Методические подходы к оценке устойчивости геосистем к воздействию добывающей промышленности

Усиление антропогенного воздействия на природные комплексы, особенно при добыче полезных ископаемых, привело к необходимости проведения геоэкологической оценки последствий этого воздействия, одной из главных составляющих которой является определение устойчивости геосистем, находящихся в зоне функционирования геогорнотехничес-ких систем.

В теоретических и прикладных геоэкологических исследованиях понятию устойчивости уделено особое внимание. По мнению А.А. Чибилева, устойчивость (гомеостатичность, резистентность, стабильность) проявляется в способности ландшафтов и экосистем к саморегуляции после оказанного воздействия [6]. Как способность сохранять структуру населения и функционирование или восстанавливаться после антропогенного воздействия характеризует потенциал устойчивости ландшафта Б.И. Кочуров [2]. Согласно утверждению Н.Ф. Реймерса [4, с. 544], устойчивость экосистемы – это ее способность сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов.

Зная пределы устойчивости геосистем, можно обосновывать и устанавливать макси- мальные нагрузки на их исходное состояние, допускающие возможность их восстановления, реализовывать цели экологического нормирования, эколого-географического прогнозирования и экспертизы.

В эколого-географических исследованиях предлагаются различные методики по определению устойчивости геосистем как в целом к антропогенному воздействию, так и при воздействии отдельных антропогенных факторов, однако нет единой, универсальной. Этот факт говорит о важности и в то же время сложности и проблематичности определения устойчивости.

В Волгоградской области ежегодно разрабатывается от 40 до 50 месторождений минерально-строительного сырья, извлекаются миллионы тонн горных пород (песка, известняков, мела, глин). Открытый способ добычи наносит наибольший ущерб окружающей природной среде: коренным образом изменяется литогенная основа ландшафта, нарушается гидрогеологический режим, образуется депрессионная воронка, по бортам карьеров и поверхностям отвалов активизируются неблагоприятные инженерно-геологические процессы, уничтожается почвенно-растительный покров. Нарушаются процессы накопления вещества и энергии в ландшафте, происходит запыление атмосферы, и в итоге – исчерпание ресурсного потенциала. Поскольку карь- еры являются локальными объектами, уместно рассматривать воздействие на природную среду группы карьеров. Всего на территории области выделяются 7 ареалов концентрации объектов добывающей промышленности нерудных строительных материалов: Жирновс-кий, Камышинский, Себряковский, Арчедин-ский, Донской, Дубовский, Волгоградский.

Следует отметить, что оценка устойчивости геосистем к воздействию добывающей промышленности может быть осуществлена в двух направлениях: во-первых, при определении потенциальной устойчивости природных геосистем, во-вторых, при определении устойчивости преобразованных природно-антропогенных геосистем. Поскольку карьеры расположены на территориях активного хозяйственного освоения, исследование осуществлено в рамках второго направления.

Методической основой для выделения факторов устойчивости послужила общая методика, предложенная К.И. Лопатиным и С.А. Сладкопевцевым [3], адаптированная к региональным условиям. Такая методика должна обеспечивать достижение цели сравнительного анализа устойчивости разнокачественных геосистем и удовлетворять следующим критериям: доступность информации о значении факторов, учет природных и антропогенных факторов, простота в применении.

Среди природных факторов, влияющих на степень устойчивости геосистем к воздействию добывающей промышленности, были выделены следующие:

• 1.    Геологические характеристики, которые определяют прочность горных пород, следовательно, их устойчивость к разным видам выветривания. Показатель – качество поверхностных отложений. Демонстрирует вертикальные связи в геосистеме.

• 2.    Геоморфологические характеристики, влияющие на интенсивность проявления эрозионных процессов, а также направление миграции химических элементов в геосистеме, то есть поддерживающие механическую, физическую и химическую форму движения материи в круговороте веществ. Показатель – угол наклона территории. Характеризует вертикальные связи в геосистеме.

• 3.    Гидрогеологические характеристики. В добывающей промышленности влияют на

• 4.    Климатические условия. Воздействуют на формирование растительного покрова, его видовое разнообразие, жизненные формы, биопродуктивность, а также на интенсивность термического выветривания, водную и ветровую эрозию. Синтетическим показателем, определяющим баланс тепла и влаги в геосистеме, является гидротермический коэффициент [1], который и подлежит оценке.

• 5.    Эдафические условия. Характеризуют механические и химические свойства почв. Вместе с климатическими условиями влияют на скорость восстановления растительного покрова на территориях, подверженных антропогенному воздействию. Показатель – содержание гумуса в почвах [там же].

• 6.    Биотические условия. Показатель – первичная биологическая продуктивность геосистем.

масштабы разработки (глубину карьерной части, увеличение карьера вширь). Показатель – глубина залегания грунтовых вод.

К числу антропогенных факторов были отнесены:

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

• 2.    Экологический каркас территории, или соотношение площадей естественных и антропогенных составляющих. Характеризует функциональную структуру, степень антропогенной нагрузки и направление преимущественного использования территории. Показатель – площадь антропогенной составляющей геосистем.

Предлагаемая методика основывается на определении интегральной оценки устойчивости по комплексу выделенных показателей, осуществляемом в рамках шести последовательных этапов.

Этап 1. Ранжирование показателей по уровню значимости. На этом этапе для расстановки весов показателей по значимости используется метод анализа иерархий.

Этап 2. Определение границ показателей. В зависимости от качества, степени проявления показателя ему присваивается низкий, средний или высокий уровень.

Этап 3. Определение баллов. С помощью весов, найденных на первом этапе, определяется сумма баллов, приходящаяся на каждый из показателей. Для расчета удобно использовать правило Фишберна [5]:

K = 2(N - n +1) i    N (N +1) ’ где Ki – максимальный балл для i-го показателя;

n – вес показателя;

N – общее количество показателей.

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

Этап 4 . Распределение баллов по уровням осуществляется в три шага:

• а)    в высокий уровень ставится максимальный балл показателя, 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) / 2.

Таким образом, балл среднего уровня равен баллу нижнего, увеличенного на шаг.

Этап 5. Расчет баллов. Суммируем баллы по всем показателям, получая интегральную оценку, характеризующую уровень устойчивости геосистемы к воздействию добывающей промышленности.

Этап 6. Преобразование числовых данных в выводы. Методика построена таким образом, что:

• -    максимально возможный балл равен 100, минимально возможный балл составляет 33;

• -    суммы от 33 баллов до 55 характеризуют низкую устойчивость геосистем;

• -    интервалы от 55 до 77 свойственны для геосистем со средней устойчивостью;

• -    суммы баллов выше 77 свидетельствуют о высокой устойчивости.

При применении для выделенных ареалов концентрации добывающей промышлен- ности нерудных строительных материалов описанной методики были получены следующие результаты.

• 1.    Жирновский ареал характеризуется высокой устойчивостью. Это во многом объясняется характеристиками природных факторов, особенно ролью агроклиматических условий, способствующих быстрому восстановлению почвенно-растительного покрова. Тем не менее, при увеличении степени антропогенной нагрузки на геосистемы, при дальнейшем снижении почвенного плодородия, а также с учетом того факта, что на поверхность выходят непригодные для биологической рекультивации карбонатные породы, можно прогнозировать снижение устойчивости.

• 2.    Камышинский ареал. Устойчивость геосистем к воздействию добывающей промышленности средняя. Это объясняется усложнением природных условий: иссушением, снижением почвенного плодородия, выходом на поверхность песков. Увеличение антропогенной нагрузки нежелательно, так как природные условия не способствуют быстрому восстановлению природных комплексов.

• 3.    Себряковский ареал характеризуется средней устойчивостью, что объясняется высокой степенью хозяйственного освоения, расположения в пределах ареала крупнейшего карьерно-отвального комплекса области (Себряковский карьер).

• 4.    Арчединский ареал. По данным расчетов, устойчивость геосистем высокая. Это следствие влияния природных факторов, в первую очередь высокой биопродуктивности.

• 5.    Донской ареал. Устойчивость геосистем ареала к воздействию добывающей промышленности в районе Донской излучины интерпретируется как высокая, причем такая оценка складывается под действием природных факторов. В районе Арчединско-Донских песков устойчивость средняя, что объясняется природными условиями и говорит о хрупкости геосистем. При увеличении антропогенной нагрузки последствия могут быть катастрофичными, тем не менее пока неблагоприятные для хозяйственной деятельности условия способствуют сохранению этого уникального ландшафта.

• 6.    Дубовский ареал. Устойчивость геосистем интерпретируется как средняя. Учи-

  
  

  Н.М. Хаванская. Методические подходы к оценке устойчивости геосистем

  
  

• 7.    Волгоградский ареал. По результатам проведенного в соответствии с предлагаемой методикой исследования, геосистемы можно охарактеризовать как обладающие средней устойчивостью, однако по числовым значениям изученного показателя устойчивость приближается к низкой, что объясняется ухудшением качества природных условий и возрастанием антропогенной нагрузки.

тывая, что степень антропогенной нагрузки здесь несколько ниже, чем в рассмотренных выше ареалах, можно сделать вывод, что на это свойство геосистем решающее влияние оказывают природные факторы.

Геосистемы Волгоградской области, находящиеся в зоне воздействия геогорнотех-нических систем, обладают высокой и средней устойчивостью к воздействию добывающей промышленности, что в первую очередь определяется благоприятным сочетанием природных условий. Геосистемы, испытывающие интенсивную антропогенную нагрузку

(Волгоградский ареал), характеризуются устойчивостью, близкой к пограничному значению. Низкой устойчивости геосистем в рамках выделенных ареалов не установлено.