CC BY
26
УДК 622.502
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РЕВИТАЛИЗАЦИИ ЛАНДШАФТОВ
ПРИ ЗАХОРОНЕНИИ ТВЁРДЫХ ОТХОДОВ ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА В ЭКОСИСТЕМАХ ЕСТЕСТВЕННОЙ
БИОТЫ ЗЕМЛИ
Ю.П. Галченко
Экстенсивный характер добычи и переработки месторождений полезных ископаемых привёл к значительному накоплению техногенных минеральных новообразований, которые играют роль авангарда техногенного вторжения в естественную биоту. Размещение твёрдых отходов горного производства после их выдачи из подземного пространства возможно в двух режимах: хранения и захоронения. Выбранный режим размещения твёрдых отходов предопределяет как степень экологической опасности, так и характер необходимых последствий по восстановлению нарушенных площадей. Применительно к проблеме восстановления первичных ландшафтов механизм ревитализации включает в себя процессы почвообразования за счёт выветривания отвальных пород и последующее развитие восстановленной сукцессии растительных сообществ вплоть до самовосстановления фитоценоза естественной биоты природной экосистемы на внешней поверхности техногенного новообразования. Процесс самовосстановления естественной биоты на поверхности техногенных новообразований будет определяться восстановительными ресурсами биоты за пределами зоны техногенного поражения, размерами новообразования и климатическими особенностями региона. Полное время цикла демутации фитоценоза будет определяться темпом набора растениями биомассы и средней продолжительностью их роста.
Ключевые слова: твёрдые отход, разработка месторождений, захоронение отходов, биота, ландшафт, ревитализация, демутационная сукцессия, фитоценоз, фактор времени.
Введение
Развитие минерально-сырьевого комплекса реализуется в форме строительства и эксплуатации добывающих предприятий, каждое из которых является источником разнообразных по уровню, характеру и масштабу техногенных воздействий на экосистемы окружающей среды Структура этих воздействий достаточно подробно проанализирована в целом ряде работ последних лет. Было установлено, что на глобальном уровне главным источником экологической опасности является хозяйственная деятельность человека и масштабный трансграничный перенос загрязнений, а на локальном - техногенные воздействия конкретных предприятий и неконтролируемое накопление в биосфере разнообразных промышленных отходов. При этом, отмечено, что кумулятивный эффект от такого накопления неизбежно приведёт к тому, что в недалёком будущем проблема отходов также приобретёт глобальный характер [1 - 4].
Экстенсивный характер добычи и переработки месторождений полезных ископаемых привели к значительному накоплению техногенных
минеральных новообразований, которые играют роль авангарда техногенного вторжения в естественную биоту. Именно поэтому, степень экологической опасности (или безопасности) применяемых при этом технологий, определяет практически всю перспективу и форму существования естественных биотопов на огромных территориях.
Проблемы размещения и оптимизации параметров отвалов становятся важнейшей задачей, от успешного решения которой зависят не только технико-экономические показатели работы предприятий, но и охрана окружающей среды.
Методический подход
Выбор способов и технологии отвалообразования зависит от схемы вскрытия и порядка отработки месторождения, комплексности использования сырья, физико-механических свойств складируемых пород и оснований, климата района, ценности занимаемых под отвалы земель, вида технологического оборудования и транспорта.
Размещение твёрдых отходов горного производства после их выдачи из подземного пространства возможно в двух режимах: хранения и захоронения. В первом случае речь идёт о формировании хранилищ с планируемой перспективой использования в тех или иных целях и с сохранением транспортной доступности к ним. Во втором случае - это размещение твёрдых отходов в пространстве естественной или искусственной биоты на постоянной основе (рис. 1).
Пустые породы
Транзит через выработанное пространство литосферы
Депонирование е геосферах Земли
В литосфере Б биосфере Б гидросфере
Б выработанном пространстве Заполнение выемок природного ландшафта Формирование техногенного ландшафта
Нарушение водотоков
Ревитализация
техногенных новообразований
Рис. 1. Принципиальная схема формирования экологических последствий при хранении и захоронении твёрдых отходов горного
производства
Хранение
Использование в хозяйстве
Рекультивация
освобождающейся земной поверхности
Захоронение
В последнем случае выбранный режим размещения твёрдых отходов предопределяет, как степень экологической опасности, так и характер необходимых последействий по восстановлению биологической продуктивности нарушенных площадей.
Хранение крупнодисперсных твёрдых отходов (пустых пород) означает, что после полного их использования необходимы меры по рекультивации и возврату в хозяйственный оборот либо поверхности отвалов, либо освободившихся от отвалов территорий.
Захоронение твёрдых отходов означает, что депонирующая эти отходы биота изменяет своё состояние, и восстановление экологического равновесия потребует ревитализации сформированного техногенного ландшафта [5].
Применительно к проблеме восстановления первичных ландшафтов, механизм ревитализации включает в себя процессы почвообразования за счёт выветривания отвальных пород и последующее развитие восстановленной сукцессии растительных сообществ вплоть до самовосстановления фитоценоза естественной биоты природной экосистемы на внешней поверхности техногенного новообразования. Используя основные положения теории биоценологии [6], можно выдвинуть в качестве рабочей гипотезы положение о том, что необходимым и достаточным условием самовосстановления биоты первичной экосистемы является восстановление сообщества видов-эдификаторов фитоценоза этой экосистемы за счёт естественного механизма переноса семян.
Результаты исследований
Процесс самовосстановления естественной биоты на поверхности техногенных новообразований будет определяться восстановительными ресурсами биоты за пределами зоны техногенного поражения, размерами новообразования и климатическими особенностями региона. Учитывая значительную аналогию, как по структуре, так и по характеру нарушения биоты, существующую между пирогенными процессами и техногенным воздействием хранилищ твёрдых отходов, можно предложить физическую модель восстановительной сукцессии, построенную на методических принципах лесной пирологии [7]:
- зона поражения при формировании техногенного новообразования приводится по форме к кругу, радиусом ^ОТ;
- биологическая продуктивность в поверхности техногенного новообразования равна нулю;
- ширина экотона по внешней границе пренебрежимо мала по отношению к размерам не нарушенного биотопа и учитывается при определении параметров зоны техногенного поражения.
Приняв за основу, выдвинутую рабочую гипотезу, процесс демута-ции биоты на поверхности техногенного новообразования радиусом ^ОТ и площадью 80Т = жЯ20Т, можно рассматривать через динамику суммарной
биопродуктивности эдификаторной синузии фитоценоза первичной экосистемы (Р3) от нуля до величины Рэ, равной исходной продуктивности этой группы растений:
0 < Р < Р .
31 э
Чистая биологическая продуктивность в качестве характеристики развития растений определяется как прирост сухого вещества (АСф), образованного в результате фотосинтеза на средней площади листовой поверхности (ПЛ^) за определённое время наблюдений (ТН):
2 АСф
Р=■
ф_
Тн ПЛх + ПЛ 2
Так как при определении экологических последствий захоронения твёрдых отходов в биоте природных экосистем необходимо оценить общую площадь техногенного воздействия, то биологический показатель р ¡переводится в показатель удельной биопродуктивности единицы площади (Ь\):
Ь' = Р' • Jл ,
где Jл < 1 - коэффициент, учитывающий степень сплошности листового покрова, численно равный листовому индексу или проективному покрытию [10].
Тогда общая удельная биопродуктивность каждого вида р) в составе эдификаторной синузии составит:
Б = ь' • п • те = ь ' • ^ • п • те,
где: п - количество растений данного вида на единице площади земной поверхности (плотность популяции); Тв - длительность периода вегетации в рассматриваемом регионе.
Чистая биопродуктивность эдификаторной синузии в целом (Бэ) равна сумме показателей всех видов ее составляющих:
N'
Б = ТУЬ• J . ■ п ,
э в / 1 1 Л1 1 '
1
где N - число видов-эдификаторов.
Согласно существующим представлениям, площадь развития дему-тации влияет на характер процессов самовосстановления через соотношение линейных размеров этой площади (в нашем случае ^ОТ) и длины естественного переноса семян (1с) видов-эдификаторов [6]. В соответствии с известным законом Тинемана, масштаб воссоздания фитоценоза путём самовосстановления эдификаторной синузии определяется наименьшим из существующих в реальном распределении, значением длины естественного переноса семян (1с). Тогда площадь техногенного новообразования с радиусом меньшим, чем 1с будет засеяна семенами рассматриваемых видов за один цикл вегетации. Полное время цикла демутации фитоценоза будет
определяться темпом набора растениями биомассы и средней продолжительностью их роста. В этом случае среднегодовой прирост чистой биопродуктивности для каждого из видов (АЬ г) составит
АЬ' =Ь\-МЛ1 •Ал, •Те , где АJЛг - среднегодовое увеличение проективного покрытия (или листового индекса) за счёт роста растения; Ап - среднегодовое изменение плотности популяции для каждого вида.
Для эдификаторной синузии в целом этот показатель (АБэ) составит
АБэ =Тв- V Ь'
• АЛг■ АП
Поэтому время нормализации чистой продуктивности всей системы (Тв) определится из выражения
N
Т
V JЛг
П,
Лг
Ап,
Из полученных зависимостей следует, что при приведённом радиусе (ЯП) общей площади техногенного новообразования меньшем, чем длина естественного переноса семян видов эдификаторной группы первичной биоты, время её самовосстановления (Тв) определяется скоростью роста растений и изменением плотности популяции каждого вида.
Совершенно иначе выглядит динамика восстановительной сукцессии более крупных техногенных новообразований (Я 0Т >1с). В этом случае физическую модель развития этого процесса можно представить в виде итерационного перемещения условного фронта возобновления фитоценоза от внешней границы техногенного новообразования к его центру (рис. 2).
Экосистема Естественной биоты Земли
Рис. 2. Схема развития процесса самовосстановления на поверхности
техногенных новообразований
1
Длительность шага итерации здесь будет равна времени нормализации чистой продуктивности для новообразований меньшего размера (Тв ).
Приняв в качестве допущения положение о том, что процесс самовосстановления в каждой следующей круговой полосе шириной 1с начинается после завершения самовосстановления фитоценоза в полосе предыдущей, получим количество шагов итерации
в = К =
и I 1,771 '
с 'с
о _ _ г)2
где П~ От - общая площадь техногенного новообразования.
Тогда общее время самовосстановления фитоценоза на всей поверхности техногенного новообразования (Тоб) можно найти из выражения
Тоб = Ри ' Тв
или окончательно после подстановки всех величин
Т У ^ ^
об 1,771с V АJm Ап. '
Таким образом, характер влияния размеров техногенного новообразования при строительстве и эксплуатации горного предприятия определяется не абсолютной величиной этого размера, а соотношением приведенного радиуса занимаемой площади с длиной естественного переноса семян видов эдификаторной синузии фитоценоза нарушаемой экосистемы. Если приведённый радиус площади, занятой техногенным новообразованием, меньше или равен величине 1С, то общее время самовосстановления фитоценоза будет определяться только чистой продуктивностью сообщества видов-эдификаторов. Величина общей площади новообразования будет оказывать косвенное воздействие, через показатели прироста биомассы и проективного покрытия. В остальных случаях, когда ЯОТ>1С, длительность периода самовосстановления фитоценоза будет возрастать прямо пропорционально величине общей площади, занятой под захоронение твёрдых отходов.
Экспериментальная проверка
Территории, нарушаемые при складировании твёрдых отходов горного производства на одном из жильных месторождений золота, представлены в основном экосистемами средне и низкогорной тундры с кустарниковыми зарослями из кедрового стланника. Эти экосистемы занимают примерно 80 % площади районов. Эдификаторная синузия фитоценозов включает в себя ягель и кедровый стланник. Примерно 20 % площадей в нижней части склонов и в поймах постоянных водотоков растет листве-нично-моховой и лиственнично-тополевый лес на базе даурской лиственницы. Общий вид расчётной зависимости времени самовосстановления по коротко производному циклу (Яп<1с) для рассматриваемых типов экосистем приведен на (рис. 3).
Рис. 3. Расчётная зависимость времени естественного самовосстановления эдификаторной синузии от среднегодового прироста продуктивности видов для среднегорной тундры (1)
и пойменного леса (2)
Как видно из рис. 3, время нормализации чистой продуктивности эдификаторной группы видов в обоих случаях имеет вид гиперболы, кривизна которой уменьшается при увеличении абсолютного значения показателя. В рассматриваемом случае продолжительность периода самовосстановления по коротко производному циклу для среднегорной тундры составит примерно 55 лет, а для пойменных лесов на базе даурской лиственницы - 38 лет.
Заключение
При захоронении крупнодисперсных твёрдых отходов в биоте природных экосистем интенсивность естественной ревитализации ландшафта определяется развитием демутационных процессов на поверхности созданных техногенных новообразований, а видовая структура формирующихся растительных сообществ регулируется видовым разнообразием и устойчивостью эдификаторной синузии биоты сопредельной первичной экосистемы.
Список литературы
1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П. Геоэкология освоения недр Земли и экогеотехнологии разработки месторождений. М.: Научтехлитиздат, 2015. 360 с.
2. Комаров Н.Г. Геоэкология и природопользование. 2-е изд. М.: Изд. центр «Академия», 2007. 192 с.
3. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелихова О.П. Экология. 6-е изд. М.: Дрофа, 2008. 622 с.
4. Осипов В.И. Геоэкология: понятие, задачи, приоритеты // Геоэкология, инженерная экология, гидрогеология, геокриология. 1997. № 1. С. 311.
5. Гайдин А.М. Ревитализация посттехногенных ландшафтов // Геоэкология, инженерная экология, гидрогеология, геокриология. 2011. № 6. С. 494-498.
6. Сукачёв В.Н. Основные понятия биоценологии. Л.: Наука, 1964.
574 с.
7. Фуряев В.В. Роль пожаров в процессе лесообразования. Новосибирск: Наука, 1996. 252 с.
8. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М. : Научтехлитиздат, 2003. 261 с.
9. Ничипорович Л.А. О путях повышения продуктивности фотосинтеза растений в посевах // Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 27-35.
10. Общие теоретические проблемы биологической продуктивности. Л.: Наука, 1969. 189 с.
Галченко Юрий Павлович, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РЭА, ведущий научный сотрудник, schtrek33@,mail.ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН
STUDY OF LANDSCAPE REVITALIZA TION CONDITIONS IN THE DISPOSAL OF SOLID
MINING WASTE IN ECOSYSTEMS OF THE EARTH'S NATURAL BIOTA
Yu. P. Galchenko
The extensive nature of mining and processing of mineral deposits has led to a significant accumulation of man-made mineral innovations, which play the role of the vanguard of man-made invasion of natural biota. Placement of solid waste from mining operations after their release from underground space is possible in two modes: storage and disposal. The chosen mode of placement of solid waste determines both the degree of environmental hazard and the nature of the necessary consequences for the restoration of disturbed areas. In relation to the problem of restoration of primary landscapes, the mechanism of revitalization includes the processes of soil formation due to the weathering of dump rocks and the subsequent development of the restored succession of plant communities up to the self-restoration of the phytocenosis of the natural biota of the native ecosystem on the external surface of the technogenic neoplasm. The process of self-healing of natural biota on the surface of techno-genic new formations will be determined by the biota's recovery resources outside the zone of technogenic damage, the size of the new formation, and the climatic characteristics of the region. The total time of the phytocenosis demutation cycle will be determined by the set of biomass plants and the average duration of their growth.
Key words: solid waste; field development; waste disposal; biota; landscape; revital-ization; demutation succession; phytocenosis; time factor.
Galchenko Yuri Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, member.-corr. REA, leading researcher, [email protected], Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Science
Reference
1. Trubetskoy K. N., Galchenko Yu. P. Geoecology of development of the earth's subsurface and ecogeotechnologies of field development. Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2015. 360 p.
2. Komarov N. G. Geoecology and environmental management (ed. 2). Moscow: Publishing center "Academy", 2007, 192 p.
3. Nikolaykin N. I., Nikolaykina N. E., Melikhova O. P. ecology (ed. 6). Moscow: bustard, 2008, 622 p.
4. Osipov V. I. Geoecology: concept, tasks, priorities // Geoecology, engineering ecology, hydrogeology, Geocryology. 1997. no. 1. P. 3-11.
5. Gaidin a.m. Revitalization of post-technological landscapes // Geoecology, engineering ecology, hydrogeology, Geocryology. 2011. no. 6. Pp. 494-498.
6. Sukachev V. N. Basic concepts of biocenology. L.: Nauka, 1964. 574 p.
7. Furyaev V. V. the Role of fires in the process of forest formation. Novosibirsk. Nauka, 1996.252 p.
8. Trubetskoy K. N., Galchenko Yu. P., Burtsev L. I. Environmental problems of subsoil development in the context of sustainable development of nature and society. Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2003. 261 p.
9. nichiporovich L. A. on ways to increase the productivity of plant photosynthesis in crops // SB. Photosynthesis and questions of plant productivity. Moscow: Publishing house of the USSR Academy of Sciences, 1963. Pp. 27-35.
10. General theoretical problems of biological productivity. L.: Nauka, 1969. 189 p.
УДК 504.55.054:622(470.6)
МИНИМИЗАЦИЯ УЩЕРБА ОТ ПРИРОДНОГО
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ РУД
В.И. Голик
На примере горнодобывающих предприятий Садонского свинцово-цинкового комбината Северного Кавказа показана целесообразность использования феномена природного выщелачивания потерянных руд для минимизации негативного влияния горного производства его продуктов на экологию горных регионов. Параметры природного выщелачивания определяются условиями и технологией разработки, что позволяет управлять ими.
Ключевые слова: экология, добыча и переработка руд, природное выщелачивание, горный регион, модель, минимизация ущерба.
Увеличение объемов добываемой горнорудной массы сопровождается вовлечением в эксплуатацию бедных месторождений с ростом коли-
