Оценка и предупреждение опасных проявлений эрозионных процессов при хозяйственном освоении криолитозоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий «Газпром ВНИИГАЗ»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

Оценка и предупреждение опасных проявлений эрозионных процессов при хозяйственном освоении криолитозоны

Специальность: 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

Унанян Константин Левонович

Москва - 2011



Работа выполнена в научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий «Газпром ВНИИГАЗ».

Научный руководитель: доктор географических наук Баранов Александр Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Груздева Людмила Петровна (Государственный университет по землеустройству)

кандидат географических наук, доцент Евдокимов Владимир Иванович (Московский Городской Педагогический университет)

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

Защита диссертации состоится 19 октября 2011 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 220.025.03 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству» по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, д. 15 (конференц-зал), тел.(499) 261-49-63, факс (499) 261-95-45.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного университета по землеустройству.

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105064, Москова, ул. Казакова, д. 15, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству», диссертационный совет.

Автореферат разослан и размещен на сайте www.guz.ru 2011 г.

Учёный секретарь к.г.н., доцент Соколова Т.А.



Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важных и нерешенных проблем, возникающих при хозяйственном освоении криолитозоны, является предотвращение развития опасных проявлений водноэрозионных процессов, обусловленных техногенными воздействиями на почвенно-растительный покров.

В процессе техногенного изменения структуры ландшафтов происходит перераспределение стока талых и дождевых вод. Стекая по склонам, они производят эрозионный размыв почвогрунта.

При этом, начальной стадией эрозионной деятельности является плоскостная и ручейковая эрозия, которая в дальнейшем трансформируется в овражную, представляющую серьезную угрозу инженерным сооружениям, находящимся вблизи очагов ее проявления. Для успешного предотвращения этих проявлений необходима разработка методической основы, позволяющей не только оценить, но и предотвратить опасные последствия эрозионной деятельности.

Однако, до настоящего времени, методики по расчету интенсивности плоскостной и ручейковой эрозии, учитывающей специфику природно-климатических условий Крайнего Севера не существовало.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы заключается в установлении закономерностей проявления плоскостного и ручейкового смыва в условиях Крайнего Севера и разработке методической основы, позволяющей определить его интенсивность и обосновать применение соответствующих противоэрозионных мероприятий.

В данной работе решались следующие задачи:

- выявление эрозионно-опасных склонов, на которых располагаются инженерные объекты и сооружения газодобывающего комплекса Бованенковского НГКМ;

- разработка методики расчета интенсивности ручейкового и плоскостного смыва и на ее основе составление расчетной компьютерной программы;

- проведение расчетов интенсивности плоскостного и ручейкового смыва и оценка ее опасности для выявленных инженерных объектов и сопоставление расчетных данных с экспериментальными, полученными с опытных полигонов на п-ове Ямал;

- оценка эффективности применения в условиях криолитозоны существующих противоэрозионных мероприятий.

Объект исследований. Водно-эрозионные процессы протекающие в условиях криолитозоны.

Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнен комплекс исследований, включающий оценку развития плоскостного и ручейкового смыва в условиях п-ова Ямал на основе материалов дешифрирования космоснимков, анализа топографических карт крупного масштаба с использованием геоинформационной системы ArcGIS 9.3, данных экспедиционных и стационарных исследований. В качестве объекта исследования выбрано Бованенковское нефтегазоконденсатное месторождение на п-ове Ямал, обладающее чертами большинства аналогичных объектов в криолитозоне.

Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что впервые для условий Крайнего Севера разработана методическая основа оценки и предупреждения развития плоскостного и ручейкового смыва при хозяйственном освоении территорий включающая в себя:

- оценку состояния почвенно-растительного покрова и степени техногенного воздействия на него;

- количественные методы расчета плоскостного и ручейкового смыва с учетом специфики многолетнемерзлых грунтов;

-методику оценки опасности проявления эрозионных процессов и их предупреждения (в зависимости от их интенсивности).

Таким образом, в диссертационной работе решена важная научная проблема -теоретическое и методическое обоснование оценки, прогноза и предупреждения плоскостной и ручейковой эрозии при хозяйственном освоении криолитозоны.

Основные защищаемые научные положения:

- классификация видов нарушений почвенно-растительного покрова, возникающих при освоении газовых месторождений Крайнего Севера, а также сопутствующих им процессов;

- закономерности развития эрозии почв в районах Крайнего Севера;

- практические рекомендации по расчету интенсивности плоскостной и ручейковой эрозии с учетом специфики многолетнемерзлых грунтов и техногенных воздействий;

- методика оценки опасности эрозии в условиях криолитозоны.

Практическое значение и реализация результатов исследований:

Выполненные автором научные исследования и научно-технические разработки рекомендованы к использованию научными и проектными организациями группы Газпром и могут быть использованы в дальнейшем при решении различных прикладных задач, связанных с освоением территорий криолитозоны. Материалы исследований, выполненных автором, использовались для разработки стандарта СТО «Газпром» «Количественные методы оценки устойчивости, опасности разрушения и обоснования мер инженерной защиты почвенно-растительного покрова и инженерных объектов на склонах в условиях активизации негативных склоновых процессов в районах освоения газовых месторождений Крайнего Севера». Все методические и технические разработки автора вошли в состав научно-технических отчетов ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в период с 2007 по 2010г.

Апробация и реализация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на общероссийских и международных конференциях, в том числе:

2-ая молодежная конференция «Проблемы освоения Западной Сибири» (Тюмень, 2007), Научно-практический семинар молодых ученых и специалистов ООО «ВНИИГАЗ» - «Развитие новых технологий в газовой промышленности» (Москва 2008), 19 Международная морская и полярная конференция ISOPE - 2009 (Япония, Осака, 2009);

Результаты диссертационной работы использовались при разработке СТО «Газпром» 2-1.19-199-2008 «Количественные методы оценки устойчивости, опасности разрушения и обоснования мер инженерной защиты почвенно-растительного покрова и инженерных объектов на склонах в условиях активизации негативных склоновых процессов в районах освоения газовых месторождений Крайнего Севера».

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 10 публикаций, в том числе: 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 научно-технических обзора, издана 1 монография, один стандарт ОАО «Газпром».

Личный вклад автора. Автором проведены экспериментальные работы по определению эрозионного размыва почв на экспериментальных полигонах Бованенковского НГКМ. Разработаны номограммы по определению исходных характеристик, необходимых для расчетов. Определены закономерности развития плоскостного и ручейкового смыва с учетом специфики многолетнемерзлых пород. Разработана методическая основа оценки и предупреждения интенсивности плоскостного и ручейкового смыва. На основе разработанной методики составлена компьютерная расчетная программа. Проведен расчет для объектов Бованенковского НГКМ и оценена эрозионная опасность. Предложен комплекс мероприятий по предупреждению эрозии.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю, начальнику лаборатории ООО «Газпром ВНИИГАЗ» д.г.н. А.В. Баранову за научное руководство и поддержку в процессе написания диссертации, а также д.г.н. профессору МГУ В.Я. Григорьеву за внимание и поддержку в работе над диссертацией, д.т.н. Э.Б. Бухгалтеру, к.т.н. О.Б. Наполову, к.г.н. Б.О. Будникову за поддержку в работе над диссертацией.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 4 глав, выводов и заключения, списка литературы из 146 наименований и 2 приложений. Содержит 181 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 23 таблиц.



Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются основная цель, задачи и методы исследования. Определяется научная новизна, практическая значимость работы.

1. Краткая физико-географическая характеристика п-ова Ямал

Полуостров Ямал расположен в северо-западной части Азиатского материка севернее полярного круга, омывается с запада и севера холодными водами Байдарацкой губы и Карского моря. Равнинность его территории определяют главные особенности его климата. Значительная протяженность полуострова с севера на юг (750 км) и с запада на восток (до 240 км) является причиной существенных различий в климатических условиях его отдельных районов (рис. 1).

Основными климатообразующими факторами являются неравномерность поступления солнечной радиации в течение года, неоднородность подстилающей поверхности в холодное и теплое время года и характер атмосферной циркуляции. Неравномерность поступления солнечной радиации обусловлена наличием полярного дня и ночи. Поскольку полуостров расположен севернее полярного круга (от 66°30' до 72°55' с.ш.), то продолжительность полярного дня колеблется от нескольких суток до трех месяцев, а полярной ночи -- от нескольких суток до двух с половиной месяцев. При движении с севера на юг полуострова величина суммарной радиации (сумма прямой и рассеянной) возрастает от 69 до 80 ккал/см² в год.

Этот район характеризуется продолжительной и холодной зимой с сильными ветрами и метелями, коротким и прохладным летом с длинным световым днем. В течение всего года велика облачность неба и относительная влажность воздуха. Осадки выпадают часто, но не интенсивные. Их количество превышает испарение. По мере продвижения с севера на юг годовое количество осадков увеличивается примерно от 230 до 400 мм. Больше всего их выпадает с мая по сентябрь (55 ч 65 %). Небольшое количество осадков на севере связано главным образом с незначительным влагосодержанием арктических воздушных масс. Годовое число дней с осадками в среднем составляет 150 ч 180. В целом за год преобладает циклоническое поле (227 дней).

Рисунок 1 - Полуостров Ямал. Изображение полученное с помощью системы Google Earth.

Время начала устойчивых морозов на Ямале совпадает со средней датой перехода суточной температуры воздуха ниже значения - 5 ч 6°С, а окончания -- с переходом средней суточной температуры выше уровня - 6 ч 7°С. Зима -- наиболее суровый и длительный сезон года, она начинается в конце первой -- начале второй декады октября, а заканчивается в середине третьей декады мая. Средние месячные температуры воздуха колеблются от -16 до -25 °С, а средние месячные скорости ветра от 7 до 9 м/с.

Весна в южной половине Ямала начинается с даты прекращения заморозков и практически совпадает с датами перехода средней суточной температуры воздуха через отметку 5°С, а в северной половине заморозки прекращаются при более низкой положительной температуре (2 ч 3°С). На юге полуострова весна заканчивается в конце первой декады июня, а на севере -- в конце июня. газодобывающий криолитозона ручейковый смыв

Продолжительность летнего периода составляет около 50 ч 70 дней. Июль на юге и август на севере полуострова - самые теплые месяцы в году. Однако в целом лето холодное, особенно в северной половине полуострова. Средняя температура воздуха здесь не превышает 7 ч 8°С. Абсолютный максимум температуры воздуха достигает 26 ч 27°С.

Осень на севере полуострова начинается в последней декаде августа, а на юге - в первой декаде сентября и заканчивается в первой - второй декаде октября. Продолжительность осеннего периода увеличивается при движении с юга на север от 35 до 50 дней.

Относительная влажность воздуха на всей территории Ямала высокая (70 ч 90 %) в течение всего года, что обусловлено низкими температурами воздуха и соседством холодных вод Карского моря.

Из-за низких температур и большой относительной влажности воздуха годовая величина испарения невелика: на севере Ямала она составляет около 150 мм, а на юге - 250 мм.

В геоморфологическом отношении полуостров Ямал является относительно плоской низменной аккумулятивной равниной. Абсолютная высота поверхности междуречий достигает 70 90 м на севере полуострова, 85 м на средних широтах и 90 100 м -- в южной части. Наибольшие высоты характерны для осевой зоны Ямала, простирающейся меридионально.

В целом рельеф Ямала довольно однообразен и представлен пологоволнистыми равнинами, в различной степени переработанными (в зависимости от возраста и подзоны) денудационными процессами. Основными трансформировавшими поверхность, унаследованную после регрессии моря, процессами следует считать новейшие тектонические подвижки, эрозионно-аккумулятивную деятельность и криогенные (экзогенные) процессы.

Ландшафты Ямала разделяются на две большие группы: 1) водораздельные, под которыми мы подразумеваем все поверхности с уровнем выше надпойменных террас; 2) ландшафты речных долин, включающих пойму и надпойменные террасы.

Полуостров Ямал целиком относится к области сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП).

Мощность толщи многолетнемерзлых пород на Ямале колеблется в широком диапазоне -- от 2 ч 5 м под лайдой Карского моря до 300 ч 400 м на возвышенной осевой части Ямала. Среднегодовая температура многолетнемерзлых пород изменяется от минус 8 -10°С на севере Ямала, в пределах арктических тундр, до минус 1°С -2°С на юге полуострова.

Почвы на п-ове Ямал подразделяются на две крупныхе (надтиповые) морфогенетических группы, определяющие основной фон почвенного покрова:

1. Почвы свободного дренажа, в которых избыточность осадков не ведет к переувлажнению почвенного профиля. К ним относятся почвы, развитые на неслоистых песчано-щебенчатых отложениях, не имеющие в профиле льдистой мерзлоты. К таким почвам относятся типы подбуров и альфе-гумусовых подзолов.

2. Почвы затрудненного дренажа, развитые на глинах, суглинках либо слоистых супесчано-суглинистых отложениях. Избыточные осадки вызывают переувлажнение почв, многолетняя мерзлота способствует переувлажнению почвенного профиля, формирует водный режим криогенного типа. К таким почвам относятся разные типы и подтипы глееземов и болотные почвы.

Глубина сезонного оттаивания составляет, в среднем, от 1,5 м для почв свободного дренажа и 40 см для почвы затрудненного дренажа.

В настоящее время, на основании данных геологоразведочных работ, выявлено, что п-ов Ямал является одной из основных территорий, на которой сосредоточено более 20% российских запасов природного газа. Большая часть запасов природного газа сосредоточена в пяти уникальных месторождениях: Бованенковском, Харасавэйском, Южно-Тамбейском, Крузенштерновском и Северо-Тамбейском.

Рис. 2 - Газовые и нефтегазоконденсатные месторождения п-ова Ямал

Полуостров Ямал полностью находится в зоне тундры. В настоящее время, растительный покров Ямала представляет собой молодое аллохтонное образование.

В сложении растительного покрова принимают участие печеночные и листостебельные мхи, лишайники и сосудистые растения. На Ямале на современном этапе выявлено 121 вид, 2 подвида, 22 разновидности и 11 форм печеночных мхов, около 220 видов листостебельных мхов. Флора сосудистых растений насчитывает 384 таксона (376 видов и 8 подвидов). Флора сосудистых растений Ямала является самой бедной из известных флор Арктики. Количество видов резко убывает при движении к северу - от 302 видов в южных, 247 видов в типичных до 165 видов в арктических тундрах. В растительном покрове Ямала практически отсутствуют деревья как жизненная форма, лишь на крайнем юге отмечены единичные массивы редколесий и отдельно стоящие деревья на склонах долин и речных терассах (лиственница, ель, береза). Крупные кустарники представлены ольховником и ивами, ограничивающими свое распространение южными тундрами. Существенную роль в растительном покрове подзоны южных тундр играют кустарнички. Однако по числу видов в целом во флоре и по доминированию в отдельных локальных флорах и сообществах преобладают травянистые многолетние виды.

Гидрографическая сеть Ямала хорошо развита. Недостаточная теплообеспеченность и избыточное увлажнение, затрудненный дренаж, равнинный рельеф с большим количеством впадин и западин способствуют развитию многочисленных озер и болот. На формирование речного стока расходуется большая часть атмосферных осадков. В целом территория отличается высокой влагонасыщенностью.

Характерная гидрологическая особенность - преобладание поверхностного стока, который в отдельные годы практически приближается к полному речному. Доля подземной составляющей в речном стоке чрезвычайно мала.

Все реки Ямала принадлежат бассейну Карского моря и относятся к двум водосборам. Реки западной половины Ямала несут свои воды в Байдарацкую губу или непосредственно в Карское море, а восточной части полуострова - впадают в Обскую губу. Самые большие реки - Юрибей (длина 450 км, площадь водосбора 9800 км²), Мордыяха (около 300 км, 8940 км²) и Харасавэй (300 км, 3510 км²). Реки типично равнинные. Большинство из них характеризуется средней извилистостью. Меандрируя, они медленно текут в широких заболоченных долинах, врезанных на глубину 10 40 м. Ширина долин больших рек изменяется в пределах от 200 300 м в истоках до 10 км и более в устьевых участках. Величины продольных уклонов незначительны.

Преобладание в течение года отрицательных температур воздуха влияет на продолжительность периода стока, особенно малых рек. В северных районах продолжительность стока составляет 3,5 4 мес., а в южных -- от 6 7 до 8 10 мес. на сравнительно больших реках. Низкие температуры воздуха обусловливают аккумуляцию большей части годового количества атмосферных осадков в виде снежного покрова, который служит основным источником питания рек. Среднегодовое количество осадков -- 250 350 мм. Сток во время весеннего половодья осуществляется почти полностью за счет талых снежных вод. Доля снежного питания в годовом стоке рек, текущих в самой северной части полуострова, составляет около 80 %, в центральной части Ямала -- около 70 %.

Дождевое питание рек значительно уступает снежному. Основные гидрологические сезоны - весеннее половодье, летне-осенний период и зимняя межень. После продолжительного холодного периода с полным или почти полным прекращением стока на реках наступает весеннее половодье с резким и интенсивным подъемом уровня воды. Во время половодья наблюдаются большие разливы рек. Резко активизируются эрозионные и русловые процессы, обусловленные тепловым и механическим воздействием талых вод на многолетнемерзлые дисперсные породы. Русловая термоэрозия возникает только в тех местах речных русел, где одновременно сказывается и тепловое и механическое воздействие текущей воды на мерзлые берега. После спада весеннего половодья наступает летне-осенний период, продолжающийся до конца сентября на малых реках и до середины октября - на средних и больших. Водность рек в этот период уменьшается, а объем стока составляет 20 30 % от годового.

Наиболее продолжительный и самый маловодный гидрологический сезон - зимняя межень, которая наступает после перехода температуры воздуха через 0°С и длится от 8,5 мес. в северных районах до 7 8 мес. в южных. Сток в зимнюю межень составляет 0,5 ч 2,0 % от годового.

Полуостров Ямал обладает большими ресурсами озерных вод, пригодных для бытовых и промышленных целей. Здесь насчитывается более 50 тыс. озер, но только 92 из них имеют площадь свыше 5 км². Основной источник питания озер, как и рек - талые воды; в меньшей степени питание осуществляется за счет дождей. Роль грунтовых вод в питании озер незначительна, и для большинства из них подземное питание наблюдается только в теплый период года.

Наиболее изученным в гидрологическом отношении районом п-ова Ямал является территория Бованенковского НГКМ. Бованенковское месторождение пересекают крупнейшие реки п-ова Ямал - р. Морды-Яха, Се-Яха, Надуй-Яха с площадями водосборов в устьях 8940 км2, 3550 км2, 2860 км2 соответственно, а также ряд более мелких рек р.Юмбыды-Яха, р.Хангалава-Яха, р.Нгури-Яха, р.Тесу-Се, р.Тюринто-Се. Их скорости течения в межень порядка 0,1 - 0,3 м/с. Наибольших значений, до 1,5 м/с, они достигают в период весеннего половодья.

Резюмируя вышесказанное видно, что п-ову Ямал присущи особые географо-геологические условия, однозначно предопределяющие интенсивное развитие опасных геологических процессов основными из которых являются водно-эрозионные.

2. Изученность опасных проявлений эрозионных процессов при хозяйственном освоении криолитозоны

Эрозия тундровых почвогрунтов, включающая все виды эрозии (плоскостную, бороздчатую и овражную), является одним из наиболее опасных деструктивных процессов, которым подвержены инженерные сооружения и объекты инфраструктуры месторождений углеводородов, расположенные на склонах тундровой зоны Севера России.

Развитие эрозионных процессов в ареале криолитозоны резко усилилось в последние десятилетия в связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий Крайнего Севера. Однако долгое время вплоть до середины XX века считалось, что размываемость мерзлых грунтов сопоставима с размываемостью скальных пород и поэтому эрозионные процессы в условиях многолетнемерзлых пород протекают крайне слабо.

Еще в начале ХХ века разрабатывались теоретические модели эрозии. Позднее по мере накопления данных наблюдений на стоковых площадках стали появляться эмпирические модели эрозии, которые первоначально рассматривали смыв почвы как некоторую функцию уклона и длины склона. Впоследствии уравнения такого рода были дополнены факторами, отражавшими влияние свойств почвы, осадков и растительности. Наиболее известной моделью такого типа является универсальное уравнение эрозии Wischmeier - Smith (Wischmeier, W. H., and D. D. Smith, Universal Soil Loss Equation, широко используемое для оценки интенсивности эрозии и проектирования противоэрозионных мер. Уравнение дважды перерабатывалось (Wischmeier, Smith, 1978; Renard et al., 1997), однако полученные при расчете результаты также не вполне отвечали требованиям практики проектирования почвозащитных мер.

По мнению многих авторов (В.Л. Суходровский, Н.Н. Бобровицкая, Г.А. Ларионов, В.Я. Григорьев и др.), основополагающими направлениями, при исследовании эрозии мерзлых пород, являются: теплофизическое, физико-механичесое, гидрологическое и геолого-географическое направления.

Суть теплофизического направления заключается в исследовании теплового воздействия водного потока на мерзлый грунт. До 1980 г. данное направление основывалось лишь на результатах самых общих наблюдений, не позволяющих количественно судить о данном процессе. В настоящее время процесс теплового разрушения многолетнемерзлых пород ММП водными потоками называется термоэрозией.

Различают четыре вида термоэрозии: плоскостную, мелкоручейковую, бороздчатую и овражную, причем первый вид можно рассматривать как начальную стадию последней.

В настоящее время термоэрозии посвящено более 200 опубликованных работ. Однако, ее механизм рассматривается лишь с позиций влияния состава, строения и свойств мерзлых грунтов на интенсивность протекания процесса при заданной кинетической энергии условных водных потоков. При этом часть исследователей отчетливо осознает сложный термогидромеханический характер взаимодействия водных потоков с мерзлым грунтом, но не рассматривает само взаимодействие в силу его сложности и отсутствия данных полевых наблюдений.

Определенный интерес представляет физико-механическое направление исследования эрозии, которое раскрывает роль гранулометрического и химико-минерального состава пород, криогенного строения, плотности, льдистости и других параметров мерзлого грунта, определяющих его размываемость, под которой понимается способность грунта к разрушению. Это направление достаточно полно рассмотрено в сборнике Д.Е. Ершова «Термоэрозия дисперсных пород» МГУ, 1982.

На стыке теплофизического и физико-механического направлений вызывают интерес работы ВНИИ-1 занимающихся экспериментальными исследованиями размыва льдонасыщенных горных пород в процессе золотодобычи, в которых оценивается теплообмен водного потока созданного размывающими установками с поверхностью многолетнее мерзлых пород.

Иной подход к изучению процесса водной эрозии рассматривается в гидрологическом направлении, учитывающем влияние гидравлических параметров стока на термоэозионный процесс. Большой вклад в развитие данного направления внесли работы Н.Н. Бобровицкая. Она рассматривает водноэрозионные процессы, развивающиеся во всех звеньях гидрографической сети, начиная от микоручейковой сети в приводораздельных частях склонов, малые, средние и крупные реки.

В геолого-георафическом направлении устанавливаются особенности закономерностей и количественных связей водно-эрозионного процесса со спецификой геологических, геоморфологических, климатических и почвенно-растительных условий.

Необходимо отметить, что при изучении эрозионных процессов особое значение имеют антропогенные факторы; накладываясь на природные, они в десятки и сотни раз увеличивают интенсивность эрозии. К антропогенным факторам в первую очередь относятся механические нарушения почвенно-растительного покрова.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных термоэрозии, на сегодняшний день остаются нерешенными многие геоэкологические проблемы связанные с оценкой эрозионных процессов при хозяйственном освоении криолитозоны.

В этой связи наиболее актуальной задачей, в области изучения эрозионных процессов, является определение плоскостной и ручейковой эрозии.

По мнению Н.И. Макавеева (1955) и ряда других исследователей, для объективной оценки интенсивности эрозионных процессов может служить анализ твердого стока, поскольку эрозионная деятельность временных водотоков по своему характеру соответствует работе выполняемой речными потоками. Поэтому все формулы для определения объема вынесенного материала основываются, как правило, на формулах речной гидравлики. Но сток со склонов во многом отличается от речного по скорости течения, шероховатости дна, составу и объему переносимого материала. По этой причине, используемые в расчетах данные со стоковых площадок не могут объективно отражать сложные сочетания различных природных и антропогенных факторов, влияющих на вынос твердого материала потоком, поскольку значительная часть продуктов эрозии аккумулируется на склонах, в различного рода понижениях рельефа и не выносится за пределы бассейна. Доля этих остающихся в пределах водосбора продуктов выноса может существенно влиять на окончательную оценку интенсивности эрозии.

Исследования этих процессов можно условно разделить на:

· разработку математических моделей для расчета и прогноза развития водно-эрозионных процессов;

· изучение динамики эрозионной деятельности на основе создания карт эрозионной активности;

· разработку методов оценки противоэрозионной стойкости почвогрунтов;

· создание эффективных противоэрозионных мероприятий;

· рекультивацию техногенно-нарушенных земель;

· мониторинг водно-эрозионных процессов на техногенно-нарушенных территориях.

В этой связи большого внимания заслуживает монография, посвященная изучению эрозионных процессов в условиях Крайнего Севера, по ред. А.Ю. Сидорчука и А.В. Баранова «Эрозионные процессы центрального Ямала» С.Пб. 1999 в которой проведен детальный и глубокий анализ природных условий центрального Ямала, факторов развития эрозионных процессов, форм проявления эрозионных процессов (овражная эрозия и термоэрозия), предложено моделирование факторов эрозии и эрозионных процессов в условиях техногенной нагрузки, а также защита от развития эрозионных процессов в условиях техногенной нагрузки.

3. Методологическая основа оценки опасности развития плоскостной и ручейковой эрозии на склонах представляющей угрозу инженерным объектам и сооружениям в районах газовых месторождений Крайнего Севера

В третьей главе освещены основные виды нарушений почвенно-растительного покрова, методология оценки опасности плоскостной и ручейковой эрозии и ее верификация.

Разнообразные техногенные воздействия в период строительства и эксплуатации инженерных объектов на месторождении, приводят к увеличению площади деградированной тундры. Нарушенные почвогрунты, лишенные растительного покрова и верхнего органогенного горизонта, характеризуются низкой противоэрозионной устойчивостью. Происходит изменение микрорельефа, характера снегоотложения, перераспределение дождевого и талого стока.

Создание перепадов высот при обустройстве месторождений углеводородов и возникновение отрицательных форм рельефа (карьеры, дорожные выемки, канавы, траншеи и т.п.) провоцируют активизацию водноэрозионных процессов, которые способствуют дальнейшей деградации почвенно-растительного покрова, изменению всей природной среды, авариям и повреждениям инженерных сооружений.

Сопротивляемость почв к антропогенным механическим воздействиям зависит от степени развития и нарушенности дернины или торфянистого горизонта. Удаление мохового покрова при сохранении торфяного горизонта не приводит к заметному повышению температуры почвогрунтов и глубины их протаивания; при удалении же торфяного слоя, в процессе техногенных воздействий, протаивание песков и суглинков значительно увеличивается, что также способствует эрозионной деятельности водных потоков.

Другим важным фактором, определяющим степень устойчивости почв к деградации в условиях криолитозоны, является наличие льда в почвенно-грунтовой толще: его тип, объем, строение и характер залегания. Высокая льдистость почв и грунтов, наличие различных форм подземного льда при механических нарушениях поверхности и изменении теплового режима способствуют более активному проявлению эрозионных процессов.

Для проектирования и назначения мер по предупреждению негативных последствий разнообразных воздействий на почвенно-растительный покров необходимо выявить основные виды воздействий и нарушений, степень нарушенности, а также характер и интенсивность сопутствующих им процессов.

В методологическом плане выделяется принципиальная разница между воздействиями и нарушениями. Под нарушениями понимаются качественные и количественные преобразования компонентов экосистем и, в частности, основного из них - почвенно-растительного покрова.

Для определения нарушенности почвенно-растительного покрова территорий выделяется четыре группы территорий по степени нарушения естественной структуры экосистем в порядке уменьшения:

I группа - практически полная трансформация структуры: поверхностные отложения удалены или перемещены, мезо- и микрорельеф полностью изменены, почвы и растительный покров уничтожены.

II группа - сильная трансформация структуры: поверхностные отложения не затронуты; мезо- и микрорельеф практически не изменены или частично спланированы; почвы не изменены или изменены незначительно; естественная растительность уничтожена полностью или частично.

III группа - слабое изменение структуры: периодическим воздействиям подвергается только растительность; возможно частичное изменение видового состава последней, незначительные изменения микрорельефа и характеристик почвенного покрова.

IV группа - фактически неизменная естественная структура. К этой группе относятся территории, непосредственно не затронутые хозяйственной деятельностью.

Следовательно, изучение техногенных воздействий и их последствий должно базироваться на анализе системы «воздействие-нарушение-процесс».

По хронологическим признакам, учитывающим временную динамику воздействий, их можно подразделить на импульсные, эпизодически повторяющиеся, периодически повторяющиеся и постоянные. По охвату территории нарушения подразделяются на: точечные, линейные, линейно-площадные и площадные.

На основе анализа материалов многолетних исследований состояния почвенно-растительного покрова районов хозяйственного освоения Крайнего Севера, с учетом этого подхода, автором разработана методическая основа определения степени опасности развития водно-эрозионных процессов (таблица 1, 2).

На начальном этапе определяется относительная опасность ручейковой эрозии по соотношениям интенсивности f или объема Q смыва почвогрунта после нарушения к фоновым значениям f_П/f_ф и Q_П/Q_ф, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели опасности эрозии нарушенных тундровых почв

Показатель	Уравнения
Соотношение интенсивности смыва до и после нарушения	,
	где VДРП - донная размывающая скорость для почвогрунта после его нарушения; КП - коэффициент, равный отношению донной скорости потока до и после нарушения.
Соотношение величин смыва до и после нарушения
	где qСП - расход стока после нарушения, м3/с; ТС - длительность стока до нарушения, с; ТСП - длительность стока после нарушения, с; B - ширина потока, м.

При Q_П/Q_ф ?1 нарушенный почвенно-растительный покров находится в устойчивом равновесном состоянии, опасность эрозии отсутствует и возможно его самовосстановление. Противоэрозионные меры не требуются.

При Q_П/Q_ф >1 состояние почвенно-растительного покрова неустойчиво, происходит эрозия и дальнейшая его деградация.

Далее используя таблицу Н.А. Шикулы, А.Г. Рожкова применяемую в настоящее время и уточненную нами для условий п-ова Ямал оцениваем количественные показатели опасности.



Таблица 2 - Шкала интенсивности эрозии почвогрунтов

Опасность эрозии почвогрунтов	Интенсивность потерь почвы, мм/год	Величина смыва почвогрунтов, т/га в год
Отсутствует	Меньше интенсивности почвообразования	Меньше допустимого смыва
Слабая	менее 0,5-1,0	менее 6-12
Средняя	1,0-2,0	12-24
Сильная	2,0-5,0	24-60
Очень сильная	более 5,0	более 60

Как видно из таблицы, основным показателем, по которому можно судить об опасности эрозионной деятельности, является интенсивность эрозии и годовой смыв почвогрунта.

Ниже приведен разработанный автором вариант расчетной схемы для определения интенсивности эрозионных процессов и величины смыва.

Для начала необходимо определить противоэрозионную стойкость почвогрунтов, составляющими которой являются величины неразмывающей и размывающей донных скоростей стекающего потока.

Величина донной неразмывающей скорости, рассчитывается по общеизвестному эмпирическому уравнению (Мирцхулава Ц.Е., 1980) с уточненными автором величиной средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов d и коэффициентом пульсаций для условий п-ова Ямал

(1)

где V_ДН - донная неразмывающая скорость потока, м/с;

m₂ - эмпирический коэффициент, учитывающий связывающее действие живых корней растений (диаметром менее 1мм). Также ее можно определить, используя разработанную автором номограмму (рисунок 3) зависимости коэффициента m₂ от содержания живых корней R_к диаметром менее 1 мм.

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

n' - коэффициент, учитывающий уровень пульсаций в потоке (2,3 при талом стоке и 4,0 при дождевом);

- плотность твердой фазы почвогрунта, т/м³;

_o - плотность воды, т/м³;

d - средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (частиц) грунта, м(агрегатов), слагающих дно водотоков, (мм). В случае отсутствия экспериментальных данных значения d для талых водонасыщенных тундровых почвогрунтов их устанавливают по гранулометрическому составу: супесь - 0,3 мм; легкий суглинок - 0,5 мм; средний суглинок - 1,5 мм; тяжелый суглинок - 3,0 мм; глина - 4,0 мм.;

Р - порозность агрегатов, доли единиц;

₁ - угол наклона русла потока, градусы. При значениях ₁< 150 величина COS₁ - Sin₁1;

- межагрегатное сцепление при динамическом воздействии потока, т/м².

Величину условной для почвогрунтов донной размывающей скорости (V_ДР) получаем из донной неразмывающей (V_ДР) скорости потока следующим, установленным Гончаровым В.Н. (1962), соотношением

(2)



Рис. 3 - Зависимость коэффициента m₂ от содержания живых корней R_к диаметром менее 1 мм

Определение величины донной размывающей скорости, возможно также по разработанной автором номограмме, приведенной на рис. 4 если известно содержание физической глины С_ФГ, %.

Рис. 4 - Номограмма для определения донной размывающей скорости V_ДР по плотности грунта _v и содержанию физической глины С_ФГ.

Для определения противоэрозионной стойкости верхнего слоя тундровых почвогрунтов с разной степенью задернения возможно использование количества растительных остатков R_p, (грамм / 100 см³), в поверхностном слое 0 5 см. Автором, для различных типов задернованных тундровых почвогрунтов плотностью менее 1,3 т/м³, экспериментально установлены значения V_Д, определяемые в зависимости от их гранулометрического состава и величины R_p (таблица 3).

Таблица 3 - Показатель противоэрозионной стойкости задернованных тундровых почвогрунтов

Гранулометрический состав почв и почвогрунтов	Величина VДР при разных значениях Rр
	0,00	2,00	2,50	3,00	3,50	4,00	4,50
Супесь и легкий суглинок	0,05	0,07	0,14	0,16	0,30	0,46	0,68
Средний суглинок	0,10	0,12	0,55	1,20	1,70	2,30	2,90
Тяжелый суглинок	0,14	0,21	0,63	1,10	1,80	2,50	3,20
Глина	0,16	0,22	0,59	0,94	1,50	2,00	2,50

Для количественной оценки интенсивности эрозии в размываемых малых и больших ручейках была использована общеизвестная формула, преобразованная автором для учета специфики криолитозоны f, тм^-1с^-1

(3)

где f₁ - интенсивность смыва при донной скорости V_Д=V_ДР, тм^-1с^-1; V_Д - донная скорость стекающего потока; n - показатель степени, равный: при V_Д/V_ДР 1 1,5; при V_Д/V_ДР >1 3,4 (при размыве) и 4,33 (при смыве).

Величина f₁, вычисляется по следующей эмпирической формуле:

(4)

где k - эмпирический коэффициент, уточненный автором для п-ова Ямал и равный 9,510^-6 и 15,010^-6 соответственно для ненасыщенных (при размыве) и насыщенных (при смыве) наносами потоков.

Донная скорость стекающего слоя воды в створе при плоскостном (мелкоструйном) поверхностном стоке с уточненными автором коэффициентами для условий п-ова Ямал, определяется по формуле

(5)

где J - тангенс угла наклона дна;

m₁ - коэффициент, учитывающий характер микрорельефа (ровный - m₁=1, слабовыраженный - m₁=2, сильновыраженный - m₁=3);

- коэффициент стока (значения приведены в таблице 3);

x - длина участка склона, м;

n_о - коэффициент шероховатости (по Манингу), установленный автором для п-ова Ямал при плоскостной и мелкоструйчатой эрозии n_о?0,02-0,04, при крупноручейковой (линейной) - n?0,08-0,12);

r - интенсивность дождя, м³/с, вычисляют по общеизвестной формуле (Григорьев В.Я., Сидорчук А.Ю., 1995)

(6)

где Т_Д - длительность дождя, сек. (определяется экспериментально или по данным ближайших метеостанций);

Формулу (3) применяют для определения показателей интенсивности ручейковой эрозии почвогрунтов при дождевом и талом стоке.

Далее расчитывается величина смыва почвогрунта.

При плоскостной (мелкоструйчатой) дождевой эрозии тундровых почвогрунтов, величина смыва Q_СМ, т/га, вычисляется по общеизвестной формуле

(7)

где _v - плотность сложения почвы, т/м³;

- частота пульсаций донной скорости, 1/с ( 10);

n₁ - показатель степени, равный 3;

Т₀ - длительность дождя до стока, сек (определяется экспериментально).

Далее, зная интенсивность эрозии либо величину смыва, согласно таблицы 1 (шкалы опасности эрозии почвогрунтов) оценивается степень опасности эрозии.

Согласно вышеизложенной расчетной схемы для 20 участков, с наиболее репрезентативными объектами Бованенковского НГКМ, выбранных на основе генеральной схемы обустройства БНГКМ (рис. 5), был выполнен расчет величины смыва почвогрунта.

Рис. 5 - Фрагмент карты с нанесенным на нее кустом скважины 15-Н

В процессе расчета использовались метеорологические данные 3-х наиболее репрезентативных лет 2006-2008гг. Были определены величины смыва почвогрунта (таблица 4).



Таблица 4 - Сводные данные по величинам смыва почвогрунта Q_СМ, тонн/га за 2003, 2007, 2009 гг.

Объект	2003 год	2007 год	2009 год
1. Газопровод вблизи куста скважин К-18	133,80	39,48	204,85
2. Газопровод вблизи куста скважин К-11	111,30	32,84	170,23
3. Газопровод вблизи куста скважин К-16	107,99	31,86	165,13
4. Газопровод вблизи куста скважин 08-H	92,33	27,24	141,21
5. Газопровод вблизи куста скважин K-07-H	0	0	0
6. Куст скважин К-26	95,36	28,14	145,85
7. Газопровод вблизи куста скважин К-42	84,04	24,80	128,54
8. Куст скважин К-63	0	0	0
9. Газопровод вблизи куста скважин К-63	130,82	38,60	200,08
10. Объект 10-Н	147,18	43,43	225,11
11. Газопровод вблизи 10-Н	132,40	39,06	202,50
12. Газопровод вблизи Н-12	14,47	4,27	22,13
13. Куст скважин Н-12	67,48	19,91	103,20
14. Куст скважин Н-15	26,30	7,76	40,23
15. Газопровод вблизи куста скважин К-57	42,48	12,53	64,97
16. Газопровод вблизи куста скважин К-36	41,55	12,06	63,55
17. Куст скважин К-02-Н	109,38	32,27	167,29
18. Куст скважин К-02-Н	8,68	2,56	13,27
19. Куст скважин К-68	0	0	0
20. Инженерные сооружения КЭХ	49,08	14,48	75,07

Далее была оценена опасность расположения объектов.

Таким образом, можно сделать вывод, что для большинства объектов величина смыва почвогрунта достаточно велика (фото 1) и возникает необходимость применения соответствующих противоэрозионных мероприятий, более подробно освещенных в главе 4.

Фото 1 - Размыв основания электростанции собственных нужд Бованенковского НГКМ. Данный размыв произошел в результате отсутствия противоэрозионных мероприятий.

Полученные результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными автором с опытных полигонов вблизи комплексного энергетического хозяйства КЭХ Бованенковского НГКМ.

Средняя величина смыва почвогрунта с поверхности за год оказалась сопоставима с расчетной 48,2 тонн/га.

Исходя из этого можно с уверенностью судить об адекватности разработанной методической основы и правильности выполненного расчета.

4. Рекомендации по предупреждению развития водноэрозионных процессов на осваиваемых территория месторождений углеводородов Крайнего Севера

При проектировании сооружений и составлению мероприятий инженерной защиты следует соблюдать требования по вопросам охраны природы, использованию природных ресурсов, содержащиеся в Законах РФ, а также в нормативных документах, действующих на момент начала проектирования и строительства.

Предложенные в диссертационной работе методы оценки опасности эрозии позволили автору практически оценить основные принципы инженерной защиты территорий освоения.

Предложенные противоэрозионные мероприятия мною упорядочены на «пассивные» и «активные».

Пассивные мероприятия направлены на предупреждение возможного возникновения или усиления активности криогенных процессов путем минимизации воздействия на процессообразующие факторы и максимального сохранения естественных условий их развития.

Активные мероприятия основаны на приемах управления свойствами грунтов и процессов путем прямого целенаправленного воздействия на процессообразующие факторы и условия.

Совокупность этих мероприятий носит стабилизирующий характер и обеспечивает минимально возможные нарушения почвенно-растительного покрова эрозионной деятельностью.

Следует отметить, что все противоэрозионные мероприятия направлены на изменение факторов, влияющих на реальные величины расхода и скорости стока и подразделяются на три основные группы.

К первой группе мероприятий относят меры, направленные на уменьшение и распыление, задержание и безопасный в эрозионном отношении сброс поверхностного стока; предупреждение появления дополнительных источников стока; создание водозадерживающих и водоотводящих сооружений в местах локального скопления и концентрации стока и т.д.

Мероприятия второй группы, повышающие противоэрозионную стойкость почвогрунтов, направлены на улучшение противоэрозионных свойств почвогрунтов путем увеличения сцепления и структурной их связности (уплотнение, применение связующих химических веществ, искусственное задернение и др.).

К третьей группе мероприятий относят отдельные приемы, повышающие одновременно шероховатость и устойчивость к размыву поверхности почвогрунтов (засыпка днищ потоков гравием, строительным мусором и др.).

В общем виде состав рекомендуемых мероприятий по предупреждению развития водноэрозионных процессов на осваиваемых территориях включает:

- проведение мониторингового обследования территории;

- проведение технического этапа рекультивации нарушенных эрозией земель;

- проведение биологического этапа восстановления земель.

Обследование территории должно включать аэровизуальные наблюдения ключевых участков и детальные наземные маршрутные наблюдения.

В ходе аэровизуальных наблюдений должны быть выполнены следующие виды работ:

- идентификация и визуальная инвентаризация нарушенных земель;

- фотодокументирование нарушенных участков;

- уточнение сроков и возможностей наземного этапа работ.

После проведения аэровизуальных наблюдений необходимо проведение наземных полевых маршрутных обследований, в ходе которых должны быть проведены следующие работы:

- идентификация и визуальная инвентаризация очагов проявления эрозионных процессов и нарушенных ими земель;

- фотодокументирование всех точек визуальной инвентаризации нарушенных эрозией участков земель;

- оценка степени и тенденции развития эрозионных процессов;

- оценка возможности локализации данных нарушений и необходимость применения различных методов предупреждения эрозии.

После проведения мониторингового обследования территории для реализации мероприятий по локализации эрозионных процессов и восстановлению нарушенных ими земель осуществляют рекультивационные работы, включающие технический и биологический этапы.

В процессе технического этапа рекультивации проводится:

- грубая и чистовая планировка территории;

- снятие и складирование почвенно-плодородного слоя;

- выполаживание эрозионноопасных склонов (в некоторых случаях их террасирование;

- ликвидация просадочных явлений;

- засыпка понижений и вершин растущих промоин минеральным грунтом;

- создание гидрозащитных сооружений;

- устройство временных подъездных дорог с использованием мобильных дорожных покрытий предотвращающих нарушение территории при проезде техники осуществляющей рекультивационные мероприятия;

- нанесение почвенно-плодородного слоя;

- устройство водоотводящих и водонаправляющих валов с укреплением ложбин стока профилактическим противоэрозионным составом;

- укрепление и зарегулирование крупных эрозионноопасных водотоков и борозд (с применением геотекстиля, бентонитово-полимерных составов и т.д.);

- применение теплоизолирующих материалов для регулирования процессов теплообмена почвы с атмосферой и ее защиты от промерзания-протаивания, т.е. оптимизация тепловых условий;

- подбор необходимых технических средств для выполнения биологической рекультивации;

Выбор конкретного мероприятия при выполнении технического этапа рекультивации нарушенных земель или их комбинации следует проводить в зависимости от: типа склона, характера эрозионного процесса; стадии его развития; геокриологических условий местности (механического состава криогенных пород, степени их льдистости, состояния криогенных пород, относительного изменения глубины сезонного протаивания вечной мерзлоты).

После технического этапа рекультивации необходимо проведение биологического этапа, осуществляемого одним из следующих двух способов:

- путем активизации естественного зарастания;

- путем специального посева многолетних трав.

Технология биологической рекультивации нарушенных земель должна включать:

- подбор компонентного состава посевного материала;

- определение нормы высева семян, густоты посадки саженцев, рассады растений;

- определение сроков высева;

-подготовка почвы, субстрата к посеву;

- определение способов посева (ручной посев, механизированный посев, посев с использованием гидросеялок и т.д.);

- определение периодичности и мер по уходу за рекультивированными участками (подсев, подкашивание и т.д.).

Выполнение биологического этапа рекультивации нарушенных земель в условиях криолитозоны должно проводиться с учетом местных климатических условий и учитывать специфику местной природной среды (низкое плодородие почв, малая продуктивность биоты, слабая связь растительного покрова с минеральным субстратом, заторможенный круговорот органического вещества и, как следствие этого, малая устойчивость и легкая разрушаемость природных экосистем при техногенных нагрузках).