технического прогресса, жилищно-
гражданского строительства, добычи полезных ископаемых и сокращение в связи
с этим баланса земельных угодий и рекреационных ресурсов при неуклонном
подъеме спроса на загородный отдых населения больших городов
и необходимости решения природоохранных задач делают все более актуальным вопросы рационального преобразования и использования нарушенных территорий. В условиях советского развития в 1961-1970 гг. застроенная территория городов увеличилась почти на 30 % главным образом за счет отчуждения сельскохозяйственных земель. В современных условиях расширение городской территории только за счет сельскохозяйственных земель становится невозможным.
Поэтому одним из основных путей сокращения территорий, отчуждаемых под застройку является их рациональное использование. В результате градостроительной политики в советский период удельный вес территорий, не используемых для городских целей, в современных границах городских поселений составлял около 50 %. В разряд неудобных входят и нарушенные территории, не только не пригодные для хозяйственной деятельности человека (в том виде, в котором они существуют), но и оказывающие отрицательное воздействие на его жизнедеятельность.
Массированные нарушения территорий происходят в результате открытой добычи полезных ископаемых, сопровождающейся устройством различного рода карьерных выемок, насыпей, отсыпкой отвалов. Открытая разработка в начале 1970-х гг. обеспечивала добычу 70 % руд, 30 % угля, 60 % химического сырья, 100 % природных строительных материалов.
Большие территории занимают отходы энергетических, горнорудных,
химических, металлургических предприятий. Свалки, полигоны,
хвостохранилища могут занимать значительные территории и содержать до нескольких млрд. м3 отходов. Современная ТЭЦ, например, требует под золоотвалы 1000-1200 га; шлаковые отвалы на металлургических заводах проектируются из расчета 10 т на 1 м2 и могут занимать также больше тысячи гектаров.
Актуальность проблемы, народнохозяйственная и природоохранная
значимость восстановления нарушенных территорий, обусловленная как величиной суммарной площади, так и концентрацией их в густонаселенных и благоприятных для земледелия районах страны, вытекает из градостроительных требований.
До недавнего времени проблемой рекультивации земель занималось значительное количество научно-исследовательских организаций различных
министерств и ведомств. Подавляющее число научных исследований было
связано с сельскохозяйственным и лесохозяйственным направлением
рекультивации земель. Несколько меньший объем занимали исследования, посвященные водохозяйственному, рыбохозяйственному направлениям. Лишь относительно небольшое число работ было посвящено направлениям, связанным с вопросами градостроительства – строительному, рекреационному, санитарно-гигиеническому. Нормативная и специальная литература по восстановлению нарушенных территорий не в полной мере раскрывает возможности поливариантного использования таких территорий, не решает вопрос выбора использования нарушенных территорий.
Степень разработанности темы исследования. Проблема восстановления и использования нарушенных территорий как часть общей проблемы природообусловленного развития территорий изучена в нашей стране недостаточно. Большое количество публикаций и исследований посвящено общим вопросам развития городов, решению задач экологии. Существенный вклад в решение обозначенной выше проблемы внесли такие ученые как Э.Геккель, В.И.Вернадский, В.И.Данилов-Данильян, Б.Коммонер, Н.Н.Моисеев, Ю.Одум, Н.Ф.Реймерс, А.Н.Тетиор, К.Уоллворк, А.В.Яблоков и др.
Эколого-градостроительные аспекты представлены в трудах таких ученых
как Ю.В.Алексеев, Е.А.Ахмедова, В.Р.Битюкова, А.Г.Большаков, Ю.П.Бочаров,
В.В.Владимиров, А.Гиясов, А.Ю.Даванков, Ю.В.Игнатьев, В.Ф.Касьянов,
В.А.Колясников, И.В.Лазарева, И.Г.Лежава, Г.А.Малоян, Е.Н.Перцик,
В.М.Пивкин, Б.М.Полуй, Б.Б.Прохоров, В.Ф.Сидоренко, И.М.Смоляр,
С.Б.Чистякова, С.Г.Шеина, И.С.Шукуров, Е.В.Щербина, И.Н.Яковлев, З.Н.Яргина и др.
Архитектурно-планировочные аспекты в своих работах решали:
Н.П.Абесинова, В.В.Баулина, Ю.А.Бондарь, А.П.Вергунов, Г.М.Гаврилов, А.В.Горохов, И.В.Гриманова, М.Н.Дивакова, Н.П.Ждахина, А.В.Калабин, Питер Кук, К.В.Лазарев, В.Г.Маевская, В.А.Пак, Д.О.Саймондс, Питер Эйземан, и другие.
Проблемы рекультивации нарушенных земель исследовали: Ю.М.Васильков,
Н.Ф.Горлов, М.П.Гришаев, Е.П.Дороненко, Л.П.Капелькина, Б.П.Колесников,
А.П.Красавин, Е.Г.Линькова, Л.В.Моторина, Т.Б.Минакова, С.И.Носов,
В.А.Овчинников, Г.М.Пикалова, С.С.Трофимов, Т.П.Федосеева, В.Н.Экзарьян, и др.
Вопросы аэрации, аэродинамики и ветрового режима рассматривались
в работах В.И.Беспалова, В.В.Балакина, М.Е.Берлянда, С.М.Горлина,
В.А.Гутникова, В.И.Ефимова, М.В.Завариной, И.М.Зражевского, Л.А.Кратцера,
Г.Е.Ланцберга, Х.Леттау, И.К.Лифанова, В.К.Лицкевича, А.М.Монина,
Э.И.Реттера, Е.Н. Романовой, Ф.Л.Серебровского, А.В.Сетухи, Э.Симиу, Р.Сканлана, Р.С.Скорера, А.С.Скотченко, Г.Шлихтинга, А.М.Яглома и др. Однако вопросы аэрации нарушенных территорий рассмотрены только как часть проблемы, касающейся аэрологии карьеров (Н.З.Битколов, В.А.Михайлов В.С.Никитин, К.З.Ушаков, и др.).
Изучение фундаментальных трудов отечественных и зарубежных ученых показало, что комплексной научной работы, выполненной на стыке наук градостроительства, горного дела и экологии, до сих пор не проводилось. Необходимость исследования по этой теме подтверждается Градостроительной доктриной Российской Федерации, принятой в 2014 году.
Анализ различных подходов к восстановлению нарушенных территорий и оздоровлению городской среды, представленных в этих и других работах, позволил выявить ряд неблагоприятных факторов и процессов природного и техногенного характера, ранее не учитываемых в градостроительном проектировании. Проведенный анализ определил направления методологии исследования восстановления и использования нарушенных территорий.
Научная гипотеза заключается в том, что эффективное восстановление и использование нарушенных территорий в градостроительстве возможно только при всестороннем учете аэрационного режима.
Объект исследования – нарушенные территории городов как совокупность карьерно-отвальных комплексов горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности и предприятий энергетики.
Предметом исследования являются закономерности, позволяющие
разработать основы восстановления и использования нарушенных территорий,
а также закономерности обтекания воздушным потоком техногенных форм
рельефа нарушенных территорий, позволяющие сформулировать основы
градостроительного использования нарушенных территорий с учетом
аэрационного режима.
Цель исследования. Научное обоснование и разработка методологических
основ восстановления и использования нарушенных территорий
для градостроительства с учетом аэрационного режима.
Задачи исследования:
обобщить и систематизировать состояние проблемы градостроительного пользования нарушенных территорий на основе отечественного и зарубежного опыта. Обосновать научную новизну исследования, выполнить постановку задач и определить методы исследования;
разработать типологию нарушенных территорий, определяющую выбор направлений дальнейшего их использования после восстановления;
выявить влияние техногенного рельефа на аэрационный режим нарушенных и прилегающих территорий, изучить закономерности процесса обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа нарушенных территорий;
разработать принципы восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима;
разработать методологию градостроительного анализа нарушенных территорий с определением главных направлений их использования;
разработать основные положения восстановления нарушенных территорий с учетом аэрационного режима;
апробировать теоретические разработки на примере нарушенных территорий Челябинской агломерации;
разработать рекомендации по градостроительному использованию
нарушенных территорий.
Методология и методы исследования:
анализ и обобщение литературных источников, научных публикаций, интернет-ресурсов, нормативных документов и стандартов, результатов научно-исследовательских работ, опубликованных в открытой печати, по теме диссертации;
методология районной планировки и градостроительства;
системный анализ, комплексный подход к решению научно-
методологических, теоретических и экспериментальных задач, методы математической статистики;
экспериментальные исследования процесса обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа в аэродинамической трубе методом моделирования на основе теории подобия.
Научная новизна исследований:
Впервые научно обоснованы, разработаны и апробированы характерные параметры нарушенных территорий, влияющие на выбор направления градостроительного их освоения и обеспечивающие необходимые и достаточные условия для такого выбора.
Впервые теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены обобщенные зависимости для расчета трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа, что позволило сформировать табличные аналоги, ставшие основой для разработки методики составления карт аэрационного режима нарушенных территорий.
Разработана методология расчета аэрационного режима нарушенных территорий, основанная на проведенных экспериментальных исследованиях методом физического моделирования в аэродинамической трубе и полученных закономерностях обтекания воздушным потоком техногенного рельефа.
Обоснованы главные направления градостроительного восстановления
и использования нарушенных территорий и прорывные прогрессивные
технологии формирования техногенного рельефа с заранее заданными
геометрическими параметрами, реализация которых в горнодобывающей
и перерабатывающей промышленности обеспечит значительное снижение
затрат на горнотехнический этап рекультивации нарушенных земель.
Разработана методика выбора направлений восстановления и использования
нарушенных территорий в градостроительных целях, отличающаяся
комплексным подходом к выбору определяющих параметров
этих территорий и позволяющая выполнять экспресс-анализ возможных
вариантов градостроительного освоения нарушенных территорий
на предпроектной стадии территориального планирования
и градостроительного проектирования, что значительно сокращает время на выбор вариантов их освоения в условиях агломерации.
- Предложенные рекомендации направлены на снижение уровня техногенной
нагрузки на окружающую среду, восполнение дефицита территорий
для рекреации, снижение затрат на транспорт и инженерные коммуникации
за счет освоения неиспользованных ранее нарушенных территорий,
что позволит снизить уровень социальной напряженности
в горно-промышленных районах агломераций.
Теоретическая значимость работы состоит:
- в научно-обоснованных предложениях восстановления и использования
нарушенных территорий в градостроительстве;
в систематизации и классификации направлений использования нарушенных территорий;
в установлении закономерностей обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа;
в разработке методов и алгоритмов восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима.
Практическая ценность работы заключается в разработке инженерно-
градостроительных основ проектирования и использования нарушенных
территорий, позволяющих оптимизировать техногенный рельеф
на предпроектной стадии за счет формирования техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами с учётом аэрационного режима.
Практическая реализация разработанных в диссертационной работе положений и принципов позволяет:
- управлять проектированием градостроительных объектов на ранних стадиях
разработки полезного ископаемого (до разработки технологических схем)
с целью решения градостроительных и экологических задач;
обеспечивать качественные экологические показатели восстанавливаемых нарушенных территорий;
обосновывать геометрические и другие параметры техногенного рельефа с целью минимизации затрат на восстановление нарушенных территорий;
моделировать и прогнозировать изменение экологических характеристик восстанавливаемых нарушенных территорий с учетом аэрационного режима.
Личный вклад соискателя состоит:
в разработке теоретических положений, изложенных в диссертации;
в разработке и внедрении методологии выбора направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях;
в разработке теоретической модели трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа, и изучении закономерностей процесса обтекания на основе физических экспериментов в аэродинамической трубе, что позволило разработать табличные аналоги, используемые для составления карт аэрационного режима нарушенных территорий;
- в разработке рекомендаций по выбору направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях с учетом аэрационного режима.
Положения, выносимые на защиту:
- системные принципы градостроительного восстановления
и использования нарушенных территорий;
теоретическая модель трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа;
обобщенные зависимости для расчета трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа;
классификация направлений и видов использования нарушенных территорий;
методика составления карты аэрационного режима нарушенных территорий;
методология выбора направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях;
рекомендации по выбору направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях с учетом аэрационного режима.
Степень достоверности результатов работы подтверждается
использованием современных методов системного анализа, строгостью
применяемых методов моделирования и математической статистики,
статистическим контролем сходимости результатов экспериментальных
исследований с данными натурных исследований аэрационного режима.
Реализация результатов исследования. Результаты, полученные в рамках настоящей диссертационной работы, были использованы:
институтом УралНИИПроект РААСН при выполнении научных исследований и разработок в области естественных и технических наук в сфере градостроительства, в частности, в НИР 2.1.8. «Теоретические основы градостроительной безопасности в условиях природных и техногенных риск-ситуаций», выполненной по Плану фундаментальных научных исследований РААСН в рамках направлений и разделов Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на период 20082012гг.;
в научно-исследовательских и проектных работах институтов ЦНИИП Минстроя России (бывш. ЦНИИПградостроительства РААСН), в работах Уральского регионального информационно-аналитического центра «Уралгеоинформ»;
- в научно-исследовательской работе «Аналитический обзор и разработка
нормативной базы градостроительного развития Уральского федерального
округа с точки зрения обеспечения безопасности». Тема ДЗ-06/9 по заданию
УралНИИПроект РААСН, 2006.
- Центром научно-технической информации «Прогресс» (ЦНТИ «Прогресс»,
г. Санкт-Петербург) при чтении лекций на курсах повышения квалификации
представителей проектных, научно-исследовательских организаций и Вузов
по рекреационному и строительному направлениям рекультивации нарушенных территорий;
при организации учебного процесса на архитектурно-строительном факультете Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) по специальному курсу «Безопасность застраиваемых территорий» для бакалавриата и магистратуры по направлению «Строительство»;
при организации учебного процесса в Российском государственном геологоразведочном университете (МГРИ-РГГРУ) (г. Москва) и Минерально-геологическом университете «Св. Иван Рилски» г. София (Болгария) при изучении студентами дисциплин экологического и градостроительного профиля.
Апробация результатов исследования. Основные положения и материалы
диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на
многочисленных научно-практических конференциях регионального,
всероссийского и международного уровней в период с 1982 по 2017 годы:
на научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинского политехнического института) (Челябинск, 1982 – 2017 гг.); Магнитогорского горно-металлургического университета (Магнитогорск, 1983 г.); Московского государственного строительного университета (Московского инженерно-строительного института) (Москва, 1986, 2005 г.); Уральского федерального университета (Уральского политехнического института) (Свердловск – Екатеринбург, 2005 – 2008 гг.); Пермского государственного технического университета (Пермь, 2011 г.); Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (Пенза, 2001 – 2013 гг.); Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) (Новосибирск, 2008 г.);
на «Уральских академических чтениях» в 1999, 2003, 2006, 2007 г., (УРО РААСН, Екатеринбург);
на Всесоюзном научно-техническом совещании «Малоотходные и безотходные технологии – главный фактор охраны окружающей среды» (АН ССР, Москва, 1983 г.);
на Международном совещании «Экология урбанизированной среды: проблемы, изучение и оптимизация» (ИЭВБ АН СССР, Тольятти, 1991 г.);
на Всесоюзном научно-техническом совещании «Улучшение акустической среды города: архитектурно-планировочные и строительно-технические методы» (ЦНИИПград, М. Симферополь,1991 г.);
на Всесоюзной научно-практической конференции «Промышленная Экология – 97» (СПБГТУ, Санкт-Петербург, 1997 г.);
на региональной научно-практической конференции «Состояние и развитие сырьевой базы стройиндустрии Челябинской обасти» (ЧДУ, Челябинск, 2001 г.);
на региональной научно-практической конференции «Стратегия развития миллионного города» (администрация г. Челябинска, Челябинск,2000 г.);
на межрегиональной городской конференции «Современные проблемы информационного пространства Уральского региона» (Уралгеоинформ, Екатеринбург, 2002 г.);
на 2-й общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспектива развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (ОАО «ПНИИС», Москва,21-22 декабря 2006 г.);
на Международной научно-практической конференции «Проблемы и направления развития градостроительства» (ФГБУ ЦНИИП градостроительства РААСН, 3-4 октября 2013 г.);
на Х Международной научно-практической конференции «Актуальные научные достижения – 2014» Часть 15. Строительство и архитектура (Прага, Чехия, 2014 г.);
на I Международной научно-практической конференции «Строительство и экология: теория, практика, инновации» (ПИРС, Челябинск, 9 марта 2015 г.);
на Международной научно-технической конференции "Пром-Инжиниринг" " (ICIE 2017, Челябинск, 16-19 мая 2017 г.)
на Международной научно-технической конференции "Строительство, архитектура и техносферная безопасность" (ICCATS 2017, Челябинск, 21-22 сентября 2017 г.)
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 92 печатных работы, в том числе: 13 в изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень рецензируемых научных изданий), 4 статьи, опубликованные в журналах, индексируемых в международной реферативной базе Scopus, и три монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, словаря терминов, списка литературы из 284 наименований и 4 приложений, общий объем диссертации 260 страниц машинописного текста, из них основного текста – 208 страниц, 42 таблицы, 83 рисунка.
Неблагоприятное воздействие нарушенных территорий на природно-территориальный комплекс
Нарушенные территории не только занимают большие площади, ограничивая новое строительство, но и существенно ухудшают экологические и микроклиматические условия. Из-за породных отвалов запыляется и отравляется продуктами горения атмосферный воздух на значительном расстоянии от них.
Интенсивность пыления отвалов определяется скоростью ветра, продолжительностью хранения пород в отвале и зависит от высоты отвала. Например, при высоте отвала 45 м ожидаемый объем пылеобразования составляет 42 тыс. т /год, а при высоте 105 м - 65 тыс. т/год [165]. Если учесть, что радиус выпадения частиц пыли при развевании отвалов ветром составляет 3-4 км, то при приближении нарушенных территорий к городу в зону оседания пыли попадает жилая застройка. Для Челябинской области загрязнение воздушного бассейна является одной из острейших экологических проблем (рисунок 1.6). Другое отрицательное воздействие породных отвалов - формирование ими (за счет атмосферных) грунтовых вод, закисляющих природные воды. Уровень грунтовых вод поднимается настолько, что они выклиниваются на поверхность. Водный контур, отрицательно влияющий на лесные массивы и пашни, наблюдается, в частности, вокруг отвалов вскрыши Коркинского разреза Челябинского буроугольного бассейна, отсыпанных на 1820 га (при площади карьера 520 га). Имея ввиду это последствие, горсовет запретил отсыпку 340 млн. м вскрыши на участке 700 га, отстоящем лишь на 1 км от центра г. Коркино [106].
Отмечается, что радиус воздействия на природную среду самых крупных горнорудных производств достигает 30-50 км, а отрицательное воздействие горнодобывающих предприятий на компоненты природной среды нередко в 5-10 раз превышает площади прямых нарушений [31] (рисунок 1.7). Тогда площадь вредного воздействия нарушенных территорий, расположенных в черте города, может в несколько раз перекрывать площадь города. Например, в Коркино площадь города 7125,4 га, а площадь вредного воздействия нарушенных территорий 26069 га, то есть в 3,66 раза больше (таблица 1.2).
Сравнить воздействие нарушенных территорий на население различных городов (районов) можно с помощью коэффициента вредного воздействия.
SHT - площадь нарушенных территорий в границах города (района), га; S -общая площадь города (района), га. Коэффициент вредного воздействия Квв показывает, сколько человек на каждом гектаре территории города (района) испытывает воздействие нарушенной территории. Значения коэффициента вредного воздействия Квв для некоторых городов Челябинской области приведены в таблице 1.3. Например, для Челябинска Квв = 4,6 чел/га, Еманжелинска - 3,62 чел/га, Коркино - 2,28 чел/га, В.Уфалея -2,18 чел/га.
С помощью Квв также выделяется две группы городов: горнолесной и лесостепной зоны, в которых условия проживания населения ухудшены из-за нарушенных территорий.
Несмотря на то, что отрицательное влияние нарушенных территорий очевидно, их восстановление ведется в очень малых масштабах. Так, например, в 1980году, было рекультивировано 1,24% общей площади нарушенных территорий городов, хотя площадь отработанных территорий составляла 24,5% [226].
Темпы восстановления очень низки, а устранение отрицательного влияния нарушенных территорий на население может принести материальную пользу, не говоря о том, что улучшится здоровье людей. В том же г. Коркино социальный эффект от оздоровления трудящихся при устройстве на нарушенных территориях зон отдыха составил бы 99,3 млн. руб./год (в ценах 2016 г., с учетом НДС и районного коэффициента), при условии, что только 37% работающего населения города посетит эту зону отдыха. Размещая на отработанных территориях сады, парки и спортивные площадки, можно эффективнее использовать городскую территорию, повысить общую плотность жилого фонда по городу, сократить длину инженерных коммуникаций, что приведет к снижению затрат в целом на жилищное строительство на 1-2% [106].
Типология техногенного рельефа, формы рельефа и его геометрические параметры
При оценке нарушенных территорий с целью выбора направлений использования их в градостроительстве первостепенное значение имеет техногенный рельеф этих территорий. Геометрические параметры техногенного рельефа (формы карьерных выемок и отвалов и их размеры в плане, глубина выемок и высота отвалов, углы откосов отвалов и бортов карьерных выемок, наличие и количество террас, высота ярусов и т.д.) имеют чаще всего решающее значение при определении комплекса мероприятий по преобразованию рельефа и инженерной подготовки территории.
Форма техногенного рельефа и его геометрические параметры зависят от природных условий залегания полезного ископаемого, технологии добычи и применяемого оборудования, механического состава вскрышных и вмещающих пород и их влажности, высоты отсыпки отвалов и их ярусности и др. Техногенный рельеф может иметь положительную или отрицательную форму.
Земная поверхность, имеющая уклон менее 2, называется субгоризонтальной; если форма рельефа возвышается над субгоризонтальной поверхностью, то она является положительной, если форма представляет собой углубление, то она называется отрицательной.
К положительным формам техногенного рельефа относятся всевозможные отвалы горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности (отвалы вскрыши и вмещающих пород, шламо- и хвостохранилища, дражные полигоны), золоотвалы ТЭЦ, шлакоотвалы металлургического производства, свалки твердых бытовых и промышленных отходов
К отрицательным формам техногенного рельефа относятся карьерные шлейки и траншеи, прогибы и проседания земной поверхности, провалы и трещины, возникшие в процессе (или как следствие) ведения горных работ.
К наиболее распространенным формам техногенного рельефа относятся отвалы. В районах с развитой горнодобывающей промышленностью отвалы занимают значительные площади. В Челябинской области площадь, занимаемая отвалами только открытых горных работ, составляет более 10 тыс. гектаров, что соответствует 40% площади всех нарушенных территорий области.
Рассмотрим формирование отвалов на примере производственного объединения «Челябинскуголь» (рисунок 3.1). Формирование отвалов ведется здесь железнодорожным и автомобильным транспортом. Имеются также и гпдроотвалы. Гидроотвалы характеризуются небольшой высотой (4...8 м), большой площадью отсыпки и достаточно ровной поверхностью. Площадь их составляет 50...100 га. Общая площадь, занимаемая гидроотвалами в ПО «Челябинскуголъ», составляет 720 га.
Автомобильные отвалы характеризуются большой высотой и сравнительно небольшой площадью отсыпки. Формируются отвалы ярусами, причем, нижний ярус имеет высоту до 20 м, а верхние - 10... 15 м. Общая площадь территорий, занятых отвалами, составляет 382 га, в том числе: менее 10 га - два отвала, менее 50 га - четыре отвала, менее 100 га -один отвал, более 100 га - один отвал.
Железнодорожные отвалы занимают большую площадь и характеризуются значительными неровностями рельефа. Железнодорожный отвал Коркинского угольного разреза, который занимает площадь 1284 га, отсыпан в пять ярусов общей высотой до 100 метров. На период отработки карьера высота отсыпки отвала достигнет 160 м (6-7 ярусов), он будет занимать территорию в 1360 га.
Железнодорожный отвал разреза «Батуринский» имеет площадь 111 га, высоту 20 м, в настоящее время засыпается породой, доставляемой автотранспортом. Южный железнодорожный отвал разреза «Коркинский» занимает территорию в 68 га, его высота 12 метров. Он используется для строительства различных зданий и сооружений. На нем возведены овощехранилище, ветлечебница и другие постройки.
Для оценки техногенного рельефа по занимаемой площади можно предложить следующую классификацию: малые отвалы (до 10 га), средние (11...50 га), крупные (51...100 га) и очень крупные (свыше 100 га).
По высоте отвалы можно классифицировать следующим образом: невысокие (до 15 м), средневысокие (16...30 м) и высокие (31...100 м и более).
Важной характеристикой геометрических параметров техногенного рельефа являются углы откоса отвала. Углы откосов отвалов обычно соответствуют углу естественного откоса отсыпаемой породы, который зависит ОТ физико-механического состава породы и ее влажности. Угол естественного откоса для разных пород составляет 28...40. С увеличением высоты отвала для обеспечения его устойчивости угол откоса должен уменьшаться. После окончания отсыпки отвала откосы его должны выполаживаться до, 11.. .28 с целью уменьшения эрозионных процессов на склонах (рисунок 3.2).
Форма откоса отвала может быть сплошной или террасной. Террасная форма характерна для высоких отвалов. Террасированные отвалы имеют большую устойчивость, поэтому допускается утлы откоса таких отвалов выполаживать до 30...35.
Таким образом, можно различать отвалы со склонами: пологими (18±6), среднекрутыми (30±6) и крутыми (42±6).
Значительно изменяются геометрические параметры отвалов при наличии уступов и террас (ярусов). Ширина уступа варьируется в пределах 20…60 м. Высота уступов составляет от 5...8 до 15...20 м. Большей высоте уступа соответствует большая его ширина. Для эффективного использования отвалов в народном хозяйстве после окончания работы горнодобывающего предприятия рекомендуемая высота террас должна составлять не более 5 метров при ширине не менее 10 метров [139].
Для определения конфигурации форм рельефа в плане используется соотношение L/B, где L – длина, В – ширина формы рельефа (рисунок 3.3). Принята следующая классификация отвалов по форме в плане: круглые или квадратные (1 L/B 2), продолговатые или прямоугольные (2 L/B 4) и протяженные (L/B 4).
Специфическим видом отвала является терриконик, имеющий коническую форму и являющийся характерной чертой городского пейзажа в угледобывающих районах.
Другими наиболее распространенными формами техногенного рельефа (после отвалов) являются карьерные выемки. Они распространены повсеместно вокруг городов и поселков (карьеры по добыче строительного камня, песка, глины), в районах горнодобывающей промышленности.
На территории Челябинского буроугольного бассейна имеются 19 карьерных выемок, оставшихся после угледобычи. Глубина их варьируется и широком диапазоне (от 22 до 464 м). Углы откоса бортов карьерной выемки составляют 22...35, углы откоса уступов - 45...60. Средняя высота уступов составляет 8... 10 м, ширина их - 20.. .30 м.
Наиболее распространенными являются карьерные выемки небольшой глубины (15...30 м), площадью до 10 га (карьеры по добыче строительных материалов). Карьеры по добыче угля, рудных и нерудных полезных ископаемых имеют значительно большие размеры (глубину 50... 100 м и более, площадь 20...60 га и более). Глубина крупнейшего в Европе Коркинского угольного карьера составляет 464 м, размеры выработанного пространства 5 на 2,5 км (проект) (рисунки 36-38).
Методика выбора направлений использования нарушенных территорий
Выбор вида использования нарушенных территорий - один из основных вопросов проблемы восстановления нарушенных территорий и рекультивации нарушенных земель. В зависимости от избранного вида использования определяется состав инженерных мероприятий по восстановлению территории, дается экономическая оценка затрат на их осуществление, определяются социальная, экологическая и экономическая эффективности мероприятий по восстановлению.
В основу методики выбора направления использования нарушенных территорий положены принципы гармонического развития населенных мест и оздоровления окружающей среды. Эти принципы предусматривают рациональное удовлетворение территориальных потребностей для размещения необходимых функциональных зон населенных мест, ликвидацию или нейтрализацию вредного воздействия нарушенных территорий на окружающую среду и улучшение санитарно-гигиенических условий проживания населения вблизи восстанавливаемых территорий.
Выбор вида использования нарушенных территорий - комплексная многоплановая задача. Для каждого вида использования необходимо выполнение определенного набора специфических требований, несоблюдение которых может полностью исключить данный вид использования. Достаточно полно такие требования разработаны для биологического типа освоения нарушенных территорий, менее - для градостроительного типа освоения.
В настоящих рекомендациях рассматриваются нарушенные территории, находящиеся в пределах городской черты и в зоне влияния города, с точки зрения функционального зонирования населенных мест. Градостроительное использование нарушенных территорий, рассматриваемое с позиций рационального использования территорий населенных мест, может иметь в своем составе все типы освоения этих территорий. Поэтому выбор вида использования нарушенных территорий осуществляется на основе народнохозяйственных интересов, предполагающих рациональное территориальное планирование с учетом охраны природы и оздоровления окружающей человека среды.
Последовательность этапов выбора направлений использования нарушенных территорий.
Выбор направлений использования нарушенных территорий производится в несколько этапов (рисунок 4.1).
1.На основе анализа природно-климатических и градостроительных условий нарушенная территория характеризуется по девяти группам условий.
2.Затем в соответствии с условиями 1-9 осуществляется предварительный выбор направлений использования: для строительства зданий и сооружений, для зеленого строительства, для устройства водоемов. Здесь же определяются условия использования рельефа: при сохранении техногенного рельефа, при частичном или полном его переформировании.
3.По генплану города и пригородной зоны определяется принадлежность нарушенной территории к функционально-территориальной зоне города.
4.Выявляются потребности города в территориях для функционально-территориальных зон.
5.Рассчитываются затраты на осуществление выбранных вариантов, производится сравнение затрат с социально-экономической и экологической эффективностью восстановительных мероприятий.
6. На основе сравнения вариантов вида использования выбирается оптимальный вариант.
Если выбранное направление использования неэффективно или не соответствует потребности города в территориях для функционально-территориальных зон, необходимо вернуться ко второму этапу, выбрать нужный вариант и повторить следующие за вторым этапы выбора.
Предварительный выбор направлений использования нарушенной территории проводится на основе анализа природно-климатических и градостроительных условий:
- природно-климатическая зона;
-геология и гидрогеология участка (пригодность пород в качестве оснований зданий и сооружений);
- способ и технология добычи полезного ископаемого;
- термический режим пород;
- пригодность пород для биологической рекультивации;
- токсичность пород;
- размеры нарушенной территории;
- форма техногенного рельефа;
-расположение нарушенной территории относительно жилой застройки и воздействие ее на окружающую среду.
Учет природно-климатических условий необходим при выборе направлений использования как для биологического типа освоения, так и для градостроительного.
Различные показатели радиационного, температурно-влажностного и ветрового режимов в разных природно-климатических зонах определяют условия произрастания сельскохозяйственных культур, а также формируют свои специфические требования к архитектурным планировочным решениям застройки и организации территории населенных мест. При осуществлении восстановительных работ на нарушенных территориях возможно не только приведение этих территорий к виду, который они имели до нарушения. Появляются широкие возможности совершенствования окружающей среды путем формирования техногенного рельефа с заранее заданными параметрами. Размещение отвалов, выполняющих функции ветрозащиты, защиты от снега, пыли, в определенных проектами местах обеспечит более эффективное использование территории. Это позволит ускорить темпы восстановления нарушенных территорий.
Природно-климатические характеристики необходимы при уточнении вида использования нарушенных территорий, а также при разработке программы инженерных мероприятий по формированию техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами с целью совершенствования микроклиматических характеристик территории.
Термический режим пород необходимо определять для отвалов, формируемых угледобывающими предприятиями. При этом следует определять отвалы потухшие, несгоревшие, горящие и негорючие. При освоении таких территорий необходимо предусматривать мероприятия по тушению горящих отвалов и по предотвращению возгорания потухших и негоревших отвалов. Необходимо учитывать, что при неполном завершении процесса горения в потухших отвалах возможны взрывы.
Важное значение при выборе направлений использования нарушенных территорий имеют такие характеристики, как токсичность пород и пригодность их для биологической рекультивации. Породы могут быть пригодными, малопригодными, непригодными или опасными. К опасным следует относить породы (грунты), содержащие радиоактивные элементы или токсичные соединения в опасных концентрациях. Степень пригодности пород для биологической рекультивации определяется в соответствии с ГОСТ 17.5.1.03-86 [48].
Для определения направления использования нарушенных территорий одним из определяющих признаков является рельеф участка.
Пригодность территории для строительства зданий и сооружений определяется формой и элементами рельефа, абсолютной и относительной высотой, горизонтальным расчленением и изрезанностью рельефа, уклоном поверхности и экспозицией склонов.
Техногенный рельеф участка, его формы и геометрические параметры зависят от способа и технологии добычи полезного ископаемого.
При открытом способе работ преобладают такие формы техногенного рельефа, как карьерные выемки и отвалы, при подземном - терриконики (конусовидные отвалы), провалы и проседания земной поверхности.
Террасированные плоские отвалы формируются с использованием железнодорожного и автомобильного транспорта, конусовидные с помощью конвейерного, платообразные отвалы, близкие к уровню естественной поверхности, - с помощью гидротранспорта.
Рельеф нарушенных территорий существенно влияет на микроклиматические характеристики территорий, в частности, на ветровой и инсоляционный режимы. При выборе вида использования нарушенных территорий необходимо учитывать эти особенности. Неблагоприятные микроклиматические характеристики территории могут полностью исключать их рекреационное использование или размещение на них жилой застройки, каких-либо производств, а также объектов сельскохозяйственного назначения.
Размер нарушенной территории и расположение ее в плане города относительно жилой застройки - важнейшие градостроительные условия, без которых невозможен выбор направлений использования нарушенных территорий. Расположение нарушенной территории в плане города является характеристикой градостроительной ценности этой территории и, вместе с тем, характеризует степень воздействия этой территории на окружающую среду. Размеры нарушенной территории могут дать количественную и качественную оценки воздействия на окружающую среду (и, в первую очередь, на человека) и зачастую являются решающей характеристикой при выборе направлений использования территории.
Использование нарушенных территорий Коркинского природно-территориального комплекса
Формирование Коркинского природно-техногенного комплекса связано с отработкой богатого месторождения бурого угля. До 1930 г. Коркино было небольшим сельским населенным пунктом, его развитие было связано с разработкой месторождения бурого угля. На первом этапе развития, на месте будущего центра города появились земляные бараки, в которых жили первые строители разреза. Ими был построен первый рабочий поселок Горняк, находящийся в 1,5 км к северо-западу от Коркино (рисунок 5.11а).
В 1942 г. рабочий поселок Коркино переименован в город областного подчинения. К городу была прикреплена значительная по размерам территория и ряд населенных пунктов. Наиболее значительными из них являются поселки Первомайский, а также «Роза» (б. «Роза Люксембург»).
С развитием угледобычи начинается отчуждение из природной среды таких ее составляющих, как леса, луга, болота и др. (рисунок 5.11б, в). В процессе строительства промышленных и гражданских объектов возникают котлованы и различные коммуникации, которые существенно меняют естественные ландшафты, часть природных комплексов полностью исчезает, часть приобретает новые, так называемые техногенные свойства.
С возникновением промышленности происходит загрязнение воздуха и воды, площадь естественной природной среды сокращается, а нагрузка на нее возрастает. Это вызывает усложнение экологической обстановки, так как количество загрязняющих веществ, поступающее на территорию за единицу времени, не разрушается и не выводится за это же время за пределы ПТК в ходе естественного кругооборота вещества в природе.
Градообразующим предприятием в настоящее время является акционерное общество по добыче угля "Челябинскуголь", где занято 70% трудоспособного населения. Земли под промышленными и гражданскими объектами распределены следующим образом: жилая застройка – 1770 га, промышленная – 2340 га, коммунально -складские территории – 770 га.
Разрез Коркинский" занимает площадь 2150 га (рисунки 5.12, 5.13). Добыча угля открытым способом, начатая более 60 лет назад, оказывает наибольшее отрицательное влияние на окружающую среду. Для существования карьерной выемки требуется применение мощного водоотлива, что приводит к существенному изменению гидрогеологического режима местности. Обнажение земной поверхности приводит к выделению огромного количества различных газов, которые оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и здоровье населения.
Влияние отвала и разреза на окружающую среду сказывается не только в изъятии значительных площадей из природных комплексов, но и в заболачивании территории по периметру отвала, выделении вредных газов и пыли, в усилении потоков миграции вредных веществ путем смыва атмосферными осадками и т.д.
Предложены несколько вариантов преобразования Коркинского карьерно-отвального комплекса. Наиболее показательнв некоторые из них, а именно: 1 – засыпка карьерной выемки и 2 – заполнение карьерной выемки водой.
Первый вариант не представляет технических трудностей и при реализации возможно провести следующие работы:
а) ликвидация отвалов и освобождение от них площади, которую можно использовать под сельскохозяйственные угодья или для других надобностей;
б) уменьшение глубины карьера, что облегчит проведение работ по приданию склонам нужного профиля для предотвращения оползневых процессов.
На первый взгляд этот вариант перспективен. Но при подсчете стоимости транспортировки более 1 млрд. м грунта на расстояние в несколько километров показывает необходимость многомиллиардных затрат. К тому же на проведение этой работы потребуется более 20 лет, поэтому поднимать вопрос о полной ликвидации отработанных нарушенных территорий нереально.
Согласно второму варианту отработанный карьер следует практически полностью залить водой,создав крупный искусственный водоем. В поперечнике он превысит 2 км, а в длину 3 км. На Южном Урале есть немало озер, значительно больших по размерам, чем потенциальный Коркинский водоем. Что же касается его возможной глубины, то в этом отношении он намного превзойдет все современные природные и искусственные водоемы Урала. Карьерная выемка могла бы вместить более 1 кубического километра воды. Такой запас воды в Челябинском промузле был бы совсем не лишним, так как здесь постоянно ощущается ее дефицит.
Однако заполнение карьера водой имеет свои трудности и может иметь негативные последствия. Главная проблема – нет мощного водного источника для заполнения выемки в желательные сроки (хотя бы 20 лет). При современном дебите грунтовых вод на заполнение выемки потребуется более 300 лет. Но в конце концов это событие наступит, так как постоянно будет наблюдаться положительный баланс влаги (испарение с поверхности водоема меньше притока воды). Срок можно уменьшить, направив в карьер воды маловодной реки Чумляк.
Нежелательные техногенные последствия, которые могут проявиться при заполнении карьерной выемки водой, сводятся следующему: с приближением воды к верхней бровке выемки будет повышаться уровень подземных вод в окружающей местности. При наличии крутых склонов выемки (до 25 градусов) возникает опасность оползневых явлений, так как склоны карьера сложены сравнительно рыхлыми отложениями (супеси, суглинки и т. д.). В непосредственной близости от карьера, на расстоянии десятка метров от бровки, находятся промышленные объекты, железнодорожные пути и пр. Близко к карьерной выемке подступает и жилая застройка, в частности, поселок «Роза», который постепенно сползает к гигантской чаше котлована, поэтому заполнение карьера водой до столь высокого уровня без предварительного выполаживания бортов выемки может привести к опасным последствиям. Для выполаживания потребуются дополнительные площадки равные третьей части современной территории города.
Тем не менее, следует оценить освоение карьерно-отвального комплекса Коркино как объекта санитарно-гигиенического благоустройства для рекреационных целей. В этом случае основной целью является повышение экологического потенциала территории. Такое направление использования техногенных форм рельефа допускает множество различных предложений, основные из которых представлены на рисунке 79. При высоте отвала 140 м суммарная площадь откосов и террас будет составлять более половины занимаемой им площади. Поэтому важным моментом является придание его склонам рациональной формы.
Существенно изменить форму отвала в плане не представляется возможным, так как к настоящему времени он вышел на свою техническую границу. Для размещения всего объема вскрышных пород, помимо наращивания высоты отвала, потребуется дополнительный отвод 100 – 120 га земель. С учетом того, что прилегающие к отвалу территории заняты жилыми постройками, промышленными объектами, транспортными коммуникациями и другими сооружениями, а также плодородными землями совхоза «Калачевский», развитие отвала предлагается осуществлять в северо-восточном направлении – на территории отработанных гидроотвалов углемойки.
Откосы отвальных ярусов, примыкающих к автомобильной дороге Челябинск – Троицк и западному промрайону города (рисунок 5.14, поз. 14), террасируются на 2 – 3 подуступа с созданием площадок шириной не менее 12 м. Террасированные откосы озеленяются древесно-кустарниковыми насаждениями. В местах, подверженных ветровой эрозии (верхние бровки откосов), высаживаются кустарники с ветвящейся корневой системой (лох, узколистный, жимолость татарская) и корнеотпрысковой способностью (лох серебристый). Для озеленения откосов, помимо древесно-кустарниковых насаждений, используется смесь многолетних трав, которая дает плотную быстрообразующуюся дернину.
В южной части Старо-Чумлякского отвала, примыкающего к пос. Горняк, создается обширная зеленая зона (рисунок 5.14, поз. 5), выполняющая роль защитной полосы от вредного воздействия верхних, свежеотсыпанных ярусов породы. Техническая рекультивация включает выполаживание склонов под углом 16 градусов, создание четырех промежуточных террас шириной 20 – 30 м, устройство водоотводящих канав и водозадерживающих валов, покрытие поверхности потенциально плодородными породами (1 – 1,6 м) и плодородным слоем почвы (0,15 м), устройство въездов и дорог.
В будущем часть отвала (1 и 2-й нижние ярусы), примыкающего к этому участку с западной стороны, можно будет передать под строительство индивидуальных гаражей для жителей г. Коркино и для других некрупных хозяйственных построек. Юго-Восточные склоны отвала и пойму р. Чумляк целесообразно использовать для строительства теплиц, оранжерей, под коллективные сады и огороды (рисунок 5.14, поз. 10, 17).