CC BY
22
© Е.А. Ельчанинов, 2015
УДК 502:551.345 Е.А. Ельчанинов
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОХРАНЫ ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ПРОМЫШЛЕННОМ ОСВОЕНИИ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Рассмотрены экологические проблемы масштабного промышленного освоения Северных территорий. Дается характеристика и место природоохранной проблемы, а также направления снижения негативного влияния на природную среду при масштабном промышленном освоении Северных территорий.
Ключевые слова: природопользование, территории, Север, освоение.
СОвремен ные рыночные отношения и технический прогресс в промышленности привели к истощению таких природных ресурсов как питьевая вода, земли сельскохозяйственного назначения, исчезновению ряда лесных массивов, нарушению био-разнообразия, росту расхода энергоносителей, замещению кислорода в атмосфере парниковыми газами, выбросам в природную среду вредных газообразных, жидких и твердых отходов.
Для комплексного решения данной проблемы ведется разработка инженерных решений на базе технологических процессов и технических средств, с целью технического управления ресурсно-экологической ситуацией в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, обеспечивающих достижение поставленных целей с минимальными экономическими издержками при максимальном техническом и экологическим эффекте.
Особое значение данного направления научных исследований и их практической реализации приобретает в связи с освоением природных ресурсов в районах Крайнего Севера России и шельфовых зонах Северного Ледовитого океана, где сосредоточено от 40 до 100 % мировых запасов полезных ископаемых (уголь, нефть, газ, никель, медь, золото, платиноиды, германий, титан, кобальт и др.) потребных человечеству в настоящее время. Развитие горнодобывающей промышленности
в районах Крайнего Севера потребует развития всей инфраструктуры строительных работ, всех видов транспорта (морской, железнодорожный, трубопроводный, автомобильный и авиационный), что связано с большим объемом земляных работ, проведением тоннелей, созданием подземных, заглубленных и полузаглубленных сооружений для аккумуляции, хранения и передачи для транспорта добытых полезных ископаемых что приведет к значительному воздействию на экологическую ситуацию региона, который весьма чувствителен к малейшему воздействию к деятельности человека. Сложность и непредсказуемость экологических проблем в мире нарастает по мере увеличения их масштабности. Именно глобальные проблемы наименее ощутимы и прогнозируемы, требуют особых подходов к их предвидению, осмысливанию, изучению. Современная стихийность развития мирового хозяйства стимулирует появление кризисных ситуаций и обострение экологических проблем глобального масштаба, затрудняет их рассмотрение даже на концептуальном уровне. При этом проблемы прямого влияния более очевидны и прогнозируемы, однако потребительское отношение к природе, политические и конъюнктурные мотивы осложняют их решение. Проблемы косвенного влияния имеют сложный механизм, часто проявляются с запозданием, не всегда имеют конкретные причины.
Многоплановой и во многом неясной является проблема «парникового эффекта» и потепления климата. Прежде всего, затруднен анализ связей круговорота углерода с климатом, круговоротом воды, как наиболее теплоемкого вещества, и биогенных веществ. Не ясно влияние таких «парниковых» газов, как метан и окислы азота. Практически не изучено влияние эрозии мерзлых почв от воздействия удобрений, климатических изменений, солнечной радиации, вулканизма, пожаров, облачности. Пока новейшие методы наблюдений не в состоянии оценить влияние разных факторов на современные изменения температурного режима атмосферы и почв.
Среди ученых и экспертов существуют разногласия по поводу величины и темпов потепления климата. Без построения глобальных экзодинамических моделей судить о причинах потепления сложно; тем более что прогноз потепления на 1 0С к
2000 г. не оправдался (потеплело на 0,45 °С). Не установлена четкая корреляция изменения климата и объемов выбросов парниковых газов. В связи с отсутствием научного обоснования не ясны перспективы воздействия потепления климата на водоснабжение, энергетику, лесное хозяйство и социальную сферу.
Глобальные проблемы водных ресурсов связаны с тем, что реально человек может использовать только 0,3 % воды гидросферы (табл. 1). Это пресные подземные и поверхностные воды Ресурсы Российской Федерации составляют 4164,9 км3, или 95,8 % от средней многолетней величины. Суммарный забор воды из природных водных объектов России за 2010 год составил 82356,56 км3, или около 2 % общего стока.. Большая часть пресной воды (примерно 2 % от общего объема водных ресурсов Земли) законсервирована в ледниках и отличается замедленным водообменом, до 10 тыс. лет. Медленно циркулируют и подземные воды, способные накапливать загрязнение. Наиболее активно самоочищаются озера и реки, однако последние сильно загрязнены в большинстве регионов мира промышленными и хозяйственно бытовыми стоками.
Таблица 1
Водные ресурсы Земли
Составные части гидросферы Объем тыс. км3 Доля, % Годовой водообмен
Мировой океан 1370000 94,50 2500-3000
Подземные воды 60000 4,00 2000-3000
В т.ч. пресные 4000 0,30
Ледники 24000 1,75 9000
Подземные люды 300 0,020 10000
Озера 300 0,020 10-20
В т.ч. пресные 150 0,010
Почвенная влага 15 0,001 1,0
Вода атмосферы 15 0,001 0,25
Болота 10 0,0008 5
Реки 1,5 0,0001 0,050
Итого 1450000 100
Основные проблемы дефицита водных ресурсов и решения вопросов экологии гидросферы связаны не с физическим недостатком воды, а с нехваткой чистой воды.
Дефицит чистой воды отражается на здоровье населения. Более 2,5 млрд человек страдает от недостатка или плохого качества воды.
При нефтяном загрязнении водных акваторий одна тонна нефти при разливе на поверхности загрязняет площадь до 1,2.106 м2. Очищение водоемов от нефти в холодных водах (при температурах +8 °С и ниже) затруднено, а разложение нефтепродуктов бактериями прекращается полностью.
Основные меры решения проблемы водных ресурсов это не допущение сбросов загрязненных вод, особенно углеводородами, качественная очистка и исключение аварийных ситуаций при добыче и транспортировке нефтепродуктов. Для чего необходимо вести мониторинг магистральных и монифольдо-вых трубопроводов, устранение дефектов с целью устранения вероятности возникновения аварий, вводить замкнутые системы водопотребления, снижать нормы потребления воды и проводить четкое разделение систем питьевого и технического водоснабжения.
Проблемы землепользования. В условиях криолитозоны водная и ветровая эрозия способна практически уничтожить почвы и привести к созданию лунного ландшафта на огромных площадей. Методы предупреждения водной и ветровой эрозии, а также рекультивации нарушенных земель давно известны, однако ежегодно площади развития этих негативных, в основном антропогенных, процессов увеличиваются. Очевидно без решения экономических, социальных и нравственных аспектов данная проблема не будет решена.
Урбанизация территорий. Вопросы сохранения экологического равновесия между естественной и искусственно созданной средами далеки от разрешения. Основными факторами нарушения экологического равновесия служат развитие промышленного производства и рост населения, влияющих на загрязнение атмосферы и водных объектов. Трудности анализа многочисленных и неравноценных факторов, сложно взаимодействующих друг с другом, пока не позволяют создать комплексную модель взаимодействия природы и города.
Важнейший интегральный индикатор остроты глобальных экологических проблем — здоровье людей. Сложность решения проблем экологии человека связана с появлением многочисленных неизвестных ранее этиологических факторов: химических, физических, биологических. Необходимо создание медико-географических кадастров поселений, организация экологического мониторинга с включением элементов состояния здоровья населения.
К территориям, требующим повышенного внимания, относятся также внутри-материковые регионы максимального негативного техногенного воздействия на окружающую среду и все виды заповедных объектов.
Если в Приморье, на Камчатке, в Сибири и центре европейской части России это влияние однонаправленное (увеличение осадков ведет к росту годового стока), то на побережьях Арктики климатические показатели - дефицит тепла или осадков — снижают способность природной среды к самоочищению. В ряде районов с высокой напряженностью экологической обстановки (Кольский, Норильский, Центрально-Уральский, Предсаянский и др.) решающий вклад в создание напряжения вносит атмосферное загрязнение.
Региональная оценка особенностей геологической среды обычно базируется на материалах инженерно-геологического районирования, которое дает подробную информацию о физико-механических свойствах грунтов. Многолетнемерзлые грунты предохраняют подмерзлотные водоносные горизонты от загрязнения, однако неустойчивы к процессам водной эрозии, солифлюкции и пучения. Нарушение литогенной основы экологической системы — явление практически необратимое. Отсюда главная проблема — предупреждение начальных стадий развития опасных процессов, которые могут получить спонтанное развитие и привести к напряженной экологической ситуации.
Растительный покров, наряду с рельефом, представляет собой наиболее физиономичный и весомый индикатор региональной дифференциации экологической системы. Тем не менее существует ряд проблем в оценках роли растительности как показателя напряженности экологической ситуации. Проблемы касаются как исследований механизма взаимодействия
растений с прочими составляющими экологической ситуации, так и оценок техногенного воздействия на фитоценозы.
Пока нет достаточной ясности по вопросам предельных величин накопления загрязнителей теми или иными растениями.
Растительность — фактор круговорота в природе многочисленных элементов. Ввиду того, что активность обмена у растений различна, их устойчивость к загрязнению также неодинакова. Медленно вегетирующие мхи и лишайники обладают очень низкой устойчивостью. Хвойные породы с обновлением хвои в 5-6 лет более устойчивы. А лиственные породы, ежегодно сбрасывающие листву, отличаются максимальной устойчивостью.
Среди территорий экстремальных экологических ситуаций и сложных проблем регионального экологического анализа выделяется криолитозона — область распространения многолет-немерзлых пород. Низкая устойчивость экологической системы мерзлотной зоны связана с отсутствием баланса их состояния с современными климатическими условиями (Геоэкология Севера, 1992). Подобная несбалансированность приводит к тому, что процессы восстановления экологической системы иногда вовсе не проявляются (например, на месте деградированных лесотундровых ландшафтов формируются тундровые). Сложная структура северных экологических систем затрудняет решение вопросов, связанных с оценкой их устойчивости, особенно на региональном уровне. Чем ближе значения продуктивности и биомассы, тем экологические системы в целом более устойчивы. Поэтому травянистые экосистемы криолитозо-ны обладают большим потенциалом восстановления по сравнению с таежными.
Техногенное воздействие в криолитозоне в основном ограничено деятельным слоем, а его реакция связана со следующими свойствами:
— реакция деятельного слоя усиливается в следующем направлении: органогенные породы — глины — суглинки — супеси - пески;
— реакция в торфяниках затухает по мере увеличения степени разложения органики, а также от верховых болот к низинным;
— чем больше мощность деятельного слоя, тем значительнее его стабилизирующая способность;
— влажность и льдистость снижают буферную способность деятельного слоя, то есть усиливают реакцию на воздействие;
— травяно-кустарниковая растительность стабилизирует деятельный слой, а мохово-лишайниковая сокращает его мощность и повышает чувствительность к техногенным воздействиям.
Высокая чувствительность мерзлых почв и грунтов к техногенным воздействиям наиболее ярко проявляется в южной части криолитозоны, в условиях прерывистого распространения многолетнемерзлых пород. Удаление снежного покрова, открытые разработки, уничтожение растительности могут значительно изменить режим температуры и влажности грунтов. Изменение физических свойств грунтов в свою очередь активизирует процессы просадок, термокарста, пучения, солифлюкации и образования наледей. Это приводит к техническим сложностям и значительному удорожанию эксплуатации инженерных сооружений.
Пока что недостаточно изучена проблема растепления мерзлых пород при разрыве их сплошности кустами буровых скважин, котлованами и карьерами. Отдельные исследования показывают, что за длительное время эксплуатации месторождений образуются ареалы потепления на 2-3 0С и глубинами до 10 м.
Проблемы стабилизации и рекультивации криогенных экологических систем особенно актуальны из-за низкого экологического потенциала и замедленных процессов восстановления. Необходимость рекультивации обуславливается как задачами охраны природы, так и обеспечением надежной эксплуатации инженерных сооружений. Основной аспект рекультивации — стабилизация поверхностного слоя в целях предотвращения развития негативных процессов. Ликвидация загрязнения на территориях Севера не имеет регионального масштаба, но весьма актуальна в районах добычи полезных ископаемых. Технология биологической рекультивации (подбор устойчивых растений и систем удобрений) в настоящее время признается наиболее перспективной и экономически выгодной, однако ее применение пока не стало повсеместным, и многие эксперименты находятся на начальных стадиях разработки.
Ландшафтное районирование - одна их самых надежных основ для регионального экологического анализа на экоси-стемной основе. Ландшафтоведение достигло больших успехов в изучении факторов дифференциации природно-территориальных комплексов и в оценках их основных геофизических, геохимических и биологических параметров.
Все эти параметры оказывают определенное влияние на реакцию экологической системы в условиях антропогенного воздействия на них, их устойчивость и способность к восстановлению. Проблемой является оценка изменений этих параметров при нагрузках разного вида и масштаба, корреляция этих изменений с уровнями экологической напряженности. Региональный экологический анализ невозможен без рассмотрения экологической системы в развитии, которое определяется совместным влиянием вертикальных и горизонтальных связей. Пока динамические модели экосистем слабо разработаны.
Отраслевые проблемы. Экологические проблемы каждой отрасли народного хозяйства специфичны, требуют определенных технологических и организационных решений. С другой стороны, влияние на среду одной отрасли охватывает все природные компоненты и создает проблемы межотраслевого уровня. Отраслевое влияние на природную среду четко прослеживается в районах определенной отраслевой специализации: нефтегазоносных, горнорудных, сельскохозяйственных районах. Сложнее всего определить это влияние в населенных пунктах и городах. Здесь трудно определить реакцию среды на воздействие каждой отрасли. Таким образом, отраслевые и региональные проблемы в этих регионах интегрируются и требуют разнообразных подходов для своего решения.
Влияние той или иной отрасли на среду зависит от ряда факторов, определяющих технологию производства. С учетом особенностей производства дается экологическая оценка технологий, оценивается их опасность и разрабатываются альтернативные варианты, снижающие негативное влияние.
На площадях крупных промышленных комплексов изменения среды и экологические обстановки являются многоплановыми. Именно в таких районах возникают наиболее напряженные региональные экологические ситуации. Для
регионов промышленного освоения характерны большие контрасты площадей источников воздействия (завод, карьер, полигон) и площадей воздействия на среду (трансграничный перенос, бассейны рек, радиационные следы).
Таблица 2
Оценка экологической опасности отраслей промышленности (A.B. Дончева и др., 1999)
Отрасли промышленности Индекс экологической опасности, рассчитанный по отношению к валовой продукции
Цветная металлургия Микробиологическая Иэ > 10,1
Химическая Нефтехимическая Черная металлургия Теплоэнергетика Кэ = 5,1 - 10,0
Лесная, деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная Топливная Кэ = 1,1 - 5,0
Промышленность стройматериалов Пищевая промышленность Машиностроение и металлообработка Легкая промышленность Кэ = 0,05 - 1,0
Таблица 3
Воздействие на природную среду при добыче полезных ископаемых
Системы разработки месторождений полезных ископаемых Инженерно-хозяйственное воздействие на среду и его последствия Инженерно-геологические процессы и явления
Открытые горные работы (карьеры) Строительство карьеров, изменение напряженного состояния массива, создание отвалов пустой породы Деформация в бортах карьеров - оползни, оп-лывины и др., изменение ландшафтов, деформации откосов отвалов и подстилающих пород
Осушение карьеров, изменение режимы подземных вод Иссушение территории, активизация карста, фильтрационное уплотнение грунтов
Окончание табл. 3
Системы разработки месторождений полезных ископаемых Инженерно-хозяйственное воздействие на среду и его последствия Инженерно-геологические процессы и явления
Подземная (шахматная) разработка Строительство шахт и других подземных выработок Деформации в горных выработках, карст, изменение мерзлотных условий
Изменение напряженного состояния массива, создание отвалов пустой породы Оседания земной поверхности и провалы на ней
Осушение месторождения, изменение режима и состава подземных вод Иссушение территории, фильтрационное уплотнение грунтов, прорывы плывунов, активизация карстовых и суффозион-ных процессов
Вентиляция выработок Активизация мерзлотных процессов
Изменение температурного режима Активизация физико-химических процессов -окисление, выщелачивание
Извлечение полезного ископаемого скважинами -нефть, газ, вода Изменение напряженного состояния массива Оседание земной поверхности
Изменение гидрогеологических условий Активизация карстовых процессов, загрязнение подземных вод
Подземная переработка полезного ископаемого (газификация угля, выплавка серы, выщелачивание солей) Изменение напряженного состояния массива Оседание и провалы земной поверхности
Изменение гидрогеологических условий Оползневые деформации на склонах
Изменение температурного поля Активизация карстово-суффозионных процессов
В сети линейных сооружений каждая магистраль или трубопровод имеет локальный ареал воздействия на среду, однако в урбанизированных районах развитая инфраструктура начинает играть роль регионального экологического фактора, косвенно влияя на состояние среды через размещение различных хозяйственных объектов и населенных пунктов. На примере
горнодобывающих отраслей видно многообразное воздействие на среду и его последствия. Специфика промышленного освоения — распространение нарушений и загрязнения на все компоненты среды, его решающая роль в загрязнении атмосферы, изменении климата, трансформации гидрогеологической обстановки и даже в техногенной динамике верхних горизонтов земной коры.
Показательны следующие примеры. Площади нарушенных земель особенно велики при открытом способе добычи полезных ископаемых. В России, где порядка 5 тыс. карьеров и приисков, общая площадь нарушенных земель около 1,5 млн га, не считая хвостохранилищ, промышленных площадок, складов и т.п. С массовыми взрывами, при разработке месторождений открытым способом, связана высокая степень запыленности воздуха. Например, в Воркуте за зиму накапливается до 15 тонн пыли на гектар, а пылегазовые шлейфы распространяются в радиусе до 50 км.
Таблица 4
Запыленность снежного покрова г. Воркуты (С.П. Горшков, 2000)
Зоны загрязнения Количество пыли в снегу, т/га Источники загрязнения
I - фоновые II - малого III - среднего IV - сильного V — максимального 0,06-0,18 от 0,12 до 0,4 от 0,4 до 1,6 от 1,6 до 6,4 > 6,4; местами до 23,1 Атмосфера, оголенная поверхность тундры Воркутинский промышленный комплекс Отопительные системы поселков Терриконы шахт, железные дороги ТЭЦ, цементный завод
Добыча и транспорт нефти и газа — являются самыми напряженными в экологическом отношении. Основными источниками загрязнения и воздействия на природную среду в этих районах служат:
— бурение и фонтанирование аварийных скважин;
— сбрасывание буровых растворов и сточных вод;
— аварии на транспорте и трубопроводах;
— свалки на промыслах отходов производства (шлам, цемент, стройматериалы).
Специфика воздействия промыслов на среду — многочисленные локальные ареалы нарушений и загрязнения, соединенные сетью линейных ареалов. В целом создаются сложные системы регионального воздействия. Этапность освоения месторождений влияет на динамику воздействия, причем относительная роль нарушений снижается, а масштабы загрязнения возрастают. На площадях месторождений активно меняется температурный режим грунтов и их геохимические особенности. Талики способствуют загрязнению грунтовых вод. Откачка воды из скважин приводит к образованию депрессионных воронок и промерзанию пород. Сброс засоленных подземных вод разрушает инженерные коммуникации и способствует деградации растительного покрова. Среди многочисленных проблем нефтегазовых комплексов основные — непредсказуемость аварий, сложность и трудная доступность районов добычи, ускоренные темпы освоения, слабый учет объемов выбросов загрязнителей, медленное самоочищение от нефтяного загрязнения (от 10 до 25, а в тундре до 50 лет).
Сложно фиксировать утечки с малыми объемами выбросов; точность здесь в среднем 600 м. Места крупных аварий определяются с точностью 10-20 м. Влияние эмиссии газов распространяется на площади до 100 тыс. км2 и поражает почвенно-растительный покров. К основным видам физического влияния трубопроводного транспорта на среду относятся следующие:
— изменения площадей болот;
— изменения интенсивности заболачивания;
— активизация термокарста, протаивания и обводнения грунтов;
— активизация процессов эрозии и суффозии.
Изменения среды вдоль трасс трубопроводов редко носят длительный прогрессирующий или необратимый характер. Обычно максимумы негативного влияния приходятся на 5-ые — 7-ые годы после аварий, а затем начинается стабилизация (Н.Н. Хренов, 2003).
Проблемы лесопользования. При использовании лесных ресурсов в качестве деловой древесины вопросы оценки за-
грязнения становятся второстепенными. Оценки геоэкологических обстановок лесопокрытых территорий в региональном плане могут опираться на положения Лесного кодекса, в котором по регионам дифференцированы ограничения рубок, площади лесосек, объемы восстановительных работ. Сложности связаны с большими объемами не санкционированных лесоразработок, частыми антропогенными пожарами. Отмечается, что при сокращении масштабов лесопользования одновременно сокращаются площади восстановления лесов.
Землепользование — вид экономики, наиболее связанный с региональными, прежде всего климатическими, особенностями территорий. Влияние климата, рельефа и поверхностных отложений предопределяет распределение типов земель. Однако стройной системы сельскохозяйственной типологии земель для этих районов пока нет, поскольку нет должной интеграции достижений почвоведов и ландшафто-ведов. Состояние почв и структура земельного фонда харак-терезуются на основе данных Госкомстата России, Минсель-хоза России, Росземкадастра, Росгидромета, территориальных органов МПР России. Земельные угодья подразделяются на сельскохозяйственные и несельскохозяйственные угодья. В условиях рассматриваемого региона к сельскохозяйственным угодьям относятся пастбища, сенокосы и многолетние насаждения. Несельскохозяйственные угодья - это земли под поверхностными водными объектами, включая болота, лесные земли, земли застройки, земли под дорогами, нарушенные земли, прочие земли (овраги, пески и т.п.).
Внедрение адаптивных систем земледелия в целом призвано понизить опасность таких процессов, как эрозия и дефляция почв, их засоление и заболачивание, повысить потенциал самоочищения и восстановления.. Наряду с технологическими и экономическими достаточную приоритетность должны получить экологические критерии.
Рассматривая возможность реализации освоения природных ресурсов на территории Крайнего Севера России необходимо учитывать междисциплинарный характер экологии, который особенно ярко выражен при проектировании крупных промышленных комплексов, требуется включение оценки восстановления с привлечением физических мето-
дов. В целом же при экономической оценке комплексного восстановления биоразнообразия недостаточен чисто ценовой, рыночный подход, а предпочтителен комплексный учет различных функций экосистем криолитозоны. К сожалению, в современных проектах это не учитывается. М
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Ельчанинов Евгений Александрович — доктор техническаих наук, профессор, Горный институт НИТУ «МИСиС».
UDC 502:551.345
THE MAIN DIRECTIONS OF ENGINEERING SOLUTIONS
FOR THE PROTECTION OF THE NATURAL COMPLEXES UNDER
INDUSTRIAL DEVELOPMENT OF NORTHERN TERRITORIES
Elchaninov E.A., Professor, Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
Considered environmental problems of large-scale industrial development of Northern territories. Gives a description and location of environmental problems, as well as ways of reducing the negative impact on the natural environment during the large-scale industrial development of Northern territories.
Key words: ecologi, nature management, territory, North, development.
A
