Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние исследований по ландшафтному картографированию для целей геокриологического мониторинга 8
Глава 2 Характеристика природных условий Надымского района 26
2.1. Рельеф и гидрографическая сеть 26
2.2. Климатические условия 29
2.3. Геологические и геокриологические условия 31
2.4.Почвы 35
2.5 .Растительность 37
Глава 3 Методика исследований 44
3.1. Методы исследования 44
3.2. Подготовительный этап 46
3.3 .Полевой этап 46
3.4 Камеральный этап 51
Глава 4 Анализ динамики геосистем Надымского района по составленным картам 59
4.1. Мониторинговые наблюдения на постоянных площадках и профилях 61
4.2. Оценка техногенных нарушений в полосе трассы газопровода Надым-Пунга 69
4.2.1. Вырубка лесов 73
4.2.2.Проезд транспорта 74
4.2.3.Расчистка трасс и техногенных площадок 76
4.2.4.Пожары 78
4.2.5. Подтопление 80
4.3. Инвентаризация техногенных нарушений 83
4.3.1 .Процессы, вызываемые техногенными нарушениями 89
4.3.2. Восстановление нарушенных участков 93
4.3.3. Динамика геосистем 103
Глава 5 Геоэкологическое картографирование полосы трассы газопровода Надым-Пунга 106
Заключение 121
Список литературы 124
Приложения. 135
- Современное состояние исследований по ландшафтному картографированию для целей геокриологического мониторинга
- Камеральный этап
- Инвентаризация техногенных нарушений
- Геоэкологическое картографирование полосы трассы газопровода Надым-Пунга
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема восстановления и сохранения криогенных ландшафтов, которые под
воздействием техногенных факторов разрушаются, приобретает все большую актуальность в связи с активизацией промышленного освоения Севера Западной Сибири. Для восстановления нарушенных земель определенную значимость приобретает оценка их техногенных нарушений в условиях криолитозоны.
Как показали многочисленные исследования существует тесная взаимосвязь между развитием растительности и процессами, происходящими в области вечной мерзлоты. Одним из важных методологических подходов для выявления нарушенных земель и научного обоснования природопользования в условиях криолитозоны приобретает инженерно-геокриологическое и геоэкологическое картографирование, при котором используется системный подход - все компоненты природной среды и деятельность человека рассматриваются в тесной взаимосвязи.
Несмотря на значительный опыт проведения геоэкологического картографирования, существующие методики составления геоэкологических карт разработаны недостаточно: до сих пор отсутствуют единые принципы составления карт, не унифицированы методики их составления, не разработаны типовые геокриологические и геоэкологические легенды, особенно для зон с многолетнемерзлыми породами. Все это ставит перед учеными задачи по совершенствованию методологических подходов и обосновывает актуальность настоящей работы.
Объектом данной работы являются геосистемы Надымского стационара, расположенного в полосе трассы газопровода «Надым-Пунга», где в 1970 году проводились ландшафтные и инженерно-геокриологические съемки ненарушенных геосистем. Позднее для оценки техногенных нарушений выполнялось картографирование нарушенных геосистем, стационарные наблюдения за растительным покровом, мощностью и влажностью сезонноталого слоя, температурой почв и пород под влиянием изменений климата и техногенных нарушений. Цель работы: оценить динамику северо-таежных геосистем в зависимости от изменений климата, геокриологических условий верхней части криолитозоны, развития криогенных процессов и техногенеза путем повторного картографирования и использования ГИС-технологий. Исходя из указанной цели исследования определены задачи:
Охарактеризовать природные условия Надымского района и оценить их динамичность, и развитие криогенных и инженерно-геологических процессоа
Рассмотреть современное состояние исследований по ландшафтному и геоэкологическому картографированию.
Выявить тенденции развития северо-таежных геосистем и дать прогноз их дальнейшего изменения на основе анализа составленных разновременных кругаюмасштабных ландшафтных карт.
На основе анализа геокриологических данных и созданных крупномасштабных ландшафтных карт составить геоэкологическую карту полосы трассы газопровода.
5) Оценить современное экологическое состояние трассы газопровода и устойчивость геосистем Надымского стационара.
Личный вклад и методы исследования: Основу диссергационной работы составляет фактический материал, полученный автором в полевых экспедициях 2004-2006 годов на севере Тюменской области (Надымский стационар).
Автором составлены: электронные крупномасштабные ландшафтные карты разных временных срезов; геоэкологическая карта с прогнозной оценкой геокриологического состояния изученных геосистем; рекомендации по комплексу природоохранных мероприятий, необходимых для проведения не только в полосе трассы газопровода Надым-Пунга, но и на действующих или строящихся трубопроводах в зоне северной тайга Западной Сибири
Автором выполнено: дешифрирование космо- и аэроснимков и ландиифтно-структурньй анализ; экспедиционным методом проведены исследования на ключевых участках и режимные наблюдения.
На основе составленных автором крупномасштабных ландшафтных карт разных временных срезов дана оценка динамики геосистем в естественных и нарушенных условиях, определены критерии устойчивости геологической среды по её реакции на техногенные нарушения.
Для создания разновременных ландшафтных карт использован пакет программ CEODRO-GEOGRAPH, составлена электронная база данных по скважинам в программе PARADOX и подсоединена к ландшафтной карте. С помощью сравнительно-картографического метода выявлены изменения геокриологических характеристик в разных ландшафтных условиях, и прослежена динамика геосистем. При составлении прогноза изменения геокриологических условий в результате техногенеза применялся индикационный метод. На защиту выносятся следующие результаты научного исследования:
Методика количественной оценки геосистем ранга урочищ и фаций, которая детально прослеживает динамику нарушений и восстановления геосистем.
Получены количественные показатели стадий восстановления растительного покрова и изменения геокриологических условий.
3) Вьтолнена типизация геоэкологических участков с учетом их устойчивости, которая позволяет
оптимизировать выбор природоохранных мероприятий.
Научная новизна работы:
Разработана и апробирована методика количественной оценки нарушенных площадей, и на ее основе вьтолнена типизация техногенных нарушений, характерных для северной тайги Западной Сибири.
Оценена динамика разных групп ландшафтов в зависимости от типов техногенной нагрузки на основе анализа крупномасштабных ландшафтных карт, определена степень восстановления и тенденции развития изученных геосистем, и дан прогноз их дальнейших изменений в условиях
меняющегося климата и повторных техногенных нарушений.
Впервые выделены критерии устойчивости геоэкологических участков по их реакции на техногенные нарушения с учетом различий геокриологических характеристик.
На основе составленной крупномасштабной геоэкологической карты выполнена типизация геоэкологических участков по их устойчивости, дан прогноз изменений этих участков на ближайшее десятилетие и рекомендованы природоохранные мероприятия по сохранению и восстановлению нарушенных геосистем.
Практическое значение работы:
Анализ полученных и обработанных данных позволил сравнить динамику естественных и нарушенных северо-таежных геосистем криолитозоны Западной Сибири, выделить особо опасные криогенные процессы, влияющие на эксплуатацию линейных сооружений. Выполнена оценка современной геоэкологической ситуации на исследуемой территории. С помощью ГИС проведен комплексный геоэкологический анализ карт и выделены участки с различной степенью устойчивостью к техногенным нагрузкам. Разработан комплекс мероприятий для северо-таежных геосистем на примере полосы трассы газопровода «Надым-Пунга», направленных на сохранение нефте- и газопроводов в зоне островной криолитозоны. Составленные рекомендации могут быть использованы для обеспечения природоохранных мероприятий при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов в зоне северной тайги Западной Сибири. Они позволяют снизить затраты на проведение природоохранных мероприятий за счет выделения устойчивых геоэкологических участков, не нуждающихся в таких мероприятиях. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 14 конференциях: 4 Международных конференциях, проводимых Научным Советом по криологии Земли РАН (ПущиноД005; Тюмень 2006,2008; Салехард 2007); на конференциях изыскательских организаций (ПНИИИС, 2005; 2006); на заседании комиссии биогеографии Московского центра Русского Географического общества (Москва, 2007); а также на 7 Всероссийских конференциях. Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 1 монография в соавторстве и 1 статья в рецензируемом журнале «Криосфера Земли».
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 14 приложений; содержит 10 таблиц, 31 рисунок. Содержание диссертации изложено на 150 страницах машинописного текста. Список использованной литературы включает 160 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю дх.н. Н-ГМоскаленко за научную и методическую помощь и постоянную поддержку в работе, автор приносит благодарность академику СО РАН ВЛМельникову за содействие на всех этапах работы, сотрудникам московского отделения ИКЗ к. г-м.а Г.В. Малковой и ЮВ. Корссгелеву за помощь в обработке материала, автор признателен дг-м.н. ЕАСлагоде, д.б.н. СИ. Квашниной, к.гл ВВ.Самсоновой за ценные замечания и рекомендации при подготовке диссертационной работы и
выражает благодарность кг-м.а СШЛономаревой и аспираіпу П.Т.Орехову за помощь при сборе
материалов.
Современное состояние исследований по ландшафтному картографированию для целей геокриологического мониторинга
На протяжении 19 века термин «ландшафт» в географии относился к внешнему облику территории или к рельефу. Первые научные определения ландшафта принадлежат русским географам начала 20 века, в особенности Л.С.Бергу. В своей работе Л.С.Берг (1931) дает такое определение ландшафта — «сочетание природных компонентов (рельефа, климата, почв, растительного покрова), очерченное естественными границами».
Одновременно с Бергом сходный подход начали разрабатывать в Европе и в Америке. В современной советской географии ландшафт понимается как природная система. Согласно этому представлению, развитому в 30-40 годах 20 века Л.Г.Раменским (1935), С.В .Колесником (1949), А.А.Григорьевым (1966) и в дальнейшем обоснованному В.Б.Сочавой (1979), Н.А.Солнцевым (2001), - ландшафт есть конкретная территория однородная по своему происхождению и истории развития, обладающая единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценозов и закономерным набором морфологических частей — фаций и урочищ. В настоящее время существует большое количество классификаций ландшафтов различных авторов: М.Н.Глазовской (1964), В.Б.Сочавы (1978), Н.А.Гвоздецкого (1979), В.Н.Солнцева (1981), А.Г.Исаченко (1991)и др.
Каждое ландшафтное исследование должно опираться на карты, причем карты разного масштаба, в зависимости от того, какие ландшафтные особенности мы хотим проследить. По мнению Берга Л.С. (1931), «карта есть основа, с которой надо начинать изучение ландшафта».
Ландшафтные карты впервые появились в 20-х годах 20 века. Но широкое распространение приобрели лишь в 60-х годах, когда они стали публиковаться в составе комплексных атласов. Ландшафтные карты отражают современное состояние ландшафтов, их генезис, возраст, динамику, степень антропогенной модификации (нарушенность, загрязненность), закономерности размещения географических комплексов и их пространственную структуру. На картах масштаба 1:10 000 обычно отображаются фации, на среднемасштабных и мелкомасштабных картах (до1:1000 000) - урочища и местности. В соответствии с назначением на них могут быть представлены инвентаризационные, ресурсные показатели, оценочные и прогнозные характеристики. Ландшафтным картам, также как и картам растительного покрова, принадлежит ведущая роль в комплексных исследованиях природы и взаимодействия человека с окружающей средой. А.Г. Исаченко (1980) считает ландшафтные карты важнейшим документом, который сопровождает процесс исследования на всех его этапах: от первоначальной инвентаризации до заключительных рекомендаций.
Теоретическую основу исследования в области ландшафтной географии и экологии составляют идеи и труды отечественных ученых: Л.Г.Раменского (1935), А.Ф. Черкащина (1960), Ф.Н. Милькова (1966), Б.В.Виноградова (1972), Н.А.Гвоздецкого (1979), А.А.Крауклиса (1979), В.Б.Сочавы (1979), Э.Г.Коломыца (1985), В.С.Преображенского (1988), Г.А.Исаченко (1998), В.А. Николаева (2000), В.И.Булатова (2001), В.В.Козина (2001), Ю.И.Винокурова (2006) и др.
Учтены исследования отраслевого и регионального характера А.П.Тыртикова (1969,1980), Н.А.Шполянской (1970,1980,1981), Е.С.Мельникова (1973,1983), В.В.Смирнова (1975), С.Ю.Пармузина (1987), В.П.Антонова-Дружинина (1991), И.А.Беха (1992), Г.Е.Вильчека (1996), Л.И.Зотовой(1996), В.М.Савкина (2000), В.Я.Хренова (2002), АД.Абалакова (2004), А.Н Антипова, А.С.Балыбина, О.В. Гагаринова (2007), Ю.М.Семенова, А.В.Белова, Е.Г.Суворова (2007) и др.
В использовании ландшафтных карт выделяют следующие главные направления: 1)анализ структуры ландшафтов, их сложности, дифференциации, и других морфометрических характеристик; 2)изучение связи между компонентами ландшафта (вертикальные связи) и между ландшафтными ареалами (горизонтальные связи), выявление иерархической организации ландшафта; 3) анализ динамики поведения ландшафта, оценка возможных естественных и антропогенных (техногенных) трансформаций, прогноз будущих состояний; 4) индикационный анализ ландшафтных карт для выявления неблагоприятных и опасных природных процессов; 5) оценка территории для хозяйственного освоения.
В 20 веке с открытием и разработкой месторождений нефти и газа в Тюменской области началось интенсивное освоение северных территорий, которое сопровождается нарушением рельефа, почвы и уничтожением растительного покрова на больших площадях. На природу Севера сильно влияют мерзлотные условия, под действием которых образуются специфические ландшафты. Направленность и последствия антропогенного воздействия на природные геосистемы территории изначально предопределяются традиционным укладом жизни коренного населения либо задачами освоения природных ресурсов.
История исследования криолитозоны нашей страны, а также этапы формирования мерзлотоведения — неоднократно привлекали внимание геокриологов. Первые обзоры были выполнены М.И.Сумгиным (1927), но наиболее подробные обобщения на эту тему были сделаны П.Ф.Швецовым (1955), Л.А.Мейстером(1948), Н.И.Салтыковым (1958), П.И.Мельниковым (1964).
При освоении газовых месторождений Севера Западной Сибири на его территории были созданы коридоры трубопроводных систем, оказывающие прямое и косвенное воздействие на прилегающие территории. При этом строительство газопроводов сопровождалось значительными по площади нарушениями рельефа и почвенно-растительного покрова. В результате уничтожения коренных растительных сообществ активизировались такие природные процессы, которые в ненарушенных ландшафтах были, выражены слабо или не проявлялись вовсе. Динамика растительного покрова, оказывая существенное влияние на процессы промерзания и протаивания грунтов, играет важную роль в развитии форм рельефа, обусловленных этими процессами. Изменения растительности оказывают разное влияние на динамику различных форм рельефа, способствуя развитию одних и замедляя или исключая формирование других.
Возникновение ландшафтного метода картографирования в мерзлотоведении связано с В.Ф.Тумелем (1946). Широкое, развитие ландшафтно-индикационный метод исследования получил в 60-е годы 20 века (Г.Г.Лазукова,1966; Е.С.Мельников, 1966; И.В.Протасьева,1967). Цель этих исследований — выявление природных образований с относительно однородными мерзлотными условиями с помощью использования ландшафтных индикаторов.
В 70-е годы интенсивное развитие инженерно-геологических и мерзлотных исследований дали начало ландшафтно-криоиндикационному направлению в качестве самостоятельного направления в мерзлотоведении (Е.С.Мельников и др., 1976). Были выявлены комплексные ландшафтные индикаторы мерзлотных условий для Севера Западной Сибири и других регионов. Крупные исследования в северных районах дали обширную информацию о криоиндикационных свойствах ландшафтов (Е.Б. Белопухова, СЕ Радкевич., Л.М. Шмелев и Э.В.Новикова, 1972; И.А.Некрасов, И.В.Климовский,1978; С.М.Фотиев,1978; Е.С.Мельников и др., 1983;).
Например, исследования, проведенные Е.Б. Белопуховой, СЕ Радкевичем., Л.М. Шмелевым и Э.В.Новиковой (1972), позволили выделить в бассейнах рек Надым, Полуй, Казым семь групп ландшафтов, которым свойственен определенный комплекс инженерно-геокриологических условий: 1) крупно и выпуклобугристые торфяники; 2) плоские торфяники и плоские оторфованные междуречья; 3) низкие, переходные и грядово-мочажинные сфагновые болота; 4) кочковатые и мелкобугристые участки междуречий с редкостойными лесами; 5) междуречья со смешанными сфагновыми лесами средней сомкнутости; 6) участки междуречья со смешанными лишайниковыми лесами; 7) комплекс ландшафтов пойм реки Надым и ее притоков. Они приводят характеристику каждой группы, описывая распространение, морфологию и мощность ММП, их температуру и льдистость.
С.В.Викторов, М.Т.Илюшина, Н.В.Кузьмина, Л.Н.Тагунова (1971) считают, что оптимальные результаты литоиндикационных работ достигаются только при использовании в качестве индикаторов сложных природных комплексов: ландшафтов, групп урочищ и урочищ. Они утверждают, что для зоны тундры, лесотундры и северной тайги Западной Сибири ими предложено преобразование ландшафтно-индикационной карты в инженерно-геологическую и геокриологическую.
Н.Г.Украинцева (1975), указывает, что применение аэро- и космических снимков способствует внедрению в инженерную геологию ландшафтно-индикационного метода, сущность которого изначально заключалась в определении инженерно-геологических свойств природно-территориальных комплексов (ПТК) по их внешнему облику (рельефу, гидросети, растительному покрову). Методика таких исследований детально разработана и находит широкое применение (Методы региональных инженерно-геокриологических исследований.. .,1986).
И.И.Шаманова и А.Л.Чеховский (1975) отмечают, что изучение мерзлотно-инженерно-геологических условий территории для проектирования линейных сооружений должно основываться на комплексном ландшафтном районировании. В тундровой зоне Западной Сибири ими выделено и охарактеризовано 11 природных микрорайонов.
Камеральный этап
Камеральный этап — это обработка полевых материалов, где формулировались выводы, а предварительные схемы обобщались в виде графиков и карт. Камеральный этап включал в себя несколько методов.
1) Метод ландшафтного дешифрирования аэро - и космоснимков применялся при подготовке к полевому этапу и в камеральной обработке, для составления крупномасштабных карт. Аэро-и-космоснимки обладают рядом преимуществ по сравнению с картами, так как наглядно показывают ландшафты изображенной местности как целостное образование, охватывают площади в сотни и тысяч квадратных километров, отличаются большой обзорностью и высокой информативностью, содержат немало информации об особенностях динамики геосистем. При сравнении изображений определенных явлений на топографических картах, составленных несколько десятилетий назад и на современных космоснимках, а также на снимках многократной последовательной съемки, проведенной через определенные интервалы времени был сделан анализ о развитии природных комплексов, дана оценка степени и характера хозяйственной освоенности территории и антропогенных воздействий на геосистемы.
На Надымском стационаре для определения площадей, нарушенных деятельностью человека, и инвентаризации техногенных нарушений, имеющих четкие дешифровочные признаки, использовались черно-белые космоснимки локального уровня генерализации (масштаб 1:200 000). На этих снимках легко опознаются гари, нарушенные зоны у глубоких скважин, пунктов переработки газа и поселков, а также линейные сооружения - по тону и форме фотоизображения. Так, свежие гари на снимках дешифрируются по темному, почти черному тону. Нарушенные зоны у скважин имеют округлую форму и светлый, почти белый тон, обусловленный оголенным грунтом, лишенным растительного покрова. Появление здесь вторичной растительности вызывает потемнение тона фотоизображения, приобретающего серый тон на участках, заросших травяно-политриховой растительностью, или темно-серый тон в местах появления кустарников. Линейные сооружения на снимках видны в виде светлых, почти белых линий. Участки трассы линейных сооружений, испытавшие подтопление в результате нарушения условий стока, изображаются мелкими черными пятнами, окаймляющими светлые линии сооружений. На участках трассы, где насыпь сооружения размыта поверхностными водами, в светлых линиях появляются темные разрывы. При дешифрировании космоснимков для выделения растительных сообществ, наряду с прямыми дешифровочными признаками (тон, рисунок и структура изображения) учитывались и косвенные, основывающиеся на использовании связей, существующих между растительным покровом и рельефом (Ю.Г.Кельнер,1980). Учет взаимосвязей, существующих между рельефом и растительностью, помогает более достоверно определять некоторые фитоценозы, четко приуроченные к определенным формам рельефа. Для контроля за появлением новых техногенных нарушений, активизацией экзогенных геологических процессов и наблюдения за давно нарушенными участками, подвергшимися естественному зарастанию, использовались космоснимки, полученные по съемкам разных лет. Для детального картографирования техногенных изменений и составления крупномасштабных ландшафтных и геоботанических карт использовались черно-белые аэроснимки среднего и крупного масштаба (от масштаба 1:25000 до масштаба 1:1000) съемок разных лет. Дешифрирование аэроснимков, выполненных до нарушения и через определенные интервалы времени после него, и проведение в те же сроки наземных исследований позволило выделить зону нарушения природной обстановки и проследить ее изменения за период наблюдений. Так, березово-сосновые кустарничково-лишайниковые леса на дренированных талых песчаных участках до нарушения имели темно-серый и серый тон и среднезернистую структуру изображения, создаваемую древостоем. Сквозь разрывы древесного полога проглядывал лишайниковый покров светлого тона. После снятия растительности тон этих участков стал светлым, почти белым, создаваемым оголенными песками, изображение стало гомогенным. На трассе насыпной дороги, на которой нарушения носят постоянный характер, такой тон сохраняется до сих пор. Характерна четкая полосатость, создаваемая колеями. С южной стороны трассы газопровода, где новых нарушений не было, отмечается появление вторичной травяно-моховой растительности и подроста березы. В связи с этим тон аэрофотоизображения стал серым, обусловленным травяно-моховой растительностью, с почти белыми пятнами оголенного песка, структура мелкозернистая, плотная, создаваемая подростом березы.
Заболоченные участки с сосново-лиственничными кустарничково моховыми рединами, перелетками и линзами мерзлых пород на аэроснимках имеют темно-серый и серый тон и редкую мелкую зернистость, создаваемую редким угнетенным древостоем. После нарушения эти участки, под которыми отмечается протаивание перелетков и линз мерзлых пород, имеют серый тон, создаваемый увлажненными оторфованными быстро зарастающими песками, в центральной части прорезанными светлой полосой газопровода, проложенного в насыпи. Полосы стока с талыми некомплексными травяно-моховыми болотами на аэроснимках имеют вид серых полос с гомогенным аэроизображением. После нарушения, в связи с увеличением обводненности болот из-за нарушения условий стока тон изображения становится темно-серым. В первые годы на этих участках выделяется газопровод в насыпи в виде светлой полосы, но постепенно из-за размыва насыпи поверхностными водами труба на болотах обнажается.
2) Метод составления ландшафтных карт является обязательным элементом ландшафтных исследований. Эти исследования завершаются текстовым описанием территориальных комплексов и нанесением их контуров, а также некоторых их характеристик на специальную карту, которая служит натурной образно-знаковой моделью территории. По сравнению с текстом карта имеет рад преимуществ. Она позволяет осуществлять одновременный обзор территории, создает более наглядное представление о территориальных особенностях распределения геосистем, их иерархии, пространственных соотношениях между собой, о площади, конфигурации, положении в пределах более высокого таксона. Качественный фон позволяет сделать карту более информативной и лучше восприниматься. Карта отображает явления непрерывно с одинаковой степени достоверности по всей площади изображения. Результаты ландшафтных исследований были нанесены на топографическую основу. Она содержит ряд элементов, входящих в нагрузку специального содержания, позволяет «привязать» эти контуры к местным объектам.
Для изучения характера распространения, структуры и динамики геосистем, их взаимосвязей с другими компонентами ландшафта были составлены ландшафтные карты разных лет: обзорная мелкомасштабная ландшафтная карта масштаба 1:1000000 (Карта природных комплексов.., 1991), дающая представление о распространении основных типов растительного покрова и их взаимосвязях с геологическими, геоморфологическими и геокриологическими условиями (Л.Н.Крицук, Е.С.Мельников, Н.Г.Москаленко, (1986)), автором составлены карты ландшафтов 2004, 2005, 2006 годов (Устинова, 2007).
3) Индикационный метод: из трех типов индикационных исследований (стадийно-синхронные, прогнозно-индикационные, ретроиндикационные), выделенных С.В.Викторовым (1962) при изучении природных процессов, в осваиваемых районах наибольшее значение приобретает прогнозная индикация.
Индикационный метод применялся при составлении прогноза изменения геокриологических условий под влиянием импульсного техногенного воздействия. Использование взаимосвязей, существующих между растительным покровом и другими компонентами природного комплекса, позволило по ожидаемым изменениям растительности прогнозировать изменения компонентов ландшафта, в том числе и геокриологические условия (Н.Г.Москаленко, 1980). Как известно (Б.Н.Городков,1930; М.И.Сумгин,1937; А.П.Тыртиков, 1969,1972) уничтожение растительного покрова изменяет существующие условия теплообмена между литосферой и атмосферой, что приводит в криолитозоне к изменению глубины сезонного протаивания и промерзания почв, их температурного режима, усилению или ослаблению криогенных процессов. После прекращения техногенного воздействия в большинстве случаев создаются условия для постепенного восстановления растительного покрова. Первые стадии формирования растительности по своему влиянию на геокриологические условия заметно отличаются от исходного растительного покрова. Поэтому при составлении геокриологического прогноза важно знать стадии восстановления растительности, их длительность и характер влияния на геокриологические условия. На завершающем этапе проводилось изучение, систематизация, окончательная обработка и обобщение собранных материалов: были составлены ландшафтные карты в программе GEODROW; составлена обобщающая таблица.
Инвентаризация техногенных нарушений
Инвентаризационный мониторинг призван контролировать многолетние изменения геосистем. По Д.Н.Сабурову инвентаризационный мониторинг должен быть близок к детальной ландшафтной карте: он базируется на проведении геоморфологического, геоботанического, почвенного картирования с использованием аэрофотоснимков. Одним из важных элементов инвентаризационного мониторинга может стать слежение за структурой и динамикой растительного покрова, как индикатора состояния геосистем.
По космоснимкам были определены виды и площади техногенных нарушений в нефтегазоносных районах Западной Сибири. Эти исследования показали, что наибольшие площади приходятся на долю гарей, значительно меньшие площади занимают трассы линейных сооружений, и наименьший процент площади дают нарушенные зоны у скважин и пунктов переработки газа
В результате перечисленных нарушений прямому воздействию подвергаются следующие компоненты геоосистем - растительность, почва, рельеф (В.Н.Солнцев, 1981) и верхние горизонты горных пород. Благодаря тесным взаимосвязям, существующим между компонентами природной среды, опосредованное воздействие испытывают снежный покров, гидрологический и гидрогеологический режимы и тепломассообмен в приземном слое атмосферы, которые в дальнейшем, в свою очередь, влияют на растительность, почву и микрорельеф. Нарушение условий теплообмена деятельной поверхности с атмосферой приводит к изменению температурного режима грунтов, мощности сезонноталого, сезонномерзлого слоев, ослаблению или усилению ряда экзогенных геологических процессов.
Техногенные воздействия на большинстве нарушенных площадей носят импульсный (разовый) характер, за исключением территорий поселков, действующих железных и автомобильных дорог, где нарушения постоянны и препятствуют развитию растительного покрова. На остальной нарушенной площади отмечается восстановление растительности. Естественное зарастание нарушенных земель протекает по-разному в различных природных условиях и в зависимости от типа техногенного воздействия. Большую протяжённость в северных нефтегазоносных районах имеют трассы различного рода линейных сооружений (трубопроводов, линий электропередач, железных дорог, автомобильных, грунтовых дорог и т.д.).
При инвентаризации техногенных воздействий, характерных для северо-таежных экосистем Надымского района при строительстве и эксплуатации магистральных газопроводов, использована схема дифференциации антропогенных воздействий, составленная Е.И.Голубевой (1999).
Изученные геосистемы представляют собой специфические природные образования - мерзлотные ландшафты, формирующиеся, развивающиеся и функционирующие под воздействием криогенного фактора. Нарушение условий теплообмена мохово-торфяного покрова на поверхности, неизбежно возникающее при всех видах внешнего воздействия, приводит к изменениям теплового состояния литогенной основы мерзлотных ландшафтов (испарения в 1,5—2,5 раза, радиационного баланса на 5—15%, средней годовой температуры грунтов на 0,7—2С, глубины сезонного протаивания в 2-4 раза) и как следствие - развитию криогенных процессов (Антропогенные изменения экосистем...,2006). Интенсивность техногенных нарушений теплового равновесия почв и горных пород в количественном отношении на несколько порядков больше по сравнению с теми, которые вызваны колебаниями климата.
Мерзлотные ландшафты менее устойчивые к антропогенным воздействиям. Могут произойти необратимые изменения исходного ландшафта — вплоть до полной деградации, и на его месте формируется новый природный комплекс с иным набором компонентов. Например, на месте леса формируется болото или на участке, до нарушения занятым тундровым природным комплексом, возникает термокарстовое озеро. В таблице 3 для Надымского стационара приведены индексы фаций, их название и виды нарушений, которые были в этих фациях в разные годы. Площади нарушенных фаций приведены на гистограмме (рис. 4.23).
Проведение картографирования позволило сравнить площади нарушений в разные годы и проследить увеличение ширины зоны нарушения в слабоустойчивых геосистемах (например, на мелкобугристых болотах с 30 до 65м) (приложение 10-15). Расширение зоны нарушения связано также с влиянием подтопления и развитием термокарста и заболачивания в прилегающих к трассе и первоначально не нарушенных природных комплексах, обусловленного изменением условий стока поверхностных и подземных вод. Подсчет нарушенных площадей показал, что больше всех нарушений было в 2004-2006 годах при замене труб на газопроводе. Первоначально нарушенная площадь природного комплекса, за счет появления новых озерков увеличилась на 22%.
В пределах нарушенных площадок преобладают участки, на которых растительный покров был полностью удален, нарушен микрорельеф и снят верхний торфянистый горизонт мощностью до 0.2 м. Эти участки составляют 30-50% от всей исследованной площади. Меньшие площади занимают участки, нарушенные в результате проезда гусеничного транспорта (20-30%), на которых растительность, почвенный покров и микрорельеф были нарушены только частично. Площади, занятые участками, подвергшимися другим видам нарушения (погребение и уничтожение растительного покрова в результате образования навалов снятой растительности), не превышали 15%.
Сравнивая гистограммы фаций и нарушенных площадей разных лет, можно сделать вывод, что самыми нарушенными являются болота. Из 14 % площади, которую занимают торфяные болота на долю нарушенных участков приходится 12% , что видно на гистограмме разных лет (рис.4.24 и приложение 16-19). Кроме этого, встречаются участки косвенного влияния техногенных образований на ландшафты прилегающей территории. Отсыпка насыпи на газопроводе приводит к увеличению нарушенных площадей, подтоплению в болотных геосистемах, в результате нарушения стока насыпью и, как следствие к появлению новых озерков.
Геоэкологическое картографирование полосы трассы газопровода Надым-Пунга
Геологическая среда - наиболее медленно изменяющаяся часть природной среды. В течение нескольких лет не всегда можно зафиксировать колебания показателей состояния среды. Вмешательство человека в естественный ход развития геологической среды приводят к значительным изменениям многих ее компонентов. Поэтому в настоящее время стабильность геологической среды кажущаяся, так как при воздействии на нее в ней накапливаются изменения, которые в дальнейшем могут привести к негативным последствиям.
Из компонентов геологической среды автором изучались изменения рельефа, по литературным источникам изменение почв и анализировались по фондовым материалам и личным наблюдениям геокриологические условия.
Главной причиной изменения геокриологических показателей геосистем является нарушение условий теплообмена на поверхности многолетнемерзлых пород. Существует разные классификации техногенного воздействия на геологическую среду. Некоторые из них могут быть применены и для криолитозоны (Д.С.Дроздов, 2004). Применительно к изменению геокриологических условий может быть предложена упрощенная классификация техногенных нарушений на геосистемы по времени воздействия и уровню изменения условий теплообмена (Антропогенные изменения..., 2006):
По времени воздействия: разовые (импульсные); периодические; постоянные. По уровню изменения условий теплообмена: частичное нарушение или уничтожение растительного покрова; полное нарушение или уничтожение растительного покрова; полное уничтожение растительного покрова и частичное уничтожение грунтов сезонно-талого слоя (СТС); полное уничтожение грунтов СТС; полное уничтожение грунтов СТС и верхней части многолетнемерзлых пород (ММП);
При оценке изменений геокриологических условий под воздействием техногенных нарушений необходимо принимать во внимание, что основные параметры геокриологических условий - глубина сезонного протаивания и среднегодовая температура не являются постоянными. Они меняются во времени под действием климатических изменений. Таким образом, необходимо разделить изменение параметров геокриологических условий под действием изменения климата и под действием техногенных нарушений.
Система контроля за окружающей средой включает три основных вида деятельности: 1) слежение и контроль - систематические наблюдения за состоянием окружающей среды; 2) прогноз - определение возможных изменений природы под влиянием естественных и антропогенных факторов; 3) управление - мероприятия по регулированию состояния окружающей среды.
Важной характеристикой мерзлотных ландшафтов является их устойчивость и чувствительность к воздействиям. Устойчивость ландшафтов - способность со хранять исходное состояние при внешнем воздействии и возвращаться в исходное состояние после воздействия. Чувствительность показывает степень реакции поверхности мерзлотного ландшафта на ее нарушение, которая зависит от состава и льдистости грунтов, уклона поверхности, характера растительности и органического покрова. Ландшафт может быть чувствительным, но устойчивым. Динамика и устойчивость мерзлотных ландшафтов во многом зависит от изменчивости климатических и биологических характеристик. Устойчивость мерзлотных ландшафтов зависит от изменчивости температуры многолетнемерзлых пород, глубины сезонно-талого слоя, мощности защитного слоя, льдистости поверхностных отложений.
Основная задача в использовании прилежащей территории к газопроводу «Надым-Пунга» относится к оценке возможности рационального использования. При создании ГИС, в первую очередь, надо рассмотреть устойчивость природной среды к техногенному воздействию, чтобы не допустить необратимой деградации природной среды.
Для оценки современного состояния геосистем проводится инвентаризация техногенных нарушений по аэроснимкам и результатам маршрутных работ, и количественно оценивается степень нарушенности ландшафтов путем определения коэффициента площадной нарушенности ландшафтов (Кп),А.П.Камышев, 1999), определяемого отношением площади нарушений (Sn) к общей площади типа ландшафта (S) - Кп = Sn / S.
По данным количественных измерений осуществляется типизация нарушенности ландшафтов по степени механической деградации первичных ландшафтов с выделением категорий нарушенности, в зависимости от результатов статистической обработки расчетных данных. Последующая оценка пораженности ландшафтов проявлениями природных и природно-техногенных процессов методически аналогична оценке техногенной нарушенности ландшафтов.
Использование материалов повторной аэрофотосъёмки, выполненных до нарушения и через определённые интервалы времени после него, а также проведение в те же сроки наземных исследований позволило составить серию разновременных ландшафтных и инженерно-геологических карт полосы трассы газопровода. Составленные разновременные карты послужили основой для создания крупномасштабной геоэкологической карты (рис.5.1). На этой карте отражены типы устойчивости геологической среды (Москаленко, Устинова, 2005) по её реакции к техногенным нарушениям, наблюдавшимся при строительстве газопроводов (снятие растительного покрова и верхних почвенных горизонтов, мощностью до 0.2м, нарушение микрорельефа и поверхностного стока). На составленной геоэкологической карте показаны наблюдаемые экзогенные геологические процессы и явления и характер их распространения, (рис. 5.1,табл.5.1)
Развернутой легендой к карте служит таблица 5.2., содержащая покомпонентную характеристику показанных на карте контуров. В этой таблице для всех идентичных выделов указываются характер рельефа, приводится название растительного сообщества с указанием степени покрытия поверхности травами, кустарничками, мхами и лишайниками, сомкнутости крон древостоя. Отмечаются высота снежного покрова и литологический состав поверхностных отложений с указанием мощности слоев, их весовой влажности, объёмной массы и встречаемости данной литологической разности. Геокриологические условия охарактеризованы отдельно для современного и прогнозного состояния геологической среды. Указываются глубина залегания кровли многолетнемёрзлых пород, мощность сезонноталого - сезонномерзлого слоев, среднегодовая температура пород, экзогенные геологические процессы. В отдельных графах таблицы приводится скорость восстановления растительного покрова после разового его снятия, перечисляются природоохранные мероприятия, необходимые для возвращения нарушенной геологической среды в устойчивое состояние.
В отдельных графах таблицы приводится скорость восстановления растительного покрова после разового его снятия, отмечается характер восстановления растительности (полный или локальный), перечисляются природоохранные мероприятия, необходимые для возвращения нарушенной геологической среды в устойчивое состояние.
На основе составленной таблицы можно выделить территорию по типам устойчивости геологической среды по ее реакции на техногенные нарушения (табл. 5.3 и табл.5.4 , рис.5.2.).
Многолетние наблюдения (в течение 37 лет) на стационарных участках трассы газопровода позволили проверить правильность прогнозных характеристик, приведенных в легенде к геоэкологической карте. Сопоставление зафиксированных параметров природных комплексов с прогнозными показало, что тенденции их изменения определены правильно. Однако количественные величины некоторых параметров, таких как мощность сезонноталого слоя и среднегодовая температура пород, нуждаются в корректировке. Некомплексные травяно-моховые болота, приуроченные к ложбинам и полосам стока, наиболее быстро восстанавливаются после нарушения почвенно-растительного покрова и микрорельефа, наблюдаемого в полосе трассы газопровода. Так, в полосе стока, до нарушения занятой пушицево-сфагновым болотом, в первые годы после освоения сформировались пушицевые сообщества, покрывающие до 50% поверхности. Уже через 5 лет после нарушения на болоте было развито пушицево-сфагновое сообщество, отличающееся от исходного небольшими различиями видового состава и меньшим участием сфагновых мхов в напочвенном покрове нарушенного болота.
На болотах после нарушения растительного покрова альбедо поверхности в летний период уменьшилось вследствие увеличения обводненности. В связи с этим температуры почвы и почвообразующих пород немного повысились. Повышение летней температуры в верхнем полуметровом слое в первые годы после нарушения не превышало 2 С, уменьшившись через 20 лет до 1С, а еще через 5 лет до 0,6С. Повышение зимних температур уже в первые годы после нарушения не превышало 0,8С.
