Содержание к диссертации
Введение
1 Территориальные взаимосвязи ландшафтной структуры и параметров криолитозоны 17
1.1 Современная изученность мерзлотно-ландшафтных параметров криолитозоны 17
1.2 Параметры криолитозоны в системе ландшафтной дифференциации территории Большеземельской тундры
1.2.1 Теоретические основы типизации природных комплексов 19
1.2.2 Общая система ландшафтной дифференциации Большеземельской тундры и ее изученность 22
1.2.3 Краткая характеристика природных зон и ландшафтов 24
1.2.4 Урочища криолитозоны и их геокриологические характеристики 27
1.3 Взаимозависимость ландшафтной структуры и мерзлотных условий 73
2 Ландшафтная индикация мерзлотных условий – основа геокриологической зональности 87
2.1 Состояние проблемы ландшафтной индикации в криолитозоне.. 87
2.2 Региональные особенности ландшафтной индикации геокриологических зон и подзон 92
2.3 Мерзлотно-ландшафтные исследования как основа составления обзорной геокриологической карты М 1:1 000 000 100
3 Экологическое состояние криолитозоны большеземельской тундры в условиях хозяйственного освоения 136
3.1 Теоретические основы оценки экологической ситуации в пределах криолитозоны 136
3.2 Современное природопользование в пределах Большеземельской тундры 145
3.3 Диагностика современного экологического состояния криолитозоны Большеземельской тундры 155
3.3.1 Результаты диагностирования экологического состояния криолитозоны с помощью метода эколого-хозяйственного баланса (ЭХБ) 156
3.3.2 Результаты диагностирования экологического состояния криолитозоны на основе анализа природно-экологического каркаса территории 166
3.3.3 Оценка опыта диагностирования экологического состояния импактных участков криолитозоны 183
4 Мерзлотно-ландшафтные исследования как базовая информационная основа для оптимизации природопользования в криолитозоне . 189
4.1 Существующие ограничения при использовании Северных территорий 189
4.2 Система ограничений к природопользованию: экосоциосистемный подход
4.2.1 Теоретические основы определения региональных ограничений природопользования 198
4.2.2 Морфологические характеристики ландшафтов как информационная основа оптимизации природопользования в криолитозоне 221
4.3 Нормативно-правовые пути оптимизации интенсивного хозяйственного освоения криолитозоны с учетом мерзлотно ландшафтной дифференциации территории 246
Заключение 257
Список сокращений и условных обозначений 273
Список литературы .
- Теоретические основы типизации природных комплексов
- Региональные особенности ландшафтной индикации геокриологических зон и подзон
- Диагностика современного экологического состояния криолитозоны Большеземельской тундры
- Теоретические основы определения региональных ограничений природопользования
Теоретические основы типизации природных комплексов
Широко принято определение криолитозоны как территории распространения многолетнемерзлых горных пород (ММП), в пределах которой осуществляется своеобразный тип литогенеза – криолитогенез (Попов, 1967).
Основными параметрами криолитозоны являются сомкнутость ММП, то есть доля площади, которую они занимают в данной местности, среднегодовая температура пород, характер распространения ММП по разрезу (сливающиеся и несливающиеся толщи), глубина залегания верхней и нижней границ мерзлых пород (также называемых кровлей и подошвой), разность которых определяет вертикальную мощность толщи ММП, а также мощность сезонноталого-сезонномерзлого слоя (СТС-СМС), криогенное строение и криогенные процессы. В зависимости от сомкнутости многолетнемерзлых пород различают области (зоны) их сплошного (ММП занимают более 90% площади), прерывистого (50%-90%), массивно островного (10%-50%) и островного (менее 10%) распространения, междукоторыми можно провести условные границы [Общее мерзлотоведение, 1978]. Ландшафтное изучения криолитозоны является необходимой составной частью комплексных региональных инженерно-геокриологических исследований [Методика мерзлотной…, 1979 и др.]. Теоретические основы ландшафтного метода отражены в работах В. Ф. Тумеля (1945), И.Я. Баранова (1961), А. П. Тыртикова (1979) и др. В них обосновывалась необходимость комплексного изучения природы криолитозоны, указывалось на тесную их связь с характеристиками ММП и, соответственно, возможность и необходимость использовать эту взаимосвязь при геокриологическом картографировании.
Дальнейшее развитие мерзлотно-ландшафтное направление получило в работах кафедр геокриологии геологического и криолитологии и гляциологии географического факультетов МГУ, Института мерзлотоведения в г. Якутск, ВСЕГЕНГЕО, ряда региональных и ведомственных научных организаций [Попов, 2013; Геокриологические условия…, 1964; Кудрявцев и др;, 1979, Тумель, 1975; Ландшафты криолитозоны…, 1983, Гравис и др., 1986; Мерзлотные ландшафты…, 1989; Осадчая, 1989; др.]. В качестве типологической основы принимались различные системы, главным образом Н. А. Солнцева, Ф. Н. Милькова, А. Г. Исаченко. Как правило, ландшафтные карты и легенды к ним строятся по зонально-генетическому признаку. Учитываются происхождение территории и зональная дифференциация природных комплексов. Однако для Большеземельской тундры отсутствуют сведения о соответствии природной и геокриологической зональностей.
При мерзлотно-ландшафтных исследованиях одним из основных считается метод ландшафтной индикации [Вейсман, 1973; Мельников и др., 1974, Ландшафты криолитозоны…; 1983, Методика мерзлотной…, 1979; Федоров, 1991; Федоров и др., 1993; Баранов, 1999; Ишков и др., 2009; др.]. Базовыми индицируемыми характеристиками мерзлотных условий выступают теплофизическое состояние пород, сплошность и среднегодовая температура ММП, глубины СТС-СМС, наиболее физиономичными элементами природных комплексов – растительность, рельеф, гидросеть. Считается, что достоверность ландшафтной индикации растет с севера на юг [Тумель, Зотова, 2014]. Конкретные ландшафты-индикаторы за редким исключением не бывают универсальными, а могут быть использованы только применительно к конкретному региону [Тумель, Королева, 2008]. В последние десятилетия в связи с развитием ГИС-технологий индикационные свойства мерзлотных ландшафтов нашли отражение в работах Н. В. Тумель, Г .Г. Осадчей, Л. И. Зотовой, Н. Г. Украинцевой, Д. С. Дроздова, 1997, Ф. М. Ривкина, А. А. Поповой и др. [Осадчая, Тумель, 2012; Зотова, 2003, 2014 и др.; Украинцева и др., 2011; Дроздов, 1997, Ривкин, 2005; Попова, 2012]. В той или иной степени в них использовался метод ландшафтно-структурных оценок: степень мерзлотно-ландшафтной дифференциации раскрывалась через показатель ландшафтной структуры, что подразумевает процентное соотношение различных видов ландшафтов низкого ранга, в ландшафте более высокого ранга [Анненская и др.,1962].
Как результат, строились разномасштабные карты различного содержания: мерзлотно-инженерно-геологические, мерзлотно-экологические и т.п. Как правило, эти карты составлялись либо в обзорном мелком масштабе и давали представление об общих закономерностях пространственной изменчивости параметров криолитозоны (в том числе экологического характера), либо в крупном масштабе (1:25000 и крупнее), носили прикладной характер и использовались для характеристики конкретного природного или природно-техногенного объекта, позволяя выбрать конкретный вариант (способ) хозяйственного освоения той или иной территории.За редким исключением не было задействовано «среднее» звено информационного обеспечения природопользования: мерзлотно ландшафтное, мерзлотно-экологическое и т.п. картографирование М 1:50 000 и мельче (главным образом до 1:200 000), базирующееся на использовании структурно-ландшафтных оценок пространства.
Региональные особенности ландшафтной индикации геокриологических зон и подзон
Хасыреи представляют собой котловины спущенных озер (топонимика ненцев). К группе урочищ торфяников отнесены условно, так как в зрелой стадии развития приобретают сходный с ними характер растительности (рисунок 1.20). Урочище распространено в зоне/подзоне I и II. В подзоне II днища хасыреев преимущественно талые за исключением новообразований ММП (бугров). В зоне I мерзлотное строение сложнее. В зависимости от стадии развития на днище выделяются участки с несливающимися и слоистыми ММП, а также ММП сливающегося типа. На буграх всегда ММП сливающегося типа.
Стадия развития хасырея также определяет температуру ММП: от -0,0 до -3,0 0С. На заключительной стадии – распространение ММП на 100 % его площади. Для хасыреев характерно развитие процессов пучения, термоабразии, на заключительной стадии в зоне I – морозобойное растрескивание. За счет перехода урочищ хасыреев в преимущественно мерзлое состояние в зоне тундры незначительно увеличивается процент ММП сливающегося типа. Тенденция новообразований ММП на хасыреях в условиях положительного климатического тренда также отмечалось в работах Малковой, Обермана и др. [Тумель, Осадчая, 2006; Кравцова, Быстрова, 2009; Малкова, 2010; Оберман, 2011; др.].
В целом урочища торфяников широко представлены во всех природных зонах/подзонах (только в подзоне крайнесеверной тайги развит один вид торфяников – выпуклобугристый), характеризуются преимущественным либо повсеместным (зона тундры) развитием ММП по площади. В лесотундре и крайнесеверной тайге для этой группы урочищ фиксируются наиболее низкие температуры ММП, в основном на выпуклобугристых торфяниках (причины: теплофизические свойства торфа и минимальная мощность снежного покрова на вершинах бугров), в тундре температурный фон выравнивается (причины: выпуклые формы мезорельефа на торфяниках практически отсутствуют, мощность снежного покрова менее контрастна, чем на участках тундр, где благодаря преимущественному развитию блочных либо холмистых форм мезорельефа присутствуют участки с маломощным снежным покровом). Если оценивать основные геокриологические характеристики определенного вида торфяников, представленного в нескольких природных подзонах, то они меняются. Так, в плоскобугристых торфяниках (3а) с юга на север уменьшается площадь сквозных таликов до их полного исчезновения в зоне тундры; в том же направлении понижается температурный фон ММП: от -0 … -2 0С в южной лесотундре (-0 0С в краевых частях бугров на контакте с несливающимися и сливающимися таликами) до -2…-4 0С (в межблочьях – с -1 0С) в зоне тундры.
Установлены зональные различия в интенсивности и характере криогенных процессов, развивающихся в урочищах торфяников. Так, практически во всех зонах/подзонах активно развивается пучение с новообразованием ММП (увеличивается распространение ММП по площади). Особенно ярко выражен этот процесс в урочище 3г (выпуклобугристые торфяники), причем с севера на юг от подзоны северной лесотундры к подзоне крайнесеверной тайги интенсивность пучения растет. Причины те же, что и для болот: уменьшение степени обводненности межбугровых понижений природного характера, учащение случаев благоприятного сочетания погод, современный более интенсивный «прирост» торфяного горизонта из-за более теплой температурной обстановки и т.п. В подзоне северной лесотундры (локально) и, особенно, в зоне тундры пучение с новообразованием ММП характерно для хасыреев (3д) в заключительной стадии их развития. 7 Н, м.1
Пример мерзлотно-температурного разреза: скв. 24-СН, подзона II, новообразование в центральной части хасырея Стадии развития хасыреев 3д Морозобойное растрескивание грунтов с формированием ПЖЛ также имеет зональные различия. В подзоне северной лесотундры этот процесс локализован на небольших площадях в пределах плоскобугристых торфяников (вокруг озер, хасыреев, прибровочных участках рек и крупных ручьев), но идет очень активно: элементарные жилки начинаются сразу ниже подошвы СТС и «входят» в тело ледяной жилы. В зоне тундры территории с ПЖЛ формируют отдельное урочище – полигональный торфяник (3б). Полигональный мезорельеф четко выражен, но современный рост ледяных жил неочевиден: верхние части элементарных жилок за редким исключением значительно ниже подошвы СТС либо их нет вообще. Подобная «обратная» картина связана с показателями континентальности климата в различных частях криолитозоны БЗТ в целом. Они выше для подзоны северной лесотундры, так как севернее континентальность «смягчается» из-за влияния моря, а именно Капского рукава Гольфстрима, доходящего практически до Печорской губы.
Развитие современных термокарстовых процессов практически не выражено. Косвенным подтверждением может служить факт стабильности площади термокарстовых озер в подзоне массивно-островной мерзлоты [Кравцова, Быстрова, 2009]. Более заметны термоэрозионные процессы.
Тундровые урочища 4а – Тундры плоско- и пологоволнистые ерниково-ивняково-кустарничково-моховые, участками багульниково-лишайниковое с ерником, с отдельными деревьями Урочище распространено в подзонах II (рисунок 1.21), III (рисунок 1.22) и IV. В подзоне IV урочище представлено незначительно. ММП отсутствуют; единственный известный случай обнаружения ММП – урочище развито на участках карста, рисунок 1.23 [Осадчий, Осадчая, 2008].
Диагностика современного экологического состояния криолитозоны Большеземельской тундры
Как уже указывалось в гл.1 (п. 1.1), репрезентативных урочищ, количество выделяемых в каждой природной подзоне/зоне (без учета азональных и интразональных) меняется следующим образом: I (Iа и Iб) – 12, II – 19; III – 14; IV – 10 шт. Число «общих» для соседних подзон урочищ близкое: I и II – 10, II и III – 12, III и IV – 10. Выявленные особенности морфологической структуры ландшафтов различных природных (геокриологических) подзон позволили уточнить границы последних. Широко использовались дистанционное зондирование как для получение фактического материала, так и для выявления и оценки дешифровочных признаков. На первом этапе была определена южная граница криолитозоны, а сама криолитозона была разделена на северную и южную. Ландшафтная индикация южной границы криолитозоны Южная граница ММП проведена достаточно условно. Для западного сектора равнинной криолитозоны Евразии она определяется по устойчивым многолетнемерзлым образованиям, развитых в торфяных грунтах [Городков, 1928]. В качестве индикатора, таким образом, можно считать ПТК крайнесеверной тайги, развивающиеся на торфяных грунтах, в пределах которых однозначно существуют ММП.
К южной границе криолитозоны приурочены два вида урочищ, где может существовать мерзлота – грядово-мочажинное болото 2в и выпуклобугристый торфяник 3г.
При этом если мы выделяем урочище 3г, в его пределах ММП развиты обязательно, причем на значительной площади (30-70% урочища). Это урочище легко дешифрируется. Даже до появления дистанционных методов «бугристость» отражалась на топографических картах не только крупного, но и среднего масштабов. Именно урочище 3г первоначально являлось индикатором при проведении южной границы мерзлоты (30-е годы ХХ века). Что касается урочища 2в, оно также легко дешифрируется и определяется по топоснове. На существующих мелкомасштабных картах [Геокриологичская …,1997; Oberman, Mazhitova, 2003] наиболее южное положение мерзлоты в регионе приурочено к обширным участкам развития грядово-мочажинных болот. Однако, несмотря на то, что развитие устойчивой мерзлоты в их пределах может достигать 30%, зафиксированы, многочисленны случаи, когда на «грядках» мерзлоты нет вовсе. Поэтому нецелесообразно использовать это урочище в качестве индикатора южной границы криолитозоны региона. Отдельно следует сказать о стабильности южной границы криолитозоны. Если ориентироваться на крайнеюжное положение урочища 3г, то традиционно граница проводилась севернее субширотного колена р. Печора и участка нижнего течения р. Уса (начиная от впадения в нее р. Адзьва). Восточнее граница криолитозоны «спускалась» южнее р. Уса, далее несколько «поднималась» к северу с приближением к Уралу. Исключение составляли ряд изолированных участков на левобережье р. Печора ниже впадения в него р. Уса и аналогичный в приустьевой части р. Уса по ее левобережью в междуречье р.р. Печора и Сыня. [Геокриология…, 1988; Геокриологическая…, 1997]. По данным Н.Г. Обермана [Oberman, Mazhitova, 2003], эти участки ММП прекратили свое существование, мерзлота деградировала. Однако полевые исследования указывают на то, что последние десятилетия наблюдается активное формирование выпуклобугристых торфяников (3г) близ южной границы ММП и несколько южнее ее. Примером может служить крупный массив мерзлых выпуклобугристых торфяников, который сформировался в пределах Усинского болота (ныне – комплексный заказник, расположен в приустьевой части р. Уса по ее левобережью в междуречье р.р. Печора и Сыня). Это болото впервые было подробно описано в 1928 г. [Цинзерлинг, 1929]. В это время на этой территории среди различных видов болот были отмечены грядово-мочажинные, но без признаков мерзлоты. Очередное подробное описание выполнено в начале 90-х годов прошлого века [Алексеева, Оксанен, 2005]. Описан и сфотографирован крупный массив выпуклобугристых растущих торфяников, возникший на месте травяно-осокового болота (рисунок 2.1). Также зафиксировано формирование массивов 3г на месте топяных болот на южной границе криолитозоны южнее г. Инта (см. рис. 1.18) [Осадчий, Осадчая, 2008]. Это является свидетельством нестабильности современной южной границы криолитозоны и тенденции ее продвижения к югу.
Ландшафтная индикация границы между южной и северной криолитозоной Основное принципиальное отличие между северной и южной криолитозоной – преобладание в первой участков с ММП. В целом в регионе крупные массивы преимущественно талых грунтов приурочены к лесам и болотам. Лесной тип растительности является доминирующим как в южной лесотундре, так, естественно, и в крайнесеверной тайге. Массивы болот занимают заметно меньшие площади. Поэтому в целом провести границу между северной и южной криолитозоной достаточно несложно, даже просто с использованием топографических карт. В этом случае граница проводится по линии сплошных лесных массивов.
На участках широкого распространения органогенных отложений и, соответственно, урочищ болот и торфяников, это сделать сложнее. Автор рекомендует использовать комплекс различных индикаций. С точки зрения появления новых видов урочищ при продвижениии с юга на север, обращают на себя внимания хасыреи (3д), которые легко определяются дистанционными методами. Хасыреив южной криолитозоне не зафиксированы. С этой точки зрения нельзя использовать термокарстовые понижения (2г) – при дешифрировании они легко могут быть приняты за болота, особенно если сложены талыми грунтами или характеризуются заглубленной кровлей мерзлоты. Определенные особенности, заметные при использовании дистанционных методов, имеют торфяники (3а, 3г). В пределах 3а могут быть встречены участки с полигональностью (см. рис.1.14-б). Что касается урочища 3г, необходимо обратить внимание на степень развития таких криогенных процессов, как пучение. Так, в южной криолитозоне выпуклобугристые торфяники, как правило, находятся в стадии роста, поверхность бугров задернована частично; в северной зоне растущие бугры крайне редки, бугры обычно полностью задернованы.
Теоретические основы определения региональных ограничений природопользования
В специальной литературе нередко обсуждается экологическое состояние различных частей криолитозоны. Считается, что в пределах Севера освоено примерно 10-15% площади, а коренное изменение природных комплексов, сопровождающееся возникновением критических, кризисных и локально катастрофических ситуаций, наблюдается на 1-3% его территории. Однако, нельзя забывать, что несмотря на маленькую площадь, "вес" этих небольших значений существенно больше, чем в других природных зонах, так как в пределах северных ландшафтов регенерация природных условий путем самовосстановления или при проведении природоохранных мероприятий как правило значительно менее результативна [Маслов и др., 2005].
Для БЗТ обычно рассматриваются угрозы экологического характера от работы объектов топливного комплекса и его транспортной инфраструктуры [Булдович и др., 2000; Минкин, 2000; др.].
Общеизвестно, что сравнительно «теплая» мерзлота региона чутко реагирует на внешние воздействия как природного, так и антропогенного характера. Наиболее значимый антропогенный пресс испытывают криогенные природные комплексы в районе г. Воркута (Республика Коми) [Красовская, 2008; др.]. Так, на территории города зафиксировано опускание кровли мерзлых пород на 5-10 и более метров, образовалась почти единая чаша протаивания. В результате происходит неравномерная осадка зданий, выход из строя коммуникаций и т.п. [Основы …:, 2008; Хилимонюк и др., 156 2011; Хрусталев и др., 2000]. Дымовые шлейфы от Воркутинского промышленного комплекса (ТЭЦ, цементный завод и др.) распространяются в окрестностях до 50 км, изменяя, в частности, альбедо снега и приводя к более ранним срокам его схода, а следовательно, и к более интенсивному прогреванию мерзлых пород. Это в свою очередь приводит к тому, что на протяжении последних 55 лет происходит направленное изменение криогенных природных систем – образуются талики, развиваются термокарстовые озера, происходит интенсивное заболачивание, уменьшается биоразнообразие [Тумель, Зотова, 2014]. Освоение нефтегазоносных месторождений на Европейском Севере уже на этапах разведочных и изыскательских работ также сопровождается нарушением естественных, в том числе мерзлотных, условий, а на стадиях обустройства и эксплуатации – приводит к практически полному уничтожению природных комплексов на значительных пространствах [Осадчая, Зенгина, 2012; Осадчая и др., 2012а; Губайдуллин, 2006; Баранов и др., 2010].
Для диагностирования современного экологического состояния обширных территорий криолитозоны нами проводились преимущественно среднемасштабные исследования, с использованием методов, позволяющих в количественных показателях оценить соотношение интенсивно эксплуатируемых и экстенсивно используемых территорий.
Одним из наиболее очевидных количественных показателей, указывающих на степень экологического состояния и степень биосферной устойчивости ландшафтов (или «территории»), является показатель эколого-хозяйственного баланса (ЭХБ). ЭХБ – это сбалансированное соотношение различных видов антропогенной деятельности и интересов различных групп населения на территории с учетом потенциальных возможностей природы, что 157 обеспечивает устойчивое развитие природы и общества, воспроизводство природных ресурсов и не вызывает негативные экологические изменения и последствия [Кочуров, 1996; Кошкарев, Тикунов, 1993]. Расчет ЭХБ традиционно проводится на уровне не ниже административных районов, так как в качестве информационной основы выступает статистическая отчетность по районным кадастрам объектов недвижимости. Таким образом, диагностирование экологического состояния территории производится в среднем масштабе, а его результаты легко сопоставить с допустимыми для природной (зональной) ситуации лимитами на площадные нарушения ПК (раздел 3.1.).
Принцип оценки ЭХБ территории является универсальным для любой природной ситуации. Поэтому напрямую при ее проведении не учитываются какие-либо природные особенности территории, например, наличие ММП и их характеристики.
Тем ни менее связь «использование территории – ММП» может быть отслежена опосредовано, прежде всего, потому что она во многом зависит от доминирующего вида/типа природопользования. Так, в южной криолитозоне селитебные участки на ММП отсутствуют, зимний выпас оленей также происходит на талых участках, которые могут обеспечить максимальное количество доступного корма в зимний период и т.д.
В тоже время, для дисперсного, линейного (транспортного) природопользования и участков добычи полезных ископаемых это правило не вполне очевидно. Например, статистический учет ведется исходя их принадлежности к определенной категории земель [РФ З Земельный кодекс, 2001] и предполагает использование информации по землям для решения, главным образом, управленческих (экономических) задач. В лучшем случае приводится статистика по площади болот в пределах земель лесного фонда (вне зависимости от того, расположены они на талых или многолетнемерзлых участках). При этом сами земли лесного фонда в природном отношении могут представлять собой тундровые ПК (что указывается при характеристике земель лесного фонда). Тем не менее, как уже отмечалось, общая диагностика экологической ситуации достаточно обширной территории может быть проведена с высокой степенью достоверности на основе анализа характера природопользования. Так, нами был рассчитан ЭХБ для криолитозоны в пределах южных, наиболее освоенных районов, административно относящихся к Республике Коми: Воркутинскому, Усинскому, Интинскому, Усть-Цилемскому [Ковалева и др., 2015; Тихонова, Осадчая, 2015; др.]. Для этих районов характерна сложная мерзлотная дифференциация территории. Преобладают участки, приуроченные к южной криолитозоне, в меньшей степени – к северной. Юг Усинского, Интинского и большая часть Усть-Цилемского районов находятся вне криолитозоны. Для выбранных административных районов, в зависимости от соотношения в них участков с различными зональными условиями, были определены лимиты допустимого интенсивного нарушения ПК, которые представлены в табл.3.3.