Оценка геокриологических условий северо-таежных ландшафтов, нарушенных протяженными инженерными системами

Актуальность работы.

Важную роль в геологических работах играет исследования антропогенного воздействия человека на природную среду. В результате любого вида техногенного воздействия в природную среду поступает огромное и разнообразное количество промышленных отходов, которые изменяют ее химический состав. Впоследствии, проявляясь на разных уровнях, техногенное загрязнение изменяет видовой состав живых организмов, вплоть до их гибели.

Освоение месторождений нефти и газа в Западной Сибири вызвало масштабную перестройку геосистем в виде дифференцированного отклика на антропогенные воздействия. При этом изменилась ландшафтная структура региона, появились новые техногенные и природно-техногенные геосистемы, резко изменились геокриологические условия.

В научной литературе, посвященной изменению геокриологических условий и ландшафтов в связи с нефтегазовым освоением севера Западной Сибири (Е. С. Мельников и др.- И. И. МазурВ. В. БаулинВ. Т. Трофимов и др.- А. В. ПавловВ. В. КозинЛ. Н. КрицукГ. В. МалковаЛ. И. ЗотоваН. А. ШполянскаяН. Г. Москаленко), основное внимание уделено оценкам уровней техногенного воздействия и изменению многолетнемерзлых пород (ММП) сразу после освоения территории.

В научных трудах В. В. Козина указывается, что «значение объективной и оперативной оценки экологической ситуации возрастает», так как техногенное воздействие на окружающую среду с каждым годом увеличивается. При проведении данной оценки возникают трудности, так как нет единой базы хранения и обработки, анализа информации об экологической обстановке на освоенных территориях. (Козин, 1996).

Детальное изучение пространственной изменчивости ландшафтных и геокриологических условий проводилось в лесотундровой и тундровой зоне.

Западной Сибири Н. Г. Москаленко, В. Б. Славин-Боровским и Ю. Л., Шуром 3.

Москаленко и др., 1978; Москаленко, 1993). Этими исследователями установлены закономерности изменения геокриологических условий и ландшафтов, устойчивость природных комплексов к техногенным воздействиям в условиях тундровой и лесотундровой зон.

Диссертационная работа посвящена развитию этих представлений на авторских материалах, полученных в северной тайге. Особое внимание уделено изучению пространственной и временной изменчивости отдельных компонентов ландшафтов (рельеф, растительность, почвы, геокриологические условия) в естественных и нарушенных условиях для обоснования достоверной оценки их устойчивости к техногенезу. При этом учитывалось, что оценка изменений геокриологических условий, ориентированная на установление долговременного состояния ландшафтов нарушаемых территорий, на прогноз развития выявленных тенденций требует проведения специальных исследований на стационарах. Фактологической базой диссертации являются данные, полученные автором на Надымском стационаре ИКЗ СО РАН в процессе полевых исследований в 2005;2009 гг.

При разработке месторождений, добыче и транспортировке газа в водоемы и в верхние слои почв попадают продукты газовой и нефтяной промышленности, которые губят ландшафты территории. В связи с тем, что водоемы северной части Западной Сибири имеют слабую степень очищения, а для района исследований характерны низкие температуры и низкая биологическая активность, они очень медленно восстанавливаются.

При освоении месторождений производится вырубка леса, а так как на территории Западной Сибири избыточная влажность и распространена многолетняя мерзлота, то интенсивно развивается процесс заболачивания.

В воздух при добыче газа поступают двуокись серы и сероводород, которые с дождевыми водами попадают в верхние слои почвы, при этом увеличивается кислотность почвы. В результате воздействия двуокиси серы меняется содержание хлорофилла в лишайниках, что ведет к меньшему росту 4 и сокращению лишайников.

Также при освоении месторождений возводятся населенные пункты, промышленные объекты, отсыпаются площадки для их строительства, прокладки дорог и трубопроводов, в итоге происходит нарушение гидротермического режима болот, в результате чего меняется видовой состав болотной растительности. Со временем могут меняться и типы болот.

Обычно верхний слой залежи под линейными сооружениями торфяной и по своей структуре плотный, такой слой задерживает движение воды, напоминая плотину. В результате вдоль линейного сооружения появляются подтопления. При строительстве линейного сооружения на многолетне-мерзлых породах нарушается почвенно-растительный покров, что вызывает изменения в геокриологических условиях, активизируется термокарст и образуются просадки.

При прокладке трубопроводов имеет место также снятие растительности и срезание верхних почвенных горизонтов. При этом происходит полное изменение верхнего почвенного покрова. Должно пройти достаточно много времени, чтобы растительный покров восстановился. Восстановление растительности происходит медленно — сначала в местах вкрапления торфа, а потом на остальной территории.

Для предотвращения нарушений в природной среде необходимо проводить комплексные исследования территории.

Огромный интерес для экономики имеет северная часть нашей страны, площадь которой более половины всей территории страны, так как здесь находится огромное количество залежей нефти и газа. Северные районы страны уже много лет эксплуатируются для добычи сырья, но недостаточно учитывается влияние вмешательства человека на местные ландшафты. Поэтому экологическую обстановку на территории севера Западной Сибири можно считать неблагополучной. [Васильев C.B. 1973, Васильев C.B. 1996].

Цель и задачи исследования

.

Целью настоящей работы является — оценить пространственную и временную изменчивость геокриологических условий и микроландшафтов озерно-аллювиальных равнин северной тайги, нарушенных линейным строительством, на основе использования геоинформационных технологий.

Основными задачами для решения поставленной цели являлись:

Изучить пространственную и временную изменчивость геокриологических условий в полосе трассы газопровода Надым-Пунга и на прилегающей ненарушенной территории.

Разработать и апробировать методику крупномасштабного оценочного картографирования геосистем ранга фаций и микрофаций.

Составить крупномасштабные покомпонентные карты и литологические разрезы, отражающие долговременные изменения геокриологических условий техногенно — нарушенной территории.

— На основе составленных крупномасштабных карт и разрезов выполнить анализ изменений геосистем ранга фаций и микрофаций.

— Выявить факторы, влияющие на пространственную изменчивость сезонно-талого слоя.

Проследить влияние динамики растительного покрова и проложенного газопровода на температурный режим почв и пород.

Детальное изучение пространственной изменчивости ландшафтных и геокриологических условий проводилось в лесотундровой и тундровой зоне Западной Сибири Н. Г. Москаленко, В.Б. Славин-Боровским и Ю. Л. Шуром (Москаленко Н.Г. и др., 1978; Москаленко Н. Г. 1993/ Однако в северной тайге подобные исследования не проводились. Полагаю, что данная работа восполнит этот пробел.

Личный вклад и методы исследований.

Автором подготовлена характеристика свойств региональных и локальных геосистем района исследования, проведено крупномасштабное оценочное картографирование, установлены закономерности изменений 6 геокриологических условий и микроландшафтов в результате эксплуатации и реконструкции газопровода Надым-Пунга. По материалам исследований составлены карты, построены литологические разрезы, на основе которых выявлена связь ландшафтных и гекриологических условий естественных и нарушенных геосистем северной тайги Западной Сибири.

Выявлено, что на буграх пучения снятие растительного покрова и торфяного слоя, мощностью до 0,2 м, нарушение микрорельефа привело к увеличению глубины сезонного протаивания, повышению температуры почв и пород, появлению термокарстовых просадок и озерков и к понижению кровли многолетнемерзлых пород.

Установлено, что на ненарушенных буграх пучения за период исследований глубина сезонного протаивания также увеличилась, однако не столь существенно. Температура пород на них тоже повысилась в связи с повышением температуры воздуха.

В представленной работе приведены результаты наблюдений за изменением микроландшафтов и геокриологических условий в результате строительства и эксплуатации газопровода Надым-Пунга за 2005;2009 годы.

Выполнен анализ структуры природных комплексов Надымского района и ее изменения под влиянием линейного строительства.

Проведены и представлены в работе результаты крупномасштабного оценочного картографирования фаций и микрофаций в полосе трассы газопровода Надым-Пунга.

При подготовке диссертации использованы картографический, статистический и индикационный методы исследований. Фактографическую основу работы составляют 1800 ландшафтных описаний и измерений фитоценотических параметров, подкреплённых таким же количеством измерений температуры почвы. На двухстах точках проведено определение мощности сезонно-талого слоя (СТС) и мощности торфа.

Научная новизна работы.

1. Впервые для природных комплексов ранга фаций и микрофаций северо-таежных озерно-аллювиальных равнин изучена пространственная и временная изменчивость геокриологических условий. Показано, что наиболее подвержен внешним воздействиям, как естественным, так и антропогенным, сезонно-талый слой.

2. На основе анализа закартированной структуры природных комплексов ранга фаций и микрофаций установлено упрощение пространственной структуры нарушенных геосистем и вертикальной структуры микрофитоценозов, входящих в их состав.

3. Выявлены изменения природных комплексов и геокриологических условий в результате реконструкции газопровода Надым-Пунга за 2005;2009 годы. По данным наблюдений прослежено влияние растительного покрова и газопровода на температуру сезонно-талого слоя и многолетнемерзлых пород.

4. Определена устойчивость природных комплексов низшего таксономического ранга, дифференцированных по мощности сезонно-талого слоя. Установлено влияние летних осадков на мощность сезонно-талого слоя и выявлена зависимость мощности сезонно-талого слоя от ландшафтного соседства.

5. Пространственно-временные изменения геокриологических условий отражены на крупномасштабных геокриологических картах, составленных для Надымского стационара на временные срезы 1970 и 2009 г. г., позволивших выполнить количественный анализ произошедших изменений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сопряженный анализ крупномасштабных покомпонентных карт (морфологической структуры, рельефа, температуры почвы, мощности СТС, мощности торфа, высоты кустарников), литологических разрезов и других информационных материалов является эффективным методическим приемом геокриологического мониторинга для природных комплексов ранга фаций и микрофаций в условиях антропогенной трансформации среды.

2. Мощность сезонноталого слоя и его температура зависят не только от условий теплообмена на фоновой поверхности, но и от теплообмена в экотонных зонах, высококонтрастных по условиям формирования СТС: Мощность СТС в граничных условиях больше и более изменчива, чем в центральной части фации.

3. Повторные техногенных нарушения повсеместно приводят к упрощению пространственной структуры природных комплексов ранга фаций и микрофаций, однако геокриологические условия при этом усложняются — как за счёт деградации ММП, так и за счет криогенных новообразований.

4. Комплексная количественная оценка устойчивости северо-таежных геоосистем является основой прогноза последствий техногенных воздействий на геосистемы при нефтегазовом освоении.

Практическая значимость работы.

Выполнена оценка геокриологических условий полосы трассы магистрального газопровода Надым-Пунга после проведения его реконструкции.

Предложен комплекс мероприятий, направленных на практическое решение наиболее острых экологических проблем в полосе трассы газопровода Надым-Пунга и в окружающих природных комплексах.

Проведенный комплексный мониторинг позволяет прогнозировать изменения в геосистемах, которые будут нарушены в результате проектируемого линейного строительства.

Полученные материалы исследований могут быть использованы административными и хозяйственными органами ЯНАО и муниципалитета «Надым и Надымский район» для принятия управленческих решений.

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 статья в реферируемом журнале «Криосфера Земли», 1 статья в материалах международной конференции «Ninth International Conference on Permafrost», University of Alaska" in Fairbanks, 2008.

Результаты исследований и основные выводы по теме диссертации докладывались и обсуждались на 7 конференциях: на Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы земли и прогноз ее изменений» в Тюмени, 2006; Научно-производственной конференции. «Проблемы инженерно-геологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне» в Москве, 2006; Всероссийской конференции с международным участием «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» в Архангельске, 2007; Всероссийском научно-техническом семинаре «Некрасовские чтения» в Тюмени, 2007; Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» в Салехарде, 2007; Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» в Тюмени, 2008; Международной конференции «Ninth International Conference on Permafrost», University of Alaska" in Fairbanks, 2008.

Автор работы является победителем регионального конкурса на соискание грантов Губернатора Тюменской области на разработку научно-исследовательских проектов в 2007 году по теме:

Влияние биоты на динамику криогенных ресурсов северной тайги Тюменской области" г. Тюмень, 2007 г.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 8 таблиц, 59 рисунков. Содержание диссертации изложено на 128.

выводы о пространственной изменчивости ландшафтных и гекриологических условий естественных и нарушенных геосистем северной тайги Западной Сибири. Они базируются на 1800 детальных ландшафтных описаний и измерений фитоценотических параметров, на.

1800 измерений температуры почвы, на 200 измерений глубин сезонного протаивания, и на 200 определений мощности торфа. Составленные.

109 крупномасштабные карты и литологические разрезы позволили охарактеризовать пространственную изменчивость ландшафтных и геокриологических условий естественных и нарушенных территорий северной тайги Западной Сибири.

Проанализировано влияние техногенных нарушений на структуру природных комплексов ранга фаций и микрофаций.

Выполнена геоэкологическая оценка современного состояния полосы трассы магистрального газопровода Надым-Пунга и прилегающей ненарушенной территории.

Выполненный комплекс ландшафтных, геокриологических и мониторинговых наблюдений позволил сделать геоэкологическую оценку современного состояния полосы трассы магистрального газопровода Надым-Пунга и прилегающей ненарушенной территории.

Полученные результаты могут быть использованы административными и хозяйственными органами ЯНАО и муниципалитета «Надым и Надымский район» для принятия управленческих решений.

Проблема сохранения биоты весьма актуальна. Стратегический подход в использовании природных ресурсов территории заключается в необходимости не только рационально использовать запасы сырья, но и обеспечить минимальное промышленное воздействие на состояние возобновляемых природных ресурсов. На территории севера Тюменской области проводятся исследования по оценке состояния ландшафтов таежной зоны Западной Сибири различными методами. Все они приводят к выводу о необходимости рационального использования добываемых продуктов и бережного отношения к природе. Полагаю, что все изученные методы необходимо использовать при проектировании и строительстве столь необходимых для жизни человека нефтяных и газовых сооружений.

Территория Тюменского севера осваивается с большой скоростью, отчего страдают в первую очередь геосистемы. Поэтому необходимо проводить на севере Западной Сибири экологические и инженерно-экологические.

110 исследования с применением полевых изысканий и крупномасштабных исследований.

Анализ полученных данных показывает, что при повторных нарушениях полосы трассы почти полностью удаляются растительный покров и торфяной горизонт нарушается микрорельеф, водный и тепловой баланс, понижается кровля многолетнемерзлых пород.

Проведенные наблюдения показали, что глубина протаивания и температура почвы зависят от ландшафтного соседства, микрорельефа, растительного покрова и мощности торфянистого горизонта.

Причинами вариации параметров геосистем являются изменения микрорельефа, растительности, почв, гидрологического режима, которые вызваны антропогенной трансформацей ландшафта при строительстве и эксплуатации газопровода.

Оценка последствий воздействия строительства и эксплуатации газопровода проводится определением площади нарушенных земель и их доли в общей площади территории. Одним из методов оценки степени нарушенности ландшафтов является определение времени, необходимого геосистеме для полного восстановления. Антропогенное вмешательство при строительстве и эксплуатации газопровода оказало значительное влияние на пространственную ландшафтную структуру и отдельные компоненты геосистем (рельеф, растительность, почвы, геокриологические условия), изменения которых отражены в комплекте составленных карт.

Составленные покомпонентные карты позволяют оценить пространственную изменчивость микрорельефа, состава и структуры растительности, температуры и мощности сезонноталого слоя и торфянистого горизонта.

Восстановление повторно нарушенных геосистем происходит медленно и в измененном виде по сравнению с исходными геосистемами.

Комплексная количественная оценка устойчивости геосистем является основой прогноза последствий антропогенных воздействий на геосистемы при реализации разного рода хозяйственных проектов.

Составленные карты могут быть использованы при составлении прогноза изменения глубины сезонного протаивания и температуры почвы в природных комплексах, которые будут нарушены в результате прокладки газопровода и сопутствующих коммуникаций.

Данные исследования хоть и требуют определенных вложений, но они необходимы для того чтобы сохранить устойчивое развитие геосистем, для прогнозирования экологической обстановки на севере Западной Сибири.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Тюменского губернатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Для того чтобы прогнозировать изменения в геосистемах, которые будут нарушены в результате прокладки газопровода и сопутствующих коммуникаций необходимы исследования проводимые автором работы, путем комплексного геоэкологического мониторинга, который является их основой. Выполненные исследования долговременных изменений геокриологических условий при строительстве газопроводов в северотаежной биоклиматической зоне позволяют сделать следующие выводы, обосновывающие защищаемые положения:

Впервые для природных комплексов ранга фаций и микрофаций северо-таежных озерно-аллювиальных равнин изучена пространственная и временная изменчивость геокриологических условий. Разработана и апробирована методика картографирования геокриологических условий на уровне фаций, проведено крупномасштабное оценочное картографирование фаций в полосе трассы газопровода Надым-Пунга. Составлены крупномасштабные покомпонентные карты и литологические разрезы, отражающие долговременные изменения геокриологических условий техногенно — нарушенной территории.

Установлено, что на фациальном уровне наибольшим изменениям при техногенных воздействиях и вследствие изменений климата подвержен сезонно-талый слой. Выявлено, что на изменение сезонно-талого слоя, помимо изменения состава и свойств верхних горизонтов ММП и условий теплообмена, решающее влияние оказывает ландшафтное соседство. Мощность сезонно-талого слоя и его температура в экотонных зонах микрофаций, контрастных по своим величинам, значительно отличаются от значений этих параметров в микрофациях, соседствующих с микрофациями с близкими значениями этих величин. Количественно оценено влияние летних атмосферных осадков на глубину сезонного оттаивания в нарушенных и естественных ландшафтах ранга фаций.

Впервые на основе составленных крупномасштабных карт и разрезов выполнен анализ динамики структуры природных комплексов в полосе трассы газопровода Надым-Пунга ранга фаций и микрофаций. Установлено упрощение пространственной структуры нарушенных геосистем после повторного нарушения. Выявлены изменения природных комплексов и геокриологических условий в результате реконструкции газопровода Надым-Пунга за 2005;2009 годы. Прослежено влияние динамики растительного покрова и проложенного газопровода на температурный режим почвы и пород.

Определена устойчивость природных комплексов низшего таксономического ранга. Установлено, что на буграх пучения снятие растительного покрова и торфяного слоя, мощностью до 0,2 м, нарушение микрорельефа привело к увеличению глубины сезонного протаивания, повышению температуры почв и пород, появлению термокарстовых просадок и озерков и к понижению кровли многолетнемерзлых пород. На ненарушенных буграх пучения за период исследований глубина сезонного протаивания также увеличилась, однако не столь существенно. Температура пород на них тоже повысилась в связи с повышением температуры воздуха.

Таким образом, после техногенных нарушений территории не только не восстанавливается исходная ландшафтная структура, но и наблюдается опускание кровли ММП и переход верхних горизонтов пород в сезонно-мерзлое состояние.

Например, число контуров микрофитоценозов на бугре пучения под влиянием снятия багульниково-лишайникового покрова, нарушения микрорельефа и затопления 40% площадки водой в результате нарушения стока насыпью газопровода уменьшилось с 58 (естественная площадка) до 20 (нарушенная площадка). Упростилась и вертикальная структура микрофитоценозов, представленных открытыми группировками, образованными осоками и мхами, покрывающими 25% поверхности почвы.

Выявлены изменения природных комплексов и геокриологических условий в результате реконструкции газопровода Надым-Пунга за 2005;2009 годы. По данным наблюдений видно, что температура почвы зависит от растительного покрова. На естественной площадке температура почвы ниже, чем на нарушенной, так как почва, не покрытая растительностью сильнее прогревается солнечным теплом, на повышение температуры почвы на нарушенном участке также влияет проложенный газопровод Надым — Пунга.

Определена устойчивость природных комплексов низшего таксономического ранга, отличающихся большими различиями в глубинах сезонного протаивания. Полученные данные по мощности сезонноталого слоя показали, что в засушливые летние сезоны отмечались наименьшие, а в дождливые — наибольшие глубины сезонного протаивания. Мощность сезонноталого слоя зависит от низких температур воздуха и мощности снежного покрова.

Результатом выполнения целей и задач, поставленных автором, являются составленные карты по наблюдениям, проводимым ежегодно на данной территории, начиная с 2005 года. Используя компьютерную программу Surfer 8, для естественной и нарушенной площадок построены карты пространственной структуры микроландшафтов, микрорельефа, температуры поверхности почвы, температуры почвы на глубине 20 см, мощности торфа и высоты кустарников.

На основе составленных карт и литологических разрезов сделаны.