WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Хаванская Наталья Михайловна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 25.00.36. – Геоэкология (наук

и о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Воронеж – 2012

Работа выполнена в Волгоградском государственном социально-педагогическом университете

Научный консультант: доктор географических наук, профессор Брылев Виктор Андреевич

Официальные оппоненты: Петин Александр Николаевич доктор географических наук, профессор;

Национальный исследовательский Белгородский государственный университет, профессор кафедры географии и геоэкологии Канищев Сергей Николаевич кандидат географических наук, доцент;

Волжский гуманитарный институт (филиал Волгоградского государственного университета), доцент кафедры природопользования, геоин- формационных и наноэкономических технологий

Ведущая организация: Национальный исследовательский Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Защита состоится «20» апреля 2012 г. в 13-30 на заседании диссертационного совета Д 212.038.17 при Воронежском государственном университете по адресу: 394068 г. Воронеж, ул. Хользунова, 40, ауд. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «____» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук, профессор Куролап С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Ежегодно из недр России извлекаются миллионы тонн горных пород. С учетом геологических условий и экономических выгод значительная часть сырья добывается открытым способом, это относится к энергетическим ресурсам (уголь), рудным и нерудным полезным ископаемым. В процессе разработки карьеров разрушается самый устойчивый компонент природы – литогенная основа, которая представляет арену для геолого-геохимических процессов. В результате горнотехнического воздействия трансформируются гидрогеологические условия и уничтожаются наиболее пластичные компоненты – почва и растительный покров. Следовательно, открытая добыча оказывает комплексное негативное воздействие на природную среду, которое в современных условиях роста промышленного производства будет только усиливаться.

В отечественной географической науке наиболее детально разработана теоретическая и методологическая база в изучении карьерно-отвальных комплексов образующихся при добыче железной руды (В.И. Федотов, 1985,1990;

К.-А.К. Вайтекунас, 1989; Р.А. Попков, 2008; Е.Б. Яницкий, 2009; А.Н. Петин, 2010;) и угля (Л.В. Моторина, 1975).

Волгоградская область занимает площадь 112,9 тыс. км2, что делает ее самым крупным субъектом в Южном Федеральном округе (ЮФО). Регион богат разнообразным минерально-строительным сырьем, имея более 150 месторождений (включая распределенный и нераспределенный фонд недр). Начало периода интенсивных открытых разработок приходится на конец 1940-х – начало 1950-х гг., именно тогда был введен в эксплуатацию Себряковский карьер по добыче цементного сырья, который в настоящее время является самым крупным по своей специализации не только в ЮФО, но и в России в целом. На протяжении последних 20 лет ежегодно разрабатываются 40 – 50 месторождений нерудных полезных ископаемых. Всего же площадь отчужденных под карьерные разработки земель составляет около 4400 га. Перечисленные условия позволяют рассматривать Волгоградскую область как модельный регион изучения особенностей карьерно-отвальных комплексов, образующихся при разработке нерудных (минерально-строительных) месторождений.

Главной целью исследования является геоэкологическая оценка состояния геосистем, находящихся в зоне воздействия геогорнотехнических систем по добыче минерально-строительного сырья.

Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ ресурсной базы и современного состояния недропользования в сфере добычи нерудных строительных материалов Волгоградской области.

2. Выявить роль природно-ресурсного потенциала в формировании нерудных геогорнотехнических систем.

3. Оценить устойчивость геосистем к горнотехническому воздействию.

4. Произвести оценку геоэкологической ситуации в местах добычи минерально-строительного сырья.

5. Выявить современное состояние рекультивации земель, нарушенных открытыми горными разработками.

Объектом исследования являются нерудные карьерно-отвальные комплексы в пределах Волгоградской области.

Предметом исследования – особенности геоэкологического состояния нерудных карьерно-отвальных комплексов.

Теоретическая и методологическая база исследования. Основу работы составили научные труды в области геоэкологии – Б.И. Кочурова, А.А. Чибилева, К. И. Лопатина, С.А. Сладкопевцева, А.Ю. Ретеюма и д.р.; физической географии и ландшафтоведения – В.С. Преображенского, Ф.Н. Милькова, В.И.

Федотова, К.Н. Дьяконова, А.Г. Исаченко, В.К. Жучковой, Э.М. Раковской и др.; общих теоретических вопросов экологии и организации сложных систем – Н.Ф. Реймерса, А.Д. Арманда и др.; инженерной геологии и экологии – В.Т.Трофимова, Л.Г. Балаева, Л.А. Соколовской, Б.А. Иванова и др.; геохимии техногенеза – М.А. Глазовской, А.И. Перельмана и др.; геоморфологии Р.С. Чалова, К.М. Берковича, В.А. Чернова и др.; региональных исследований – В.А.

Брылева, Н.П. Дьяченко, В.А. Харланова, Ю.П. Князева, Н.А. Самуся.

При решении поставленных задач применялись общенаучные и специальные методы: сравнительно-географический, картографический, экспедиционный, математико-статистический, дешифрирование ДДЗ, методы балльных оценок с использованием правила Фишберна.

Исходные материалы и методы исследований. В работе использованы официальные данные Комитета природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Волгоградской области, Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды России по Волгоградской области, ФГУ «Территориальный фонд информации по природным ресурсам и охране окружающей среды МПР России по Волгоградской области», Территориального агентства по недропользованию по Волгоградской области (Волгограднедра).

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

проведена классификация карьеров по добыче минерально-строительного сырья, на основе анализа ресурсообеспеченности выявлены перспективы недропользования в пределах Волгоградской области;

вычислены масштабы зон влияния добычи нерудных строительных материалов на природные геосистемы;

проведен анализ воздействия добычи нерудных строительных материалов на природные компоненты;

обоснованы и проранжированы факторы устойчивости природных геосистем к горнотехническому воздействию, что послужило основной проведения ее оценки;

разработана и апробирована методика геоэкологической оценки нерудных карьерно-отвальных комплексов на основе выявления степени конфликтности природного и техногенного блоков геосистемы.

Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы органами местного самоуправления при реализации природоохранной политики, направленной на восстановление природных и социально-экономических функций техногенных ландшафтов. Полученные тематические карты могут послужить основой при создании природно-ресурсного раздела географического атласа Волгоградской области. Кроме того, полученные результаты могут найти свое место в учебном процессе при чтении курсов «Геоэкология Нижнего Поволжья», «Геоморфология» у студентов факультета естественных наук по направлению подготовки 021000 «География» Волгоградского государственного университета.

Апробация результатов работы. Результаты исследований и основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Международной научно-практической конференции «Регiональнi географiчнi дослiдження Украни та сумiжних територiй» (Луганск, 2006), Международной конференции «Геология в Школе и вузе: Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2009), Международной научной конференции «География, геоэкология, геология» (Днепропетровск, 2010, 2011), Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и антропогенных территорий» (Чебоксары, 2011), XXX Пленуме Геоморфологической комиссии РАН (Санкт-Петербург, 2008), ежегодных региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005-2010), Круглых столах по экологическим проблемам Нижневолжского региона, проводимых Волгоградским государственным университетом (2007, 2008).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нерудные карьерно-отвальные комплексы обладают характерной морфологической и пространственной структурами, которые определяются свойствами вскрышных и добычных пород, геологическим строением месторождений и техникой ведения открытых горных работ.

2. Оценка устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию базируется на балльной оценке ее критериев, распределенных по значимости с учетом условий открытой добычи.

3. Методика оценки геоэкологической ситуации в местах добычи нерудных полезных ископаемых проводится на основе выявления стадии развития горнопромышленного ландшафта и масштабов распространении зон влияния на природные геосистемы.

4. Результаты геоэкологической оценки нерудных карьерно-отвальных комплексов на основе выявления степени конфликтности природного и техногенного блоков в геосистеме позволяют оценить соразмерность создаваемой горнотехнической нагрузки возможностям системы к восстановлению и выработать управленческие решения по оптимизации горнопромышленных ландшафтов.

Личный вклад автора заключается в сборе и систематизации фактических данных о проблеме исследования, работе с фондовыми, нормативными и опубликованными материалами. Основу диссертационного исследования во многом составляют результаты полевых наблюдений соискателя (2005 – 20гг.), проанализированные данные дистанционного зондирования Земли. Автор принимал непосредственное участие при постановке задач исследования, защищаемых положений, в разработке методики геоэкологической оценки современного состояния нерудных карьерно-отвальных комплексов.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано печатных работ, в том числе две статьи в журналах, рецензируемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, состоящего из 153 источников отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 186 страницах, содержит 34 таблицы, 65 иллюстраций.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д.г.н., заведующему кафедрой «Физической географии и геоэкологии» ВГСПУ Брылеву В.А., доценту кафедры «Физической географии и геоэкологии» ВГСПУ, к.г.н. Дьяченко Н.П. за помощь при подготовке диссертации, начальнику геологического отдела Территориального агентства по недропользованию по Волгоградской области (Волгограднедра) Лосинскому К. Т. за консультации и предоставление геологических материалов для диссертации, главному геологу ЗАО «Геосим» Самусю Н.А. за помощь в проведении лабораторных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, поставлены цель и задачи, сформулированы положения, выносимые на защиту, и научная новизна исследования.

В первой главе диссертации рассмотрены историко-методологические аспекты изучения карьерно-отвальных комплексов Волгоградской области.

Выделены этапы изучения воздействия горнодобывающей промышленности нерудных строительных материалов на ландшафты Волгоградской области, приведены основные методы исследования.

Во второй главе на основе анализа литературных источников, фондовых и картографических материалов оценивается влияние природно-ресурсного потенциала на формирование нерудных геогорнотехнических систем.

В третьей главе рассмотрена взаимосвязь геогорнотехнических систем и горнопромышленных ландшафтов. Приведены этапы развития горнопромышленного ландшафта. Выделены и охарактеризованы парадинамические микрозоны горнопромышленных ландшафтов Волгоградской области.

В четвертой главе осуществлена геоэкологическая оценка открытых горных выработок Волгоградской области. Проведен анализ состояния рекультивационных мероприятий земель, нарушенных открытыми горными выработками.

В заключении приводятся обобщенные выводы результатов исследования.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Нерудные карьерно-отвальные комплексы обладают характерной морфологической и пространственной структурами, которые определяются свойствами вскрышных и добычных пород, геологическим строением месторождений и техникой ведения открытых горных работ.

Выявление и анализ пространственной и морфологической структур карьерно-отвальных комплексов были проведены на основе визуального дешифрирования космоснимков. При дешифрировании карьерно-отвальных комплексов в составе каждого было выделены две зоны: зона техногенной экзарации (соответствует площади карьера) и зона техногенной аккумуляции (соответствующая площади отвалообразования в границах земельного отвода). С помощью инструментария www.freemaptools.com вычислены площади этих зон.

Рис. 1. Арчединский известняковый карьерно-отвальный комплекс.

Пример дешифрирования одного карьерно-отвального комплекса приводится на рис. 1. Признаком выделения границы карьера послужил белый цвет добываемой породы (известняк), контрастирующий с окружающим фоном. Зона земельного отвода с размещенными на нем отвалами дешифрируется по изменению текстуры рисунка. Отвалы распознаются как замкнутые кольцевые формы, у которых радиально от центра к периферии расходятся линии, что говорит о развитии склонам линейная эрозия. Поверхности и бровка покрыты пятнами растительности – свидетельство проведенной рекультивации. Локальные разработки также определяются замкнутыми формами, но без растительного покрова, цвет соответствует добываемой породе.

Зависимость морфологической и пространственной структуры от техники ведения горных работ проявляется в следующем.

1. Чем больше мощность вскрышных и добычных работ, тем сложнее пространственная структура комплекса. Например, при разработке крупных известняковых месторождений, где мощность вскрышных пород достигает 20 м, добычных до 40 м формируются сопряженные и смешенные карьерноотвальные комплексы, в которых на территорию занятую отвалами в среднем приходится 60% площади всего комплекса. Редуцированные карьерные ландшафты чаще встречаются при разработке песчаных месторождений, где мощность вскрыши до 10 м, добычных пород – до 20 м. В сопряженных карьерноотвальных комплексах образующихся при добыче песка площади, занятые карьером и отвалами, в большинстве случаев равнозначны.

2. Масштабы распространения зон влияния на природную среду зависят от вида добываемого сырья, способа разработки и размера выработанного карьера (табл. 1).

Таблица Типизация месторождений нерудных строительных материалов по масштабам воздействия на природную среду Виды полезных Способ Величина зо- Средняя пло- Дальность ископаемых разработки ны техноген- щадь зоны тех- влияния ной экзарации ногенной акку- (м) (га) муляции (га) Пески различно- Открытый экс- менее 10 6 50 и менее го назначения каваторный 10 – 50 23 50 - 1более 50 * * Глины, суглинки Открытый экс- менее 10 6 50 - 1(кирпично- каваторный 10 – черепичные, керамзитовые) Карбонатные по- Открытый менее 10 8,5 до 3роды (мел, из- буровзрывной 10 – 50 45 300 - 5вестняк, цементболее 50 188 более 5ное сырье) * Примечание: поскольку в указанном интервале находится только один карьер (Орловский-3), его данные не могут выявлять среднестатистическую закономерность.

3. При применении бестранспортной системы открытых горных разработок формируются внутренние отвалы. Переэскавация вскрышных пород в выработанное пространство карьеров по добыче плотных карбонатных пород происходит с помощью драглайнов, при добыче песчаного материала – с помощью экскаватора. Таким образом, образуются смешенные карьерноотвальные комплексы. Поверхность внутренних отвалов гребневидная.

Формирование смешенных и сопряженных карьерно-отвальных комплексов осуществляется при транспортной разработке вскрышных пород, на большинстве карьеров для этого используются автосамосвалы, на Себряковском также применяется рельсовый транспорт. При этом поверхность отвалов плосковершинная с мелкобугристой поверхностью. Следует отметить, что во всех карьерно-отвальных комплексах отвалы одноярусные, что объясняется их незначительной высотой (до 30 м).

2. Оценка устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию базируется на балльной оценке ее критериев, распределенных по значимости с учетом условий открытой добычи.

Методической основой для выделения факторов устойчивости послужила обобщенная методика, предложенная К.И. Лопатиным и С.А. Сладкопевцевым (2008), адаптированная к региональным условиям и ориентированная на горнотехническую нагрузку.

Среди природных факторов, влияющих на степень устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию, выделены следующие.

1. Геологический фактор. Характеризует прочность горных пород, следовательно, их устойчивость к разным видам выветривания. Критерий – качество поверхностных отложений. Демонстрирует вертикальные связи в геосистеме.

2. Геоморфологический фактор. Влияет на интенсивность проявления эрозионных процессов, а также направление миграции химических элементов в геосистеме, т.е. поддерживает механическую, физическую и химическую форму движения материи в круговороте веществ. Критерий – уклон поверхности.

Характеризует вертикальные связи в геосистеме.

3. Гидрогеологический фактор. В добывающей промышленности влияет на масштабы разработки (глубину карьерной части, увеличение карьера вширь).

Критерий – глубина залегания грунтовых вод.

4. Климатический фактор. Влияет на формирование растительного покрова, его видовое разнообразие, жизненные формы, биопродуктивность, а также на интенсивность термического выветривания, водную и ветровую эрозию. Синтетическим критерием, определяющим баланс тепла и влаги в геосистеме, является гидротермический коэффициент, который и подлежит оценке.

5. Эдафический фактор. Характеризуют механические и химические свойства почв. Вместе с климатическими условиями влияет на скорость восстановления растительного покрова на территориях, подверженных антропогенному воздействию. Критерий – содержание гумуса в почвах.

6. Биотический фактор. Критерий – первичная биологическая продуктивность геосистем. Проявляется в скорости сукцессионного процесса.

Природно-антропогенные факторы.

1. Масштабы эрозии почв. Характеризуют потерю плодородия, сказываются на снижении темпов восстановления растительного покрова, соответственно влияют на высшую биологическую форму движения материи в круговороте веществ. Критерий – снижение содержания гумуса;

2. Экологический каркас территории или соотношении площадей естественных и антропогенных составляющих, характеризует функциональную структуру, отражает степень антропогенной нагрузки и направление преимущественного использования территории. Критерий – площадь антропогенной составляющей геосистем.

Предлагаемая методика основывается на определении интегральной оценки устойчивости по комплексу выделенных критериев, ранжированных по весу, и включает ряд этапов.

Этап 1. Ранжирование критериев по убыванию уровня значимости (табл.

2), при n=1 – самый значимый.

Таблица Распределение весовых коэффициентов критериев устойчивости по значимости Критерии Вес, n 1 Уклоны поверхности Поверхностные отложения Глубина залегания грунтовых вод Структура экологического каркаса (площадь антропогенной составляющей геосистем) Содержание гумуса в почвах Масштабы эрозии почв по потере гумуса в пахотном слое за весь период земледелия Гидротермический коэффициент Первичная биологическая продуктивность Этап 2. Определение границ критериев. В зависимости от качества, степени проявления критерия в регионе исследования ему присваивается низкий, средний или высокий уровень (табл. 3).

Таблица Определение границ критериев устойчивости Критерии Границы уровней низкий средний высокий 1 2 3 Уклоны поверхности более 5° 2,0°-4,0° менее 2,0° Поверхностные отложения пески, супеси суглинки песчаник, глина, известняк Глубина залегания грунтовых вод 0-10 м 10-20 м более 20 м Структура экологического каркаса 70 % и более 50-70 % менее 50 % (площадь антропогенной составляющей геосистем) Окончание таблицы Содержание гумуса в почвах менее 2% 2,0-3,5% более 3,5 % Масштабы эрозии почв по потере гуму- более 1,2 % 0,6-1,2 % менее 0,6 % са в пахотном слое за весь период земледелия Гидротермический коэффициент менее 0,5 0,5-0,7 0,7-0,Первичная биологическая продуктив- менее 7 т/га 7-13 т/га 13-20 т/га ность Этап 3. Определение баллов. С помощью весов, найденных на первом этапе, определяется сумма баллов, приходящаяся на каждый из критериев (табл. 4). Для расчета удобно использовать правило Фишберна:

2(N n 1) Ki N(N 1) где Ki максимальный балл для i-го критерия;

n – вес критерия;

N – общее количество критериев.

Правило Фишберна отражает тот факт, что об уровне значимости критериев неизвестно ничего, кроме того, что они расположены по порядку убывания значимости.

Таблица Определение баллов критериев устойчивости Критерии Вес, n Значимость по кри- Балл терию Фишберна (Кi) (гр.3 *100) 1 2 3 Уклоны поверхности 1 0,22 Поверхностные отложения 2 0,20 Глубина залегания грунтовых вод 3 0,17 Структура экологического каркаса 4 0,14 (площадь антропогенной составляющей геосистем) Содержание гумуса в почвах 5 0,11 Масштабы эрозии почв по потере 6 0,08 гумуса в пахотном слое за весь период земледелия Гидротермический коэффициент 7 0,05 Первичная биологическая продук- 8 0,03 тивность Итого 1 1Этап 4. Распределение баллов по уровням осуществляется в три шага:

а) в высокий уровень ставится максимальный балл критерия, рассчитанный по критерию Фишберна;

б) для низкого уровня присваивается максимальный балл, деленный на три (количество уровней);

в) находим величину d – шаг, по формуле:

d= (балл высокого уровня – балл низкого уровня)/ Таким образом, балл среднего уровня равен баллу нижнего, увеличенного на шаг. Результаты отражены в табл. 5.

Таблица Распределение баллов критериев устойчивости по уровням № Уровни Критерии п/п низкий средний высокий 1 2 3 4 1 Уклоны поверхности 7,3 14,6 2 Поверхностные отложения 6,6 13,3 3 Глубина залегания грунтовых вод 5,6 11,3 4 Структура экологического каркаса (площадь ан- 4,6 9,3 тропогенной составляющей геосистем) 5 Содержание гумуса в почвах 3,6 7,3 6 Масштабы эрозии почв по потере гумуса в па- 2,6 5,3 хотном слое за весь период земледелия 7 Гидротермический коэффициент 1,6 3,3 8 Первичная биологическая продуктивность 1 2 Итого 32,9 66,4 1Этап 5. Преобразование числовых данных в выводы. Методика построена таким образом, что максимально возможный суммарный балл по всем показателям равен 100, минимально возможный балл составляет 32,9. Для получения числовых интервалов уровней интегральной оценки найдем множество интервала по формуле:

d1=(максимальный балл – минимальный балл)/ 3(количество интервалов)=(100-33)/3=22,3.

Верхняя граница низкого уровня равна минимальному уровню, увеличенному на d1. Нижняя граница среднего уровня на 0,1 выше верхнего значения низкого уровня, а верхняя граница среднего уровня получается при увеличении нижнего на d1 и т.д. Суммируем баллы по всем критериям, получая интегральную оценку, характеризующую уровень устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию. Таким образом, получаем интервал баллов 33 – 55,2 соответствует низкой устойчивости, 55,3 – 77,6 – средней, 77,7 – 100 – высокой.

Поскольку мы рассматриваем устойчивость геосистемы к горнотехническому воздействию, как способность противостоять ему, сохранять возможность к саморегуляции и регенерации, то ее уровни характеризуются через призму состояния этих свойств.

Геосистемы с низким уровнем устойчивости к горнотехническому воздействию подвержены быстрым и глубоким изменениям, даже при низкой горнотехнической нагрузке. При этом нарушается саморегуляция, восстановительные процессы протекают крайне медленно. Необходимы интенсивные рекультивационные мероприятия.

Средняя устойчивость геосистем свидетельствует о том, что они могут выдерживать более длительные и сильные воздействия. Сохраняется способность к самовосстановлению, хотя необходимо проведение отдельных рекультивационных работ.

Обладая высокой устойчивостью, геосистемы могут выдерживать длительные и интенсивные нагрузки. Для них характерно активное формирование техногенных сукцессий, что, однако, не отменяет предусмотренного проектом плана рекультивации.

При территориальном анализе размещения основных карьерных разработок нерудного строительного сырья нами были выделены семь горнопромышленных ареалов: Жирновский, Себряковский, Камышинский, Фроловский, Донской, Дубовский, Волгоградский, в пределах которых и был выявлен уровень устойчивости к горнотехническому воздействию (рис. 2).

Рис. 2. Устойчивость горнопромышленных ареалов Волгоградской области к горнотехническому воздействию (составлено автором).

Итак, следует отметить, что из семи горнопромышленных ареалов Жирновский и Фроловский обладают высокой устойчивостью к воздействию горнодобывающей промышленности, остальные – средней, ареалов с низкой устойчивостью не выявлено.

Географически ареалы с более высокой степенью устойчивости к горнотехническому воздействию находятся в центральной части Волгоградской области и приурочены к Доно-Медведицкому валу. Эта территория отличается благоприятными физико-географическими условиями, следовательно, именно природный фактор доминирует в определении уровня устойчивости Жирновского, Фроловского и Донского ареалов.

При движении на восток в сторону Приволжской моноклинали, с усложнением природных условий возрастает роль техногенного фактора, что проявляется в Камышинском, Дубовском и Волгоградском ареалах.

3. Методика оценки геоэкологической ситуации в местах добычи нерудных полезных ископаемых проводится на основе выявления стадии развития горнопромышленного ландшафта и масштабов распространении зон влияния на природные геосистемы.

При выборе критериев определяющих остроту геоэкологической ситуации необходимо принимать во внимание следующие особенности разработки месторождений минерально-строительного сырья:

1. Полезная толща имеет небольшую мощность, в среднем от 10 до 30 м, поэтому карьерные разработки ведутся не вглубь, а вширь, карьеры представляют собой сплюснутые чаши.

2. Поскольку добыча осуществляется с небольших глубин, отсутствует загрязнение тяжелыми металлами. Загрязнение природной среды происходит при дальнейшей переработке и выпуске готовой продукции (цемента, строительных смесей, кирпичей и т.д.). Отмечается загрязнение изымаемым сырьем (запыление), при работе карьерного транспорта, в результате буровзрывных работ, при отгрузке.

3. Повсеместное широкое распространение осадочных пород оказывает влияние на географический рисунок распространения карьеров: карьеры располагаются небольшими группировками, занимая определенный ареал, и реже разбросаны точечно по территории.

4. Характер и масштаб проявления активизированных добычей инженерно-геологических процессов и явлений зависит от способа и методов разработки, соблюдения основных требований при проектировании карьера (например, расчет угла наклона устойчивости бортов и отвалов карьера), а также вида добываемого сырья.

5. Поскольку вскрышные породы представлены в основном почвеннорастительным слоем, четвертичными супесями и суглинками, и реже глинами, имеют мощность от 0 до 30 м часто осуществляется их переэкскавация в отработанное простанство карьера с образованием внутренних отвалов. Внешние отвалы располагаются вблизи карьерной выемки, отличаются небольшой высотой (5-30 м), имеют слабохолмистую выположенную (песчаные карьеры), конусообразную либо мелкобугристую (известняковые карьеры) поверхность.

Исходя из перечисленных особенностей, для определения остроты геоэкологической ситуации, в горнопромышленных ареалах, необходимо учитывать следующие критерии:

1. Стадия развития горнопромышленного ландшафта характеризует соотношение роли природного и техногенного фактора в функционировании геосистем. Увеличение роли природного фактора начинается с прекращения добычных работ, при консервации, оценивается более высоким баллом, доминирование техногенного фактора при интенсивных работах соответственно оценивается более низким баллом.

2. Вид добываемого сырья. От свойств добычных пород зависит метод добычи, сопутствующие инженерно-геологические процессы, возможность биологической рекультивации. Более легкие условия добычи и породы пригодные для биологической рекультивации оцениваются более высоким баллом.

3. Зона техногенной экзарации соответствует площади карьерной выработки (рассчитана автором при дешифрировании космоснимков).

4. Зона техногенной аккумуляции, соответствующая площади отвалообразования в границах земельного отвода (рассчитана автором при дешифрировании космоснимков).

5. Зона гидрогеологического влияния соответствует площади изменения гидрогеологических условий (по данным Волгограднедра).

Этапы проведения методики оценки геоэкологической ситуации и их математическая обработка те же, что и при расчете устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию.

Этап 1. Ранжирование критериев по убыванию уровня значимости (табл.6).

Таблица Ранжирование критериев остроты геоэкологической ситуации Критерии Вес, n 1 Стадия развития горнопромышленного ландшафта Вид добываемого сырья Зона техногенной экзарации Зона техногенной аккумуляции Зона гидрогеологического влияния Этап 2. Определение границ критериев. В зависимости от качества, степени проявления в регионе исследования ему присваивается низкий, средний или высокий уровень (табл. 7).

Таблица Определение границ критериев остроты геоэкологической ситуации № Критерии Границы уровней п/п низкий средний высокий 1 2 3 4 1. Стадия развития гор- стадия ланд- стадия горнопро- стадия технонопромышленного шафтно- мышленного ланд- генных сукцесландшафта техногенного шафта сий комплекса 2. Вид добываемого известняк, мел песок, супесь глина сырья 3. Зона техногенной более 50 га 50-10 га менее 10 га экзарации 4. Зона техногенной более 50 га 50-10 га менее 10 га аккумуляции 5. Зона гидрогеологиче- более 2000 м до 2000 м не выделяется ского влияния Этап 3. Определение баллов (табл. 8). Для расчёта, как и в предыдущей методике, удобно использовать правило Фишберна:

2(N n 1) Ki N(N 1) где Ki максимальный балл для i-го критерия; n – вес критерия;

N – общее количество критериев.

Таблица Определение баллов критериев остроты геоэкологической ситуации Критерии Вес, Значимость по критерию Балл n Фишберна (Кi) (гр.3*100) 1 2 3 Стадия развития горнопромышлен- 1 0,33 ного ландшафта Вид добываемого сырья 2 0,27 Зона техногенной экзарации 3 0,2 Зона техногенной аккумуляции 4 0,13 Зона гидрогеологического влияния 5 0,07 Итого 1 1Этап 4. Распределение баллов по уровням (табл. 9):

а) в высокий уровень ставится максимальный балл критерия, рассчитанный по критерию Фишберна;

б) для низкого уровня присваивается максимальный балл, деленный на три (количество уровней);

в) находим величину d – шаг, по формуле:

d= (балл высокого уровня – балл низкого уровня)/ Таким образом, балл среднего уровня равен баллу нижнего, увеличенного на шаг. Расчет показателей проводится для каждого карьера.

Таблица Распределение баллов критериев остроты геоэкологической ситуации по уровням № Уровни Критерии п/п низкий средний высокий 1 2 3 4 1 Стадия развития горнопромышленного ланд- 11 22 шафта 2 Вид добываемого сырья 9 18 3 Зона техногенной экзарации 6,7 13,4 4 Зона техногенной аккумуляции 4,3 8,6 5 Зона гидрогеологического влияния 2,3 4,6 Итого 33,3 66,6 1Этап 5. Преобразование числовых данных в выводы. Математическая основа методики построена таким образом, что максимально возможный суммарный балл по всем показателям равен 100, минимально возможный балл составляет 33,3. Для получения числовых интервалов уровней интегральной оценки найдем множество интервала по формуле:

d1 = (максимальный балл – минимальный балл)/ 3(количество интервалов)=(100-33,3)/3=22,2.

Верхняя граница низкого уровня равна минимальному уровню, увеличенному на d1. Нижняя граница среднего уровня на 0,1 выше верхнего значения низкого уровня, а верхняя граница среднего уровня получается при увеличении нижнего на d1 и т.д. Удовлетворительной геоэкологической ситуации соответствуют баллы от 77,8 до 100, конфликтной – 55,6-77,7,напряженной – 33,3-55,5.

Поскольку острота геоэкологической ситуации определяется территориальным сочетанием геоэкологических проблем, вызванных открытой добычей, их интенсивностью, то напряженность ее возрастает с распространением нарушений на все природные компоненты.

Удовлетворительная геоэкологическая ситуация характеризуется прекращением горных работ или незначительными нарушениями геосреды.

Вскрышные породы пригодны к биологической рекультивации (четвертичные суглинки, супесь). В карьерно-отвальных комплексах устанавливается стадия техногенных сукцессий, восстанавливается биота, замедляются геодинамические процессы.

При конфликтной ситуации горнотехническое воздействие продолжается, увеличиваются размеры выработки, уничтожается растительный покров, гидрогеологические условия при этом затрагиваются незначительно или вовсе не нарушаются. Вскрышные породы малопригодные к биологической рекультивации (пески) влияют на медленное протекание техногенных сукцессии.

Напряженная ситуация имеет место в том случае, когда горными разработками затрагиваются все компоненты геосистемы: литогенная основа, гидрогеологические условия, атмосфера, биота. Этот тип ситуации характерен для самых крупных карьерно-отвальных комплексов. Как правило, вскрышные породы в них малопригодные или непригодные (известняк, песчаник) к биологической рекультивации, что усложняет условия восстановления природных функций, требуется комплексная реставрация ландшафта.

Таким образом, из 40 рассмотренных карьерно-отвальных комплексов удовлетворительная геоэкологическая ситуация сложилась в 8-ми, напряженная – в 8-ми, большая часть комплексов – 24 – характеризуется конфликтной геоэкологической ситуаций (рис. 3). Удовлетворительная ситуация выявлена в разрабатываемых небольших глиняных карьерах и законсервированных песчаных, которые находятся на стадии техногенных сукцессий. Конфликтная геоэкологическая ситуация проявляется в эксплуатируемых средних по размерам карьерно-отвальных комплексах, где разработки ведутся в течение 30 и менее лет, а также более крупных законсервированных (например, Шуруповский), где велики площади нарушения природных компонентов и медленно идет восстановление. Для крупных карьерно-отвальных комплексов, разрабатываемых на протяжении около 50 лет, площадью белее 50 га, с глубинами выработок более 30 м, где нарушены гидрогеологические условия, характерна напряженная геоэкологическая ситуация.

Рис. 3. Геоэкологическая ситуация, сложившаяся в местах добычи минерально-строительного сырья.

Если судить об интенсивности горнотехнической нагрузки по суммарной площади занятой карьерно-отвальными комплексами и наличию комплексов с самой острой напряженной геоэкологической ситуацией, то при территориальном анализе, очевидно, что наибольшей горнотехнической нагрузкой отличаются Себряковский, Фроловский ареалы и район Арчединско-Донских песков, приуроченные к Арчединско-Донской вершине Доно-Медведицкого вала.

Жирновский, Дубовский и Камышинский ареалы, приуроченные к ИловлинскоМедведицкой вершине Доно-Медведицкого вала и Приволжской моноклинали, соответственно, испытывают меньшую горнотехническую нагрузку. Что же касается Волгоградского ареала, то его следует выделить отдельно. С одной стороны здесь находятся карьерно-отвальные комплексы с напряженной геоэкологической ситуацией, с другой – сосредоточено наибольшее количество с удовлетворительной. По площади, занятой открытыми горными разработками, он занимает второе место, после Себряковского.

4. Результаты геоэкологической оценки нерудных карьерноотвальных комплексов на основе выявления степени конфликтности природного и техногенного блоков в геосистеме позволяют оценить соразмерность создаваемой горнотехнической нагрузки возможностям системы к восстановлению и выработать управленческие решения по оптимизации горнопромышленных ландшафтов.

Геоэкологическая оценка состояния геосистем, находящихся в зоне воздействия горнодобывающей промышленности реализуется с помощью следующей матрицы (рис. 4), где проводится сопоставление уровней устойчивости к горнотехническому воздействию с остротой геоэкологической ситуации.

Устойчивость Острота геоэкологической сик воздействию туации горнодобы- Удовле- КонНапрявающей про- твори- фликтженная мышленности тельная ная Высокая 1 1 Средняя 1 2 Низкая 2 3 Рис. 4. Матрица геоэкологической оценки состояния геосистем, находящихся в зоне воздействия горнодобывающей промышленности.

Степень конфликтности: 1. Неострая, 2. Критическая, 3. Острая.

Предлагаемая методика геоэкологической оценки выявляет три степени конфликтности между природным и техногенным блоками геосистем.

1. Неострая степень характеризуется тем, что предел устойчивости геосистемы еще не достигнут, сохраняется функционирование и способность восстанавливаться после техногенного воздействия. Отдельные рекультивационные работы будут эффективны.

2. Критическая. Предел устойчивости достигнут, способность системы к восстановлению полностью задействована. Увеличение горнотехнической нагрузки нежелательно, так как это приведет к обострению конфликтности. Необходимо проводить активные мероприятия по восстановлению природных компонентов параллельно разработкам и по их завершению.

3. Острая. Порог устойчивости геосистемы превышен, горнотехническая нагрузка неадекватна возможностям системы. Функционирование и саморегуляция нарушены. Возможны необратимые изменения. Требуется снизить уровень горнотехнического воздействия и принять комплексные природоохранные меры по восстановлению ландшафта.

Устойчивость геосистем, в пределах которых ведется добыча минерально-строительного сырья, к горнотехническому воздействию оказывает влияние на степень конфликтности природного и техногенного блоков в системе. В условиях высокой устойчивости степень конфликтности на один уровень ниже, чем при средней. Например, в Жирновском ареале, обладающем высокой устойчивостью к горнотехнической нагрузке, расположены известняковые карьеры, в которых диагностирована конфликтная геоэкологическая ситуации, однако степень конфликтности природного и техногенного блока неострая. При средней устойчивости степень конфликтности напрямую зависит от остроты геоэкологической ситуации: удовлетворительная геоэкологическая ситуация соответствует неострой степени конфликтности, конфликтная – критической, напряженная – острой. Несмотря на то, что среди рассмотренных ареалов по добыче минерально-строительного сырья отсутствуют геосистемы с низкой устойчивостью к горнотехническому воздействию можно предположить, что в этих условиях степень конфликтности будет обостряться и даже при удовлетворительной геоэкологической ситуации степенью конфликтности будет критической.

ВЫВОДЫ Результаты диссертационного исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. В ходе проведенного анализа ресурсной базы нерудных строительных материалов было установлено, что большая часть месторождений относится к нераспределенному фонду недр и является резервной. Ежегодно разрабатываются 40-50 месторождений, из которых 60% приходится на пески различного назначения. Говоря о динамике добычи за последние 20 лет, приходится констатировать ее спад, прежде всего за счет снижения добычи песчаника и известняка.

Таким образом, рассматриваемый период характеризуется снижением горнотехнической нагрузки на природные системы.

2. Ведущим фактором формирования геогорнотехнических систем является геологическое строение месторождений. В зависимости от него выбирается система вскрытия месторождений, отработка полезных толщ, что и определяет морфологию карьерно-отвальных комплексов. При длительной разработке крупных месторождений известняка формируются сопряженные и смешенные карьерно-отвальные комплексы, в которых отвальная часть занимает более 60% площади всего комплекса. Зона влияния выходит за пределы карьеров на 500800 м. При разработке крупных месторождений песка отвальная и карьерная части по площади равнозначны. Для мелких песчаных карьеров из-за небольшой мощности вскрышных пород свойственна редукция отвалов.

3. Устойчивость геосистем, в пределах которых ведется добыча минерально-строительного сырья, к горнотехническому воздействию определяется сочетанием природных и природно-антропогенных факторов. В более благоприятных природных условиях для формирования растительного покрова, где замедлены эрозионные процессы, природный фактор смягчает негативные последствия горнотехнического воздействия. И, наоборот, с усложнением природных условий роль техногенного фактора в определении уровня устойчивости возрастает. Эта закономерность выявляется при территориальном анализе горнопромышленных ареалов с разной степенью устойчивости. Ареалы, обладающие высокой устойчивостью к горнотехническому воздействию (Жирновский и Фроловский) находятся в центральной части Волгоградской области, соответствующей Доно-Медведицкому валу, в более благоприятных геоморфологических, климатических, эдафических и биотических условиях, чем ареалы Приволжской моноклинали, обладающие средней устойчивостью.

4. Среди рассмотренных карьерно-отвальных комплексов выделены три степени остроты геоэкологической ситуации. В небольших разрабатываемых и законсервированных карьерах установлена удовлетворительная геоэкологическая ситуация. В средних по размерам карьерно-отвальных комплексах, где разработки ведутся в течение 30 и менее лет, и законсервированных, где велики площади нарушения природных компонентов регистрируется конфликтная геоэкологическая ситуация. Для крупных карьерно-отвальных комплексов, разрабатываемых на протяжении 50 лет и более, площадью белее 50 га, с глубинами выработок более 30 м, нарушенными гидрогеологическими условиями, характерна напряженная геоэкологическая ситуация. Острая степень конфликтности выявлена только в 5-ти случаях, это говорит о том, что на сегодняшний день общая геоэкологическая ситуация, обусловленная открытыми горными выработками в Волгоградской области не критическая.

Геоэкологическая оценка геосистем, находящихся в зоне воздействия горнодобывающей промышленности проходит в три этапа: 1) оценка устойчивости геосистем к горнотехническому воздействию, 2) выявление остроты геоэкологической ситуации в местах добычи минерально-строительного сырья, 3) определение степени конфликтности между природным и техногенным блоками геосистем, находящихся в зоне влияния добывающей промышленности. Полученные данные позволяют делать выводы о рациональности природопользования – насколько адекватна создаваемая горнотехническая нагрузка возможности геосистем к самовосстановлению, превышает ли она порог устойчивости.

5. Состояние рекультивации земель, нарушенных открытыми горными выработками, в Волгоградской области неудовлетворительное. В горнотехническом этапе рекультивации в основном реализуется частичная планировка днища и селективная отработка вскрышных пород. Что касается бортов, то уклон поверхности часто соответствует углу естественного откоса (НовоГригорьевский карьер, Арчединский, Разгуляевский – лишь немногие примеры.) Среди исследованных карьеров нет ни одного, где была бы проведена полная планировка поверхности. Главным недостатком проводимых рекультивационных мероприятий является отсутствие комплексного подхода в реставрации горнопромышленного ландшафта.

Список публикаций по теме диссертации 1. Дьяченко Н.П., Хаванская Н.М. Геоэкологическая оценка добычи песчаного материала (на примере песчаных карьеров Волгоградской области) // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Серия естественные науки. – 2011. – № 2. – С. 81-86.

2. Хаванская Н.М. Методические подходы к оценке устойчивости геосистем к воздействию добывающей промышленности // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 3. Экономика и экология.

– 2011. – № 1 (18). – C. 254-257.

3. Пряхин С.И., Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Геоэкологические последствия добычи минерально-строительного сырья в пределах Волгоградской области // Состояние и проблемы природной и социально-экономической среды регионов Украины и сопредельных стран: сб. науч. статей / под ред. Ю.О. Киселева. – Луганск: Альма-матер, 2006. – С. 57-58.

4. Брылев В.А., Дьяченко Н.П., Пряхин С.И., Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Крупнейшие карьеры Волгоградской области и их геоэкологическое состояние // Известия Волгоградского государственного педагогического университета. Серия естественные и физико-математические науки. – 2007. – № 6 (24).

– С. 69-75.

5. Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Территориальный анализ распространения нерудных полезных ископаемых Волгоградской области // Вопросы краеведения: материалы краеведческих чтений. – Волгоград: Панорама, 2007. – Вып. 10. – С. 362-364.

6. Брылев В.А., Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Типизация месторождений твердых полезных ископаемых по степени воздействия на окружающую среду // Эколого-экономические аспекты развития региона: материалы круглого стола. – Волгоград: Издательство ВолГУ, 2007. – С. 60-63.

7. Дьяченко Н.П., Серегина Н.М. (Н.М. Хаванская). История исследования техногенного рельефообразования на территории Волгоградской области // Материалы XXX Пленума Геоморфологической комиссии РАН. – СанктПетербург, 2008. – С. 123.

8.Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Геоэкологическое состояние карьеров по добыче минерально-строительного сырья в пределах г. Волгограда // ХII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. – Волгоград: Перемена, 2008. – С. 188-192.

9. Мелихова Е.В., Серегина Н.М. (Н.М. Хаванская). Месторождения полезных ископаемых Приволжской возвышенности и их современное состояние // Экологические и экономические составляющие устойчивого развития региона: материалы круглого стола.– Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2008. – С. 80-85.

10. Серегина Н.М. (Хаванская Н.М). Характеристика геоэкологической ситуации на некоторых карьерах Волгоградской области // Вопросы краеведения: материалы краеведческих чтений. – Волгоград: Панорама, 2008. – С. 9-12.

11. Мелихова Е.В., Серегина Н.М. (Н.М. Хаванская) Природный и техногенный морфогенез Волго-Донского междуречья // Стрежень. – 2009. – Вып. 7.

– С. 48-54.

12. Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.), Трофимова И.С. Геологогеоморфологические особенности разработок строительного и химического сырья Приволжской и Ергенинской возвышенностей в пределах Волгоградской области // Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация: материалы конференции. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. – Т. 1. – С.71-73.

13. Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Особенности распространения и последствия добычи некоторых видов минерально-строительного сырья Волгоградской области // ХIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. – Волгоград: Перемена, 2009. – С. 34-39.

14. Серегина Н.М. (Хаванская Н.М.). Характеристика карьерно-отвальных комплексов на примере Арчединских карьеров Волгоградской области // ХIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. – Волгоград: Перемена, 2010. – С. 40-45.

15. Клюшникова Н.М., Хаванская Н.М. Геоэкологическая оценка влияния добывающей промышленности на ландшафт на примере песчаных карьеров Волгоградской области // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: материалы VII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Днепропетровск: IMA-прес, 2010. – Вып. 7. – С. 140-141.

16. Хаванская Н.М. Применение функционального подхода при изучении геогорнотехнических систем // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: Материалы VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.– Днепропетровск: ГНПП Картография, 2011. – Вып. 8. – С. 153-154.

17. Хаванская Н.М. Геоэкологическая оценка разработки месторождений нерудных строительных материалов Волгоградской области // Экологические проблемы природных и антропогенных территорий: сб. науч. статей / под ред.

А.В. Дмитриева, Е.А. Синичкина. – Чебоксары: Новое время, 2011. – С. 126.

Работы №-№ 1, 2 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.