Инженерно-биологические работы на техногенных ландшафтах

Вопросы лекции:

1. Общее положение о рекультивации.

2. Классификация техногенных ландшафтов.

3. Взаимодействие нарушенных земель и растительных ценозов.

4. Основные направления и цели биологический рекультивации. Мероприятия по комплексному освоению нарушенных земель.

1.

В результате все усиливающейся многосторонней деятельности человека на планете происходит значительное изменение земель и ландшафтов. Земля, — важнейшая часть окружающей природной среды, характеризующаяся пространством, рельефом, климатом почвенным покровом, растительностью, недрами, водами, являющаяся главным средством производства в сельском и лесном хозяйстве, а также пространственным базисом для размещения предприятий и организаций всех отраслей народного хозяйства.

Техногенный ландшафт — антропогенный ландшафт, особенность формирования и структура которого обусловлены промышленной деятельностью.

Площадь техногенных ландшафтов постоянно сильно увеличивается, и как правило, происходит многостороннее негативное воздействие на окружающую среду: деформируется земная поверхность, нарушается почвенный покров, изменяются условия для растительного и животного мира и происходит перераспределение гидрологического режима местности, загрязнение атмосферы, земли и вод продуктами эрозии, ухудшается санитарно-гигиеническое состояние среды, снижается продуктивность прилегающих земель, затрудняется условия жизни людей, что отрицательно сказывается на их здоровье, производительности труда.

Рекультивация земель — комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. Б.П. Колесниковым и Л.В. Моторикой дается более емкое определение термина. По ним рекультивация земель — комплекс горнотехнических, инженерных, мелиоративных и экологических мероприятий, имеющих целью плановое создание и ускоренное формирование на площадях, испытавших воздействие техногенеза, оптимальных культурных ландшафтов с высокой продуктивностью, имеющих значительную социальную и хозяйственную ценность. Рекультивация земель осуществляется в три основных последовательно выполняемых этапа:

- подготовительный. В него входят исследовательские работы: обследование и типизация нарушенных территорий, изучение специфики условий на техногенных землях, определение направлений и целевого использования восстанавливаемых площадей, установление требований к последующим этапам, выбор методов, составление технико-экономических обоснований и технорабочих проектов по рекультивации;

- технический, включающий подготовку площадей для последующего целевого использования в народном хозяйстве. К нему относятся планировка, формирование откосов, снятие, транспортировка и нанесение почв и плодородных пород на рекультивируемые земли, строительство дорог, мелиоративных и гидротехнических сооружений и другие мероприятия, которые проводятся на основании разработанных на первом этапе проектов рекультивации;

- биологический, состоящий из мероприятий по восстановлению плодородия субстратов после технической рекультивации. Он включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных работ, направленных на возобновление флоры и фауны, целевое использование рекультивируемых территорий с целью повышения их производительности.

Наряду с этапностью работ различают направления или виды рекультивации, характеризующиеся своими специфическими приемами, зависящими от конечного, целевого использования территорий. Различают следующие направления рекультивации техногенных ландшафтов:

- сельскохозяйственное — создание сельскохозяйственных угодий;

- лесохозяйственное — то же лесных насаждений различного типа;

- рыбохозяйственное — создание в понижениях техногенного рельефа рыбоводческих водоемов;

- водохозяйственное — то же водоемов различного назначения;

- рекреационное — создание объектов отдыха;

- санитарно-гигиеническое — биологическая или техническая консервация нарушенных земель, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду, рекультивация которых для использования в народном хозяйстве экономически не эффективна;

- строительное — приведение нарушенных земель в состояние, пригодное для промышленного и гражданского строительства. Высокую эффективность биологического этапа рекультивации техногенных ландшафтов показала фито- и лесомелиорация. Но здесь еще полностью не решены вопросы научно-технического и организационного порядка, очень мало сведений об особенностях состояния, роста и развития лесных насаждений, о ведении лесного хозяйства в них, не разработана механизация лесомелиоративных работ, не изучены формирование природы лесных биогеоце­нозов, их адаптация, биологическая устойчивость, продуктивность и влияние на окружающую среду, экономическая оценка различных видов лесохозяйственной рекультивации и другие вопросы.

2.

Ландшафт, то же, что и пейзаж — изображение какой-либо местности. Различают три основных типа ландшафтов: географический (естественный, антропогенный и культурный). Каждый из них состоит из двух компонентов, которые подразделяются на зональный (климат, почва, растительность, животный мир) и азональный (геологическое строение и рельеф). По морфологическим признакам мелкие природные комплексы состоят из фаций и урочищ.

Существует ряд классификаций ландшафтов.

А.Г. Исаченко по воздействию со стороны человека подразделя­ет ландшафты на:

- неизменные или первобытные;

- слабо измененные;

- нарушенные (сильно измененные);

- преобразованные (культурные).

Ф.Н. Мильков по разным признакам классифицирует ландшафты следующим образом:

- по содержанию (сельскохозяйственные, лесные, водные, промышленные и селитебные комплексы);

– по глубине воздействия человека (антропогенные неоландшафты и измененные антропогенные ландшафты);

- по генезису (техногенные, подсечные, пашенные, пирогенные и пастбищно-дигрессионные);

- по целенаправленности возникновения (прямые и сопутствующие антропогенные);

- по длительности существования и степени саморегулирования (долговечные, многолетние (частично) и кратковременные регулируемые); - по хозяйственной ценности (культурные высокого класса и аккультурные низкого класса или деструктивные).

В Польше Е. Папрзиски подразделяет техногенные ландшафты на три группы: отвалы, выемки и другие виды, а для условий Англии С. Бевер — в виде возвышенных площадей с применением землевания и с выемками.

В России В.А. Овчинников — по форме рельефа (карьеры, траншеи, канавы, насыпи или дамбы, внешние и внутренние отвалы) для открытой и подземной разработки; В.В. Тарчевский выделяет семь категорий: по происхождению, возрасту, форме, высоте, мехсоставу, кислотности и утилизации.

Классификацияю нарушенных земель по техногенному рельефу ведется по четырем группам: при открытых и подземных горных работах; складировании промышленных, строительных и коммунально-бытовых отходов; при строительстве линейных сооружений. Последняя группа подразделяется на семь видов:

- группа нарушенных земель,

- характеристика нарушенных земель по форме рельефа,

- фактор, обуславливающий формирование рельефа,

- преобладающий элемент рельефа,

- глубина или высота относительно естественной поверхности,

- угол откоса уступов,

- возможное использование.

Техногенные земли представляют специфический объект для инженерно-биологической деятельности. Их можно классифицировать на следующие четыре вида — карьер, отвал, хвостохранилища и промышленные площадки.

При разработке месторождений глубинного типа формируется циркообразная форма карьера глубиной до нескольких сотен метров при площади в несколько квадратных километров. Вскрышные горные породы извлекаются и перемещаются из карьера различными способами.

Отвалы занимают значительные площади нарушенных земель. Они формируются различными способами: раздельным, валовым и селективным. При этом используются различные типы экскаваторов, гидро-, авто- и железнодорожный транспорт, а также консольный отвалообразователь.

Отвалы представлены различными горными породами и их техническими смесями в сложном сочетании, которые, как правило, различаются неоднородным гранулометрическим составом, химическими, физико-химическими свойствами, отсутствием или незначительным количеством питательных веществ.

По пригодности к биологическому освоению разделяются на четыре группы пород:

1-я группа — пригодные породы (плодородные почвы);

2-я группа — потенциально-плодородные почвы. Они имеют относительно благоприятные агрофизические свойства, при применении высокой агротехники на них можно возделывать не только многолетние травы и лесные культуры, но и более требовательные полевые сельскохозяйственные культуры;

3-я группа — малопригодные породы. Эти породы при залужении и облесении требуют высокой агротехники, применения различных мелиоративных средств и приемов, а для сельскохозяйственных нужд — раперекрытия породами 2-й группы и почвами общей мощностью 0,2-0,8 м;

4-я группа — непригодные породы. Фитотоксичные пески которые на горнотехническом этапе рекультивации должны быть перекрыты слоем пород второй и первой групп мощностью до 1,5-2,0 м.

Отходы переработки сырья складируются в хвостохранилищах, обычно размещающихся в оврагах и балках.

При биологической рекультивации техногенных земель учитывают вид горных пород, возраст, наличие процессов водной и ветровой эрозий, крутизну и экспозицию откосов, высоту отвалов, глубину карьеров, которые указаны с учетом видов нарушенных земель и слагающих их субстратами.

3.

Под воздействием хозяйственной деятельности человека и сил природы происходит нарушение земель в виде изменения их целостности и перемещения почвенного, напочвенного покрова и подстилающих горных пород, а также естественного режима грунтовых и поверхностных вод. Все эти нарушения сопровождаются во взаимосвязях между отдельными компонентами окружающей среды — самого факта появления нарушенных земель, процессов эрозии и дефляции. Нарушение земель сопровождается изменением природных ландшафтов с образованием положительных и отрицательных форм рельефа. Влияние их на различные компоненты окружающей среды многообразно и выходит далеко за пределы занимаемой ими территории.

Особое значение имеет взаимодействие нарушенных земель и растительных ценозов. В обоих случаях необходимо рассматривать как влияние нарушенных земель на растительные ценозы, так и обратное влияние ценозов на техногенные земли.

Нарушение земель сопровождается не только прямым уничтожением сельскохозяйственных, луговых и лесных природных ландшафтов, но их негативным влиянием на окружающую среду:

- образуется понижение уровня подземных вод в радиусе 1,5-15 км от производственного комплекса;

- на нарушенных землях наблюдается как пониженный, так и повышенный уровень воды;

- меняется химический состав подземных вод;

- загрязняется воздушный бассейн в радиусе 12-35 км (запыленность достигает 0,2-28,0 г/м³);

- снижается урожайность сельскохозяйственных культур и повышается их себестоимость;

- ухудшается состояние и состав лесов (увеличивается количество сухих и засыхающих деревьев и уменьшается число живых экземпляров, замедляется их прирост);

- повышается степень заболеваемости населения, снижается производительность труда.

Лесные ценозы природных ландшафтов в значительной мере страдая от последствии нарушения земель, в то же время ограничивают размеры негативного влияния этих последствий на окружающую природу. При отсутствии защитных лесонасаждений большая часть влаги, накопленная за зимний период, весной стекает в реки и не пополняет подземные воды. Наличие лесных насаждений различных ЗЛН в районе карьеров обеспечивает более равномерное распределение и накопление снега полях снежных запасов, благодаря чему не только увеличивается влажность верхних слоев почвы, но и пополняются запасы подземных вод. Защитные лесные полосы, снижая скорость ветра, смогут ограничить и размеры дефляции нарушенных земель. Для предупреждения дефляции и снижения ее размеров следует на территории сельхозугодий, прилегающих к нарушенным землям, создавать полностью законченные системы полезащитных лесных полос и, кроме того, вокруг отвалов и других видов нарушенных земель необходимо создать специальные защитные полосы, причем их посадку целесообразно начинать заблаговременно, чтобы с увеличением высоты отвалов одновременно повышалась и высота защитной полосы. Для большого снижения скорости ветра она должна быть плотной конструкции.

Значительная часть вскрышных горных пород разрабатываемых карьеров в той или иной степени пригодна в качестве субстрата для произрастания растительности, что является важным условием их биологической рекультивации. Необходимо отметить, что сильная щелочность одних и избыточная кислотность других пород, низкий уровень обеспеченности элементами питания в сочетании с неустойчивым увлажнением отвальных пород ограничивают ассортимент, а также снижают продуктивность культивируемых ценозов, их мелиоративный и хозяйственный эффект. В наибольшей степени распространению растений препятствует токсичность горных пород.

Она может появляться со временем при их выветривании в отвалах. Токсичность, вызванная различными причинами, является важнейшим фактором, влияющим на произрастание растений. Остальные свойства горных пород оказывают ограничивающее влияние на произрастание растительности, причем важнейшим ограничителем в каждом конкретном случае является фактор, находящийся в минимуме. Обычно вскрытые глубинные породы характеризуются низкими запасами микроэлементов, особенно азота.

Физические свойства горных пород (мехсостав, сложение, скважность, плотность, водные свойства и др.) определяются способом транспортировки и укладки в отвалы, периодом нахождения на дневной поверхности и в большей степени видом горных пород.

На нарушенных землях наблюдаются очень жесткие лесорастительные условия, поэтому для успешного произрастания растительности необходимо применять комплекс инженерно-биологических мероприятий. С их применением создаются относительно благоприятные условия, позволяющие формировать растительные ценозы.

4.

Биологическая рекультивация, включая инженерно-биологические мероприятия, делится на два основных вида; общего и профилактического назначения. Общая биологическая рекультивация техногенных ландшафтов осуществляется на отвалах, хвостохранилищах и промышленных площадках, которые сформированы и будут находиться на постоянно нарушенных землях.

Профилактическая биологическая рекультивация проводится на территориях нарушенных земель, которые находятся во временном пользовании. К ним следует отнести борта действующих карьеров, временные отвалы, откосы и участки формирующихся отвалов и хвостохранилищ, а также постоянные отвалы, представленные кварцитом крупных размеров.

Исходя из лесорастительных условий преобладающих горных пород, нецелесообразно на нарушенных землях создавать насаждения древесных пород следующих категорий:

- на откосах всех видов техногенных ландшафтов крутизной более 8-10 — только противоэрозионные насаждения;

- на поверхности и пологих склонах суглинистых и глинистых нарушенных земель при площади поверхности до 50 га насаждения общего хозяйственного назначения;

- на поверхности и пологих склонах суглинистых и глинистых техногенных земель при площади поверхности более 50 га — насаждения общего хозяйственного назначения или систему полезащитных лесных полос в случае их сельскохозяйственного освоения;

- при расположении техногенных земель в зоне городов и населенных пунктов — лесопарковые и парковые насаждения независимо от состава горных пород;

- в карьерах — только санитарно-гигиенические и озеленительные насаждения независимо от видов горных пород;

- на хвостохранилищах при обязательном проведении горнотехнической рекультивации (нанесение растительного слоя или относительно плодородных горных пород мощностью не менее 0,4 м) — противоэрозионные, санитарно-гигиенические и озеленительные насаждения;

- на участках с оползневыми явлениями проводят укрепление верхнего слоя;

- на промышленных площадках — озеленительные и санитарно-гигиенические насаждения.

Основными факторами, определяющими типы лесных культур, являются состав горных пород на нарушенных землях и назначение выращиваемых насаждений. На типы и технологию выращивания лесных культур оказывают влияние срок выветривания горных пород, элементы рельефа, а также общие условия — климатические, биологические особенности древесно-кустарниковых растений. Однако выбор основной породы и особенности выращивания лесных культур нужно осуществлять с учетом целевого назначения насаждений.

Посадка лесных насаждений на отвалах производится сеянцами, крупномерными саженцами. Для тополей, ив возможна посадка черенками. При высокой крутизне отвалов (40—50°), сильно расчлененном рельефе, возможен гидропосев семян, например, облепихи, акации белой, ольхи серой.

Высаживают лесные растения на отвалах весной и осенью. Весенняя посадка предпочтительна дня большинства пород. При этом лесокультурные работы следует начинать на 7-10 дней раньше по сравнению с началом работ на зональных почвах, поскольку грунт на отвалах подсыхает быстрее.

При рекультивации отвалов могут использоваться и низшие организмы. Так, водоросли способствуют связыванию атмосферного азота, закрепляют питательные вещества в почве, интенсифицируют почвообразовательные процессы на техногенных почвогрунтах, ослабляют эрозионные процессы, повышают аэрированность грунта. Это происходит как за счет связывания нитчатыми и зелеными водорослями частиц почвы непосредственно, так и при воздействии их органических выделений процесса жизнедеятельности. Применение альгофитомелиорации позволит в 5-10 раз снизить стоимость работ по рекультивации промышленных отвалов. Этот метод может применяться как самостоятельно так и в сочетании с другими инженерно-биологическими мероприятиями.

Применяемая технология заключается в выделении в природных условиях перспективных микроорганизмов, последующее их размножение в контролируемых условиях. Полученную суспензию наносят на отвалы гидроспособом так, чтобы поверхность увлажнялась на глубину до 1 см. В последующем на отвалах возможно, высевать травы или создавать лесные насаждения.

Посев трав, создание лесных культур осуществляется с учетом почвенно-климатических условий и целевого использования. Для озеленения крутых насыпных склонов применяется гидропосев. Для этого семена, удобрения, мульчирующие вещества смешиваются с клеющим веществом и водой в специальной емкости с мешалкой и распыляются на озеленяемую поверхность. Там, где из-за условий местности невозможно озеленение с помощью наземной техники можно производить гидропосев.