Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционнык экранов при восстановлении ландшафтов, нарушенный горнодобывающей деятельностью

Краткое описание

Введение... 4

Глава 1. Анализ современной геоэкологической устойчивости

ландшафтов на территории Московской области... 12

1.1. Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов,

почв, земельных ресурсов Московской области... 12

1.2. Эрозия, как фактор разрушения ландшафтов... 27

1.3. Анализ методов рекультивации земель нарушенных горными работами... 31

Глава 2. Характеристика объекта исследования и разработка метода

противоэрозионной защиты... 46

2.1. Общая характеристика объекта натурных исследований и краткое описание проекта его рекультивации... 46

2.2. Анализ инженерно-геологических условий объекта натурных исследований... 49

2.3. Физико-механические свойства грунтов карьера... 56

2.4. Анализ общей устойчивости бортов карьера и эрозионных процессов развивающихся на их поверхности... 58

2.5. Разработка метода противоэрозионной защиты и конструкций геокомпозиционных экранов... 64

Глава 3. Теоретическое обоснование применения геокомпозиционных экранов при рекультивации земель нарушенных

горнотехнической деятельностью... 67

3.1. Разработка математической модели развития эрозионных

процессов в их критическом состоянии... 67

3

3.2. Разработка методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов на эрозионно-опасных участках.. 81

3.3. Оценка влияния биологических факторов на устойчивое функционирование геокомпозиционных систем... 89

Глава 4. Результаты натурных исследований по стабилизации

эрозионных процессов на объекте (карьер "Гурбан")... 92

4.1. Принципы и методика натурных наблюдений... 92

4.2. Оценка результатов метеорологических наблюдений... 95

4.3. Анализ результатов натурных наблюдений... 102

4.4. Оценка геоэкологической эффективности геокомпозиционных экранов по данным натурных исследований... 108

Общие выводы... 121

Литература... 123

Введение

Введение.

Естественная основа существования человека и человечества — природная среда, т.е. совокупность объектов и условий природы, в которых протекает деятельность субъекта или их сообществ. В частности люди добывают, перерабатывают и используют то, что можно получить из земных недр, поэтому минеральные ресурсы занимают практически ведущее положение среди источников материального производства, а горное дело является одной из основных отраслей промышленности.

Одной из важнейших особенностей горных работ является их временный характер. При истощении месторождения полезных ископаемых собственно горные работы по их добыче прекращаются. Однако, несмотря на такой временный характер воздействия горных работ на окружающую среду, геологическая среда в горнодобывающих районах преобразуется весьма интенсивно и крупномасштабно. Постепенное накопление таких преобразований может выразиться в отложенной реакции, которая способна вызвать катастрофические с геоэкологической точки зрения процессы и явления. Геологическая среда, как литогенная основа природных ландшафтов, принципиально является одним из наиболее стабильных и консервативных условием, обычно наименее изменчивых в текущих темпоральных взаимодействиях и кругообороте веществ в существующих геоэкосистемах. Однако установлено, что изменения, вызванные воздействием горных работ на геологическую среду в силу их масштабности, широкого распространения и многовекового применения, отрицательно сказываются на геоморфологических, биологических, эстетических характеристиках ландшафтов. Нарушения приводят к гибели или деградации растительного покрова, ухудшению качества, изменению структуры или потере плодородного почвенного слоя. Лишенные же растительного покрова и частично нарушенные породы далее подвергаются интенсивной водной и ветровой эрозии.

Именно открытой разработке месторождений свойственны наиболее обширные ландшафтные нарушения. Кроме того, каждый участок земли, на-

5

. рушенный при открытой разработке месторождений, негативно влияет на примерно такую же площадь прилегающей территории. Выработанное пространство характеризуется занимаемой площадью, глубиной, устойчивостью бортов, физико-механическими и физико-химическими свойствами пород и гидрогеологическими особенностями территории.

Процессы естественного восстановления растительных покровов, почв и рельефов нарушенных земель протекают медленно (до тысячелетий) или Щ неэффективно. Нарушения земной поверхности, как правило, не исчезают и становятся устойчивыми техногенными формированиями. Это является причиной того, что нарушенные земли подлежат искусственному восстановлению.

Из вышеизложенного следует, что исследование и разработка мероприятий, направленных на восстановление нарушенных земель, с целью обеспечения геоэкологической безопасности природно-техногенных (Щ ландшафтов, актуальны, современны и имеют большое практическое значение.

"Экологическая безопасность - состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий" [65].

"Составной частью экологической безопасности является геоэкологическая." [65] Геоэкологическая безопасность в приложении к рекультивации выработанных карьеров предполагает разработку и реализацию ^ комплекса мероприятий, направленных на обеспечение безопасности главных жизнеобеспечивающих геосфер, и реализуется в процессе проектно-изыскательских, технологических и эксплуатационных фаз осуществляемого строительного проекта на протяжении всего жизненного цикла во взаимодействии с природно-техногенными системами вторичных (природно-техногенных) ландшафтов [65].

В работе приводятся материалы экспериментально-теоретических исследований на стадиях проекта, строительства и эксплуатации

6

геокомпозиционных экранов, рассматриваемых как элемент восстанавливаемой антропогенной экосистемы. Исследования были сосредоточены на оценке геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов.

Цель работы - обеспечение геоэкологической безопасности вторичных (природно-техногенных) ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных материалов, на основе прогноза развития эрозионно-склоновых процессов и разработки эффективных решений геокомпозиционных экранов (на примере песчано-гравийного карьера "Гурбан" Московской области).

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. На основе анализа состояния проблемы выработать методологию исследований.

2. Провести подробный геоэкологический анализ натурного объекта исследований, и сопоставить полученные данные с обобщенными геоэкологическими условиями территории Московской области, для определения масштабов применения разработанных решений.

3. Определить тип материала матрицы геокомпозиционных противоэрозионных экранов с учетом сложности и специфики геологических, климатических и биоценотических условий. Сформулировать основные требования, которым он должны отвечать.

4. Разработать математическую модель критического развития эрозионных процессов на склонах, сложенных песчаными грунтами техногенного происхождения.

5. Обосновать методики расчета устойчивости геокомпозиционных экранов.

6. Разработать программу и реализовать крупномасштабный натурный эксперимент, для обоснования теоретических исследований, включая проектное решение, технологический регламент и мониторинг на период строительства и эксплуатации геокомпозиционных экранов.

7

Объект исследований диссертационной работы — природно-техногенная система, образовавшиеся в результате горных работ (выработанный карьер песчано-гравийного материала). Предмет исследования - методы стабилизации грунтов бортов отработанных карьеров подверженных развитию эрозионных и склоновых процессов.

Рабочая гипотеза диссертации заключается в том, что применение геокомпозиционных экранов в конструкциях противоэрозионной защиты земель, нарушенных горнотехнической деятельностью, позволяет обеспечить геоэкологическую безопасность вновь созданных вторичных (природно-техногенных) ландшафтов и восстановить гомеостаз этих антропогенных экосистем.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

• Впервые на основе теоретических исследований и результатов крупномасштабного натурного эксперимента, выполненных лично автором, обоснован комплекс мероприятий, позволяющих обеспечить устойчивость функционирования природно-техногенных ландшафтов, образовавшихся в результате добычи минеральных природных материалов, подверженных активному развитию эрозионных процессов;

• Разработана математическая модель критического развития эрозионных процессов на антропогенной территории с отличными от природных условий геоморфологическими характеристиками (большие значения угла заложения откосов бортов карьера, нарушенная структура грунтового массива, нарушенный гидрологический режим и т.д.).

• Автором разработана и экспериментально обоснована конструкция геокомпозиционных противоэрозионных экранов и методика расчета устойчивости техногенных и природных склонов, защищенных геокомпозиционными экранами в условиях активного развития эрозионных процессов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:

8

• Теоретически обоснованное, проверенное расчетами и натурным экспериментом решение, базирующееся на использовании геокомпозиционных экранов, с целью предотвращения эрозионных процессов на объектах со сложными геологическими, биологическими и климатическими условиями, позволяет обеспечить их геоэкологическую безопасность, а также существенно снижает сроки и материалоемкость строительства. Степень проработки этого решения позволяет рекомендовать его к непосредственному применению в практике проектирования и строительства;

• Разработанная и экспериментально обоснованная математическая модель, позволяющая выявить опасность развития эрозионных процессов на песчаных склонах, рекомендована к использованию в проектной и нормативной документации;

• Разработанная и экспериментально апробированная методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем на склонах, является практически подготовленной для включения в нормативную документацию и практику проектирования систем инженерной защиты.

Решения, примененные в данной работе, были использованы при выполнении НИР работ НП и УЦ «Экогеос» на объектах Сорочаны, Сычево, ВНИИГАЗ и прошли согласование Госгортехнадзора России при капитальном ремонте магистрального трубопровода Тихорецк - Новоросийск.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель, критического развития опасных эрозионных процессов на бортах отработанных карьеров и природных склонах, сложенных песчаными грунтами;

2. Методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем противоэрозионной защиты земель нарушенных горнотехнической деятельностью;

9

^ 3. Результаты крупномасштабного натурного эксперимента, подтвердившие Щ

эффективность использования геоматов в геокомпозиционных

противоэрозионных экранах, в сложных геоэкологических условиях.

Публикации: основное содержание диссертации отражено в 5 опубликованных работах.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической

Ф конференции "Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах" (Архангельск, 2003); Российской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды" (Пермь, 2004); Научно-технической отчетной конференции-выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования

Щ и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ "Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве" (Москва, 2004); Научно-методических семинарах кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, аспирантском семинаре кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 138 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.

^ В главе 1 проведен анализ современного геоэкологического состояния

территории Московской области с позиции устойчивости сложившихся первичных (природных) и вторичных (природно-техногенных) ландшафтов. Подробно изучен вопрос нарушения земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых. Выявлены основные виды и масштабы антропогенного воздействия горнодобывающей деятельности человека на природные ландшафты Московской области. Определен механизм воздействия эрозии на сложившиеся ландшафты. Приведено аналитическое обобщение

10

методов, применяемых при рекультивации земель нарушенных горными работами с оценкой их эффективности, технологичности и экологичности. Оценены существующие приемы и мероприятия, включая инженерные методы защиты земной поверхности от эрозии, и выработаны требования к материалам и конструкциям, используемым в данных целях.

В главе 2 дано описание объекта натурных наблюдений. Проведен анализ эрозионных процессов развивающихся на поверхности склонов исследуемого карьера. Проанализированы геологические, биологические, топографические и климатические условия объекта. Определена площадь сбора атмосферных осадков, влияющих на процесс оврагообразования. Определен гранулометрический состав грунта, на поверхности которого развиваются эрозионные процессы. Дано обоснование принятого проектного решения. Разработан технологический регламент производства работ по устройству геокомпозиционных противоэрозионных экранов.

В главе 3 приведена математическая модель, позволяющей выявить опасность развития эрозионных процессов на бортах карьеров горных выработок и природных склонах, сложенных песчаными грунтами и не имеющих "природного экрана". Разработан и обоснован новый метод расчета устойчивости геокомпозиционных систем, как на поверхности защищаемых склонов, так и собственно всего склона. Проведен анализ влияния биотических факторов на устойчивое функционирование геокомпозиционных систем.

В главе 4 приведена программа и методика натурных наблюдений. Представлены результаты экспериментальных наблюдений за геокомпозиционными экранами, установленными на аварийных бортах карьера. Определены значения фактических скоростей потоков, образовавшихся за период натурных наблюдений. Проведен анализ полученных данных с целью подтверждения выработанных теоретических положений и оценки правильности принятого экспериментального решения по устройству противоэрозионнои защиты конструкциями из геокомпозиционных материалов.

11

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре "Инженерной геологии и геоэкологии" и в Научно-Производственном и Информационном Центре "Экогеос" Московского Государственного Строительного Университета. Натурный эксперимент проводился на выработанном карьере песчано-гравийного материала "Гурбан", расположенном в Дмитровском районе Московской области.

12

Глава 1. Анализ современной геоэкологической устойчивости сложившихся ландшафтов на территории Московской области.

1.1. Оценка состояния, использования и охраны ландшафтов, почв, земельных ресурсов Московской области.

По своему географическому положению Московская область большей своей частью располагается в лесной зоне. При этом, пространства, лежащие севернее р. Оки, относятся к подзоне широколиственно-хвойных (смешанных) лесов, а южнее Оки (до широтного отрезка р. Осетр) - подзоне широколиственных лесов. Лишь самый юг области принадлежит лесостепной зоне.

Современные природные ландшафты области в том виде, как они существуют ныне, сформировались в результате последней климатической смены, которая произошла в центре Русской равнины в позднем голоцене, а также природного и антропогенного воздействия последних 2000-2500 лет. Однако литогенная основа этих ландшафтов формировалась на разных этапах четвертичного периода. Поэтому от момента обособления литогенной основы до наших дней, вследствие неоднократного существенного изменения климата, разные участки территории испытали разное число полных смен одних ландшафтов другими. Кроме того, преимущественно из-за антропогенного воздействия они испытали по одной или несколько неполных ландшафтных смен, при которых климатическая и тектоническая обстановка оставались неизменной [45].

Почвы. В непосредственной связи и взаимодействии с приповерхностной частью литосферы находятся почвы. Экологические функции почвы весьма изменчивы, а в целом они обладают высокой степенью динамичности свойств и состава, что делает эту важную для биосферных процессов субстанцию чрезвычайно чувствительной к влиянию хозяйственной деятельности человека [65].

13

Почвы являются не только важнейшим компонентом ландшафтов и природной среды в целом, но также основой социально-экономического развития человечества. Почвенный покров служит естественным базисом, на котором строится практически вся сельскохозяйственная деятельность, поставляющая населению основную массу продовольствия и значительную часть технического сырья для промышленности. [35, 66].

С деградации почвы начинается деградация ландшафта и всего "живого вещества" наполняющего биотопы ландшафтов. Почвы, по сути, представляют собой основу понятие "земельные ресурсы". Деградация почв всегда сопровождала сельскохозяйственную деятельность человека. Еще больший вред почвам наносила индустриальная деятельность человека, которая почти всегда просто-напросто уничтожала почвы [65]. Общая площадь разрушенных и деградированных за всю историю человечества почв составляет 20 млн км2, что значительно превышает всю пахотную площадь современного мира — 15 млн км2 [74]. Деградация почв проявляется в различных формах. Соотношение наиболее распространенных видов деградации почв (%) выглядит следующим образом: водная эрозия - 56; ветровая эрозия - 28; химическая деградация - 12; физическая деградация - 1 [69].

Эрозия почв обычно определяется как разрушение почв временными водными потоками и ветром, т.е. собственно водная и ветровая эрозия. Эрозия почв имеет серьезное негативное влияние не только на экономические параметры, но и на экологическую составляющую: снижение плодородия почвы влечет за собой уничтожение развития растительности и последующих трофических уровней; сносимая почва заиливает водоемы, создает запыленность воздуха [63, 65]. Ускоренная эрозия почв, когда процесс почвообразования запаздывает по отношению к эрозии, в наибольшей степени проявляется в местах добычи полезных ископаемых и при строительстве. Добыча полезных ископаемых открытым способом, проходка строительных котлованов, траншей для коммуникаций, дорожное строительство приводят не только к нарушению почвенного покрова, но и разрушают ландшафт в целом.

14

При этом происходит перемещение, захоронение, уничтожение, загрязнение почв, нарушение гидрологического, гидрогеологического и гидрохимического режима, что влечет за собой изменение или разрушение биохимических циклов[43, 65].

На территории Московской области наиболее широко распространены почвы подзолистого типа и в меньшей степени серые лесные и черноземные почвы. Неоднородность рельефа, геологического строения, почвообразующих пород, определенное разнообразие климатических условий способствовали развитию в данном регионе и других почв: дерново-карбонатных, болотно-подзолистых, болотных, аллювиальных и других.

В почвенном покрове Московской области преобладающие дерново-подзолистые почвы имеют различный механический состав, обычно с невысоким естественным плодородием, что требует внесения удобрений и известкования. Эти почвы занимают более половины территории области. Далее по распространенности следуют болотно-подзолистые и серые лесные почвы. Небольшая часть территории на крайнем юге области, южнее р. Осетр, занята оподзоленными черноземами. В долинах рек преобладают аллювиальные почвы. На севере и востоке области, в районах Верхне-Волжской и Мещерской низменностей, почвы сплошь песчаные и супесчаные, заболоченные [131].

Подробное рассмотрение почвенного покрова Московского региона выполнялось с целью геоэкологической оценки сформированных природных ландшафтов и затем преобразованных вторичных природно-техногенных ландшафтов, особенно характерных в эпоху промышленной революции и развития строительства.

Земельные ресурсы. Площадь земель области на 01.01.03 г. составила 4579,9 тыс.га. По функциональному назначению преобладают земли лесного фонда (40,13%) и сельскохозяйственного назначения (38,15%), а также существенную долю территории (10,86 %) занимают земли поселений (табл. 1.1) [131].

15

Таблица 1.1

Распределение земель Московской области по функциональному назначению,

тыс. га [131]

Функциональное назначение земель Площадь земель Изменения площади земель

на 01.01.02 на 01.01.03

Сельскохозяйственного назначения 1748,9 1747,1 -1,8

Населенных пунктов 496,6 497,4 +0,8

Промышленности, транспорта, связи и др. 269,7 271,4 +1,7

Особо охраняемых территорий 64,6 64,8 +0,2

Лесного фонда 1839,6 1838,0 -1,6

Водного фонда 25,3 25,3 нет

Запаса 135,2 135,9 +0,7

Итого 4579,9 4579,9

За период с 01.01.02 по 01.01.03 отмечается незначительное в целом для Московской области уменьшение земель сельскохозяйственного назначения (на 1,8 тыс.га) и лесного фонда (на 1,6 тыс. га). При этом произошло незначительное увеличение земель населенных пунктов (на 0,8 тыс. га), промышленности, транспорта (на 1,7 тыс. га), земель запаса (на 0,7 тыс. га). Фактическое использование земель Московской области отражены в табл. 1.2.

Леса и древесно-кустарниковая растительность занимает почти половину территории области (45,86% площади). Сельхозугодия составляют 39% площади и ежегодно имеют тенденцию к снижению площади (также как и по функциональному назначению) за счет сокращения пашни, зарастания кормовых угодий, уменьшения многолетних плодовых насаждений.

Земли Московской области характеризуются высокой степенью антропогенной освоенности. Ежегодно увеличиваются площади под застройки и дороги 425,8 тыс. га (9,2% общей площади). По сравнению с 2001 г. увеличение составило на 3,9 тыс.га. [131].

16

Таблица 1.2 Площади земель Московской области по угодьям, тыс. га [131]

Земельные угодья Площади земель Изменения площади земель

на 01.01.02 на 01.01.03

Сельскохозяйственные в том числе: пашня многолет. плодовые насаждения кормовые угодья 1793,0 1231,1 113,0 448,9 1788,8 1229,5 111,7 447,6 -4,2 -1,6 -1,3 -1,3

Под лесами 2072,1 2065,6 -6,5

Под древесно-кустарниковой растительностью, не входящей в лесной фонд: в т.ч. защитного назначения 29,1 5,4 35,0 5,3 +5,9 -од

Под водными объектами 91,2 91,2 Нет

Пол застройкой 258,7 262,4 +3,7

Под дорогами 163,2 163,4 +0,2

Болота 50,1 50,4 +0,3

Под мелиоративное строительство и восстановление плодородия 1,3 1,4 +0,1

Нарушенные земли 35,1 35,6 +0,5

Прочие 86,1 86,1 Нет

Всего 4579,9 4579,9

Земли сельскохозяйственного использования преобладают (более 50%) на северо-западе (Лотошинский, Волоколамский районы), а также на юго-востоке (Люберецкий, Раменский, Домодедовский и далее на юго-восток).

Наибольшие показатели лесистости (порядка 50%) имеют Талдомский, Дмитровский, Сергиево-Посадский и Пушкинский районы на севере, на западе Клинский, Истринский, Рузский, Одинцовский, Наро-Фоминский районы, на юге - Серпуховский и на юго-востоке - Павлово-Посадский, Орехово-Зуевский и Егорьевский [131].

17

Оценка земельных ресурсов проведена с целью выявления общего состояния экологической обстановки Московского региона. Приведенные данные свидетельствуют о том, что даже в условиях активного воздействия факторов техногенеза, хоть и со значительными потерями, прежде всего фитоценозы и почвы, как главные образующие природных ландшафтов, совместно с подстилающими грунтами, подземными и поверхностными водами, климатическими факторами, сохранили достаточные потенциальные возможности для последующей компенсации потерь в экосистемах с помощью рекультивационных мероприятий, т.е. управляющих действий человека. Разрабатываемая в диссертации тема в значительной степени направлена на восстановление как природных - первичных, так природно-техногенных -вторичных ландшафтов. Именно ландшафты представляют собой основу для постепенного формирования гомеостаза антропогенных экосистем. В связи с этим дальнейшему рассмотрению были подвергнуты ландшафты Московского региона.

Ландшафты. Ландшафт представляет собой природное образование, которое экология рассматривает как весьма важный компонент в организации и структуре биогеоценозов. В целом обычно ландшафт рассматривают как природное географическое образование:

• совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных предметов и явлений природы, исторически развивающихся во времени и образующих физико-географический комплекс;

• природный комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему;

• конкретная территория, однородная по своему генезису и истории развития, которая не может быть разделена по каким-либо признакам на более дробные части (зоны), обладающая единообразным геологическим строением, однотипной формой рельефа, общностью климата, единообразным сочетанием

Список литературы