Оценка экологической устойчивости долинных ландшафтов для обеспечения безопасности жизнедеятельности и функционирования инженерных объектов

Вопросы экологии

В.В.Коробов,

аспирант ТИГ ДВО РАН;

И.В.Уткин,

научный сотрудник ТИГ ДВО РАН

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДОЛИННЫХ ЛАНДШАФТОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

Проведена оценка экологической устойчивости долинных ландшафтов на примере реки Партизанской (южный Сихотэ-Алинь), при этом использован бассейновый принцип организации территории, дополненный статистической обработкой морфометрических параметров речной долины (кластерный и корреляционный анализы). Выделены четыре зоны с различной динамической активностью эрозионно-аккумулятивных процессов и соответствующими ландшафтами. Даются практические рекомендации по ведению хозяйственной деятельности в этих зонах.

Устойчивость является одним из фундаментальных понятий исследований и оценок развития долинных природно-технических систем (ПТС). Оценка экологической устойчивости ПТС речных долин необходима для обоснования их рационального использования и защиты от опасно воздействующих факторов.

Научная и практическая значимость данных исследований обусловливается все увеличивающимися масштабами природных катастроф (наводнений) и возрастающими требованиями обеспечения безопасности для жизнедеятельности людей и функционирования инженерных объектов, а также сохранения и рационального использования окружающей среды.

Горный рельеф Приморского края и резкая неравномерность выпадения осадков вызывают затопление обширных площадей в долинах рек и высокую интенсивность эрозионно-аккумулятивных процессов во время прохождения паводков.

С летне-осенними наводнениями связана большая часть ущербов, причиняемых хозяйству края стихийными бедствиями.

В последние тридцать лет затопление населенных пунктов, производственных объектов и сельскохозяйственных угодий стало одной из главных причин низкой эффективности производства. При катастрофических наводнениях, проходящих в среднем через 10-16 лет, затопляется большая часть сельскохозяйственных территорий, городов и других населенных пунктов, дорог, коммуникаций и т.д.

Портовые города несут большие потери в результате перебоев водоснабжения, загрязнения акваторий бухт и заливов. Не гарантируется бесперебойная работа Транссибирской магистрали и ее важнейших станций. Железнодорожная транспортная магистраль служит единственным путем, обеспечивающим грузопотоки между Россией и Азиатско-Тихоокеанским зарубежьем. Значительный ущерб наносят ограничения скорости движения, вызванные восстановительными работами на дорогах и искусственных сооружениях.

Значительное влияние оказывают паводки на транспортные коммуникации, расположенные на пойме. Недостаточная пропускная способность дорожных мостов и труб усугубляет последствия от паводковых вод.

Сельское хозяйство Приморского края носит характер нестабильного, что связано с гибелью посевов, смывом и засорением пашни, снижением урожайности от переувлажнения почв, мелиоративной неустроенностью угодий. Смывы с полей ядохимикатов и гербицидов, разрушение очистных сооружений, складов ГСМ, скотомогильников выводят из строя источники водоснабжения, ведут к нарушению санитарного состояния рек, ухудшают эпидемиологическую обстановку.

Частые затопления оказывают негативное влияние на социальное здоровье жителей края. Во время паводков отмечается ухудшение здоровья населения, вызванное повышенной сыростью помещений, стрессовыми состояниями, которые испытывают люди.

Начальным этапом любого исследования с целью оценки влияния тех или иных факторов является районирование территории и классификация отдельных участков. Ниже мы приводим собственную методику выделения таких участков в долине реки Партизанской как наиболее хорошо изученной для оценки экологической устойчивости ландшафтов.

В качестве основного подхода использовался бассейновый принцип организации территории, что позволило охарактеризовать днище магистральной долины в виде единого морфогенетического элемента, структурно входящего в водосборный бассейн.

Известно, что общим для водосборных бассейнов является строгая направленность литодинамического потока (от истока к устью) и закономерная смена типов рельефно-субстратной основы (в пределах однопо-рядковых водосборов). Характеристики последних определяются тесной связью между гипсометрическими градиентами рельефа, средними уклонами бассейнов и уклонами русел [4].

Ландшафты пространственно контролируются распределением морфо- и генотипов рельефа. Поэтому для системы речной долины особый интерес представляет анализ морфометрических параметров, на основании которого и строится оценка экологической устойчивости долинных ландшафтов.

Для классификации как участков рек с различным набором морфо-метрических параметров ^-модификация), так и самих параметров (Я-модификация) был выбран кластерный анализ (в комбинации с корреляционным) с построением иерархической дендрограммы. В качестве меры близости (как в Я, так и в Q-модификации) вычислялся коэффициент корреляции для стандартизированных данных. При этом впервые приме-

нялась модификация метода Э. Гримма [6] с некоторыми авторскими дополнениями [5, 7]. Примененный алгоритм представлял особый интерес в связи с возможностью анализировать не только обычный набор цифровых данных, но и выборку, предварительно выстроенную в ряд самим исследователем. В нашем случае наиболее удобным явилось упорядочение по убыванию высоты земной поверхности. В результате мы получили дендрограммы, на которых обособилось несколько участков долины, резко различных по морфометрическим параметрам, выделение которых согласовывалось с нашими теоретическими представлениями.

Результаты статистического анализа позволили лучше раскрыть сущность бассейнового принципа, а также выйти на оценку интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов в речной долине.

Особый интерес представил анализ соподчиненности частных уклонов с такими показателями структуры, как средний уклон, ширина днища долины и поймы. Эти параметры наиболее доступны для интерпретации топографических карт масштаба 1:50 000, использованных нами для данного исследования.

Вышеперечисленные параметры наиболее информативны, так как охватывают особенности структуры долинного рельефа, определяемые морфологией русла (в зависимости от динамической фазы). Долинный рельеф выступает при этом как организующее начало в пространственной структуре изучаемой геосистемы.

Были рассмотрены парные корреляции следующих параметров: частный и средний уклоны, частный уклон и ширина днища, частный уклон и ширина поймы. Установлено, что соотношение между средними и частными уклонами описывается уравнением параболы п-ой степени (г = 0,75), а ширина поймы находится в прямой связи с расходами, но в обратной связи с уклонами (г = 0,47). При этом зависимость ширины днища от уклона показывает, что чем меньше расход воды при прочих равных условиях, тем более явно проявляется зависимость ширины долины от уклона русла (г = 0,46).

Таким образом, было выявлено, что основные параметры, образующие корреляционные пары, достаточно тесно связаны на всем протяжении долины. При этом определились и управляющие элементы.

Величины частных уклонов контролируются средним уклоном на каждом конкретном участке долины. Уклон управляет такими морфо-метрическими параметрами, как ширина днища и поймы [3].

Я-кластерный анализ использовался для построения иерархии признаков и отбора ведущего параметра в системе речной долины. В результате его применения выяснилось, что средний уклон является организующим элементом долины и через другие, подчиненные элементы (частный уклон русла, ширина днища и поймы) определяет как отдельные типы рельефно-субстратной основы и соответствующие ландшафтные выделы, так и интенсивность эрозионно-аккумулятивных процессов. Эти процессы определяют, в конечном счете, устойчивость долинных ландшафтов.

Благодаря использованию модификации Q-кластерного анализа с упорядочиванием по убыванию высоты, удалось выделить пять отдельных сегментов долины реки Партизанской. С этими сегментами тесно

связан ход эрозионно-аккумулятивных процессов, водность, баланс рыхлого материала, влияние крупных притоков [2].

По преобладающему характеру эрозионно-аккумулятивных процессов долина реки Партизанской подразделяется на четыре участка: врезание русла, транзит с частичной аккумуляцией (сюда включены места слияния реки с крупными притоками, где участки меандрирования1 чередуются с узлами фуркации2), аккумуляция и относительное равновесие [1,2].

Инженерные сооружения, в определенной мере активизирующие эрозионно-аккумулятивные процессы, подразделяются на активные и пассивные. Активные сооружения, в свою очередь, подразделяются на две категории.

Строительство сооружений первой категории вызывает существенное изменение характеристик определяющих факторов, что приводит к значительному изменению руслового процесса на длительный срок или на большом участке. В состав сооружений этой категории входят мостовые переходы и подводящие к ним дамбы. Они перегораживают пойму, стесняют развитие русла, способствуют созданию нового режима воды и наносов.

Возведение сооружений второй категории приводит к изменению некоторых определяющих параметров (факторов). Это, как правило, не приводит к изменению типа русла. В данную категорию входят дамбы обвалования, дорожные насыпи, карьеры и выемки в русле и на пойме, русловыправительные сооружения и мероприятия (шпоры, струенаправ-ляющие дамбы, берегозащитные покрытия, спрямления и расчистки русла). При этом дорожные насыпи на пойме, расположенные по простиранию долины, оказывают влияние на русло подобно эффекту одностороннего обвалования; устройство одиночных карьеров подобно спрямлениям русла и т. д.

Строительство пассивных сооружений не приводит к изменению определяющих факторов руслового процесса. Конструктивные особенности, размеры, местоположение и продолжительность эксплуатации этих сооружений (переходы через реку трубопроводов, ЛЭП и линий связи, водосбросы и выпуски сточных вод, бесплотинные водозаборы и т. д.) таковы, что они не могут изменить на сколько-нибудь заметном протяжении гидравлические параметры, режим транспорта наносов, ограничивающие факторы руслового процесса. При этом сами пассивные сооружения подвергаются воздействию русловых и пойменных деформаций, что учитывается их конструктивными особенностями.

В соответствии с методическим подходом, изложенным выше, выполнено зонирование днища долины реки Партизанской по устойчивости к внешним воздействиям, а также даны практические рекомендации по ведению хозяйственной деятельности в этих зонах.

Как результат, выделены четыре зоны с различной динамической активностью эрозионно-аккумулятивных процессов и соответствующей им устойчивостью ландшафтов.

1 Меандрирование - процесс смещения речного русла.

2 Фуркация - процесс ветвления речного русла.

I зона. Это динамически наиболее активная зона. Она включает в себя русло реки Партизанской, ландшафты прирусловых отмелей и низкой поймы, а также заболоченные ландшафты краевых частей магистральных речных долин и внутренних дельт. Ландшафты прирусловых отмелей и низкой поймы расположены на разнообразных грунтах (от валунов до глинистых песков, суглинков и глин) и зачаточных почвах. Они встречаются на наиболее низких элементах рельефа, подвергающихся регулярному затоплению в паводки. Растительность представлена ивняками, чозенниками, древесно-кустарниковыми ассоциациями с преобладанием ольхи и участием широколиственных пород (за исключением дуба), а также высокотравными лугами, низинными болотами и озерами. Заболоченные ландшафты краевых частей магистральных речных долин и внутренних дельт расположены на суглинках, глинах, глинистых песках с торфяно-глеевыми и лугово-болотными почвами под болотами с мезотрофным питанием и редкостойными заболоченными лесами с участками низинных болот.

При ведении хозяйственной деятельности в этой зоне следует обязательно учитывать сильное негативное влияние на природные системы. В то же время важен учет влияния эрозионно-аккумулятивных процессов на инженерные сооружения.

Можно привести пример воздействия на техническую систему. Так, в 60-х гг. от с. Боец-Кузнецов через пойму реки до с. Золотая Долина был проложен керосинопровод. За время его эксплуатации случались неоднократные порывы, в результате которых нефтепродукты попадали в реку. В настоящее время он разобран.

Некоторые рекомендации по проектированию активных сооружений и мероприятий второй категории.

1. Русловыправительные сооружения и мероприятия должны проектироваться в пределах горизонтов и границ затопления различных руслоформирующих расходов с учетом характера, капитальности и срока действия сооружений, а также современной тенденции развития участка русла.

2. Карьеры и выемки в русле следует проектировать с тем расчетом, чтобы объем и характер движения руслообразующих наносов обеспечивал восстановление изъятого аллювиального материала не более чем за 3-4 года.

3. Следует охранять прирусловые и притеррасные леса. Известно, что сохранение как минимум 40-метровой полосы не приводит к деградации лесных массивов вдоль речных долин.

II зона. Это также динамически активная зона, в которую входят ландшафты высокой поймы и конусов выноса. Растительность и почвы близки к описанным для первой зоны.

Часто наблюдаемые виды хозяйственной деятельности - строительство дамб обвалования для защиты пойменных земель от затопления и водной эрозии, создание дорожных насыпей, ЛЭП, линий связи. На высокой пойме располагаются карьеры и выемки для добычи строительных материалов.

Для повышения безопасности предлагаем рекомендации по ведению хозяйственной деятельности:

1. Дамбы обвалования и дорожные насыпи следует располагать за пределами зоны наиболее активных плановых деформаций русла, ширина которой в случае многорукавного русла определяется границами затопления одного из руслоформирующих расходов, проходящих при затопленной пойме. При меандрирующем русле ширина этой зоны определяется границами пояса меандрирова-ния, раздвинутыми на величину возможного смещения излучин в течении 20-25 лет.

2. Карьеры и выемки на пойме должны располагаться и защищаться с учетом характера эрозионно-аккумулятивных процессов. Примером неудачного размещения, крайне опасного в экологическом отношении, служит золоотвал Партизанской ГРЭС, расположенный в пойме реки Партизанской около поселка Лозовый. Русловой процесс развивается по типу пойменной многорукавности. Паводки 1989 и 1994 гг. привели золоотвал в крайне опасное аварийное состояние, что вынудило составить специальный проект его защиты.

III зона. Сюда входят ландшафты "луговой"3 надпойменной террасы с дерново-аллювиальными, аллювиально-болотными, лугово-бурыми оподзоленными почвами на песчаных, суглинистых и глинистых грунтах под разнотравными суходольными и заболоченными лугами, широколиственными сомкнутыми и редкостойными лесами, подвергающимися затоплению при катастрофических паводках.

Это устойчивые к внешним воздействиям ландшафты. «Луговая терраса» - один из главных объектов сельскохозяйственного освоения, где сосредоточен основной объем ирригационных работ. Для решения задач, обеспечивающих длительную эксплуатацию ирригационных систем и их строительство, необходимо выявление тенденций развития "луговой" террасы в общем долинном комплексе рельефа [4].

IV зона. Сюда входят ландшафты первой надпойменной террасы и пролювиальных шлейфов на разнообразных грунтах (валуны с галькой, песок, суглинки и глина) с дерново-аллювиальными, бурыми лесными и лугово-болотными почвами в среднем течении рек под кедрово-широколиственными, а в нижнем течении - под дубово-широколиственными лесами с разнотравно-злаковыми и злаково-осоковыми лугами и низинными болотами. Это весьма устойчивые к внешним воздействиям ландшафты. Инженерные сооружения, расположенные на этих участках долины, будут менее других подвергаться воздействию паводков. Эта зона является удачной для размещения транспортных коммуникаций, осуществления различных видов промышленного и гражданского строительства.

Предлагаемые практические рекомендации должны учитываться фермерами, строителями для повышения безопасности и эффективности их работы, экологами при проведении экологической экспертизы, а также всеми, кто участвует в процессе экологизации хозяйственной деятельности и человеческого сознания.

3 «Луговая» терраса - один из уровней высокой (2-3 м) поймы.

Литература

1. Короткий А.М. О природе четковидного строения речных долин горных стран (на примере Сихотэ-Алиня) / Геология, магматизм и рудогенез зоны перехода от континента к океану. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1978. - С. 65-66.

2. Короткий А.М. Палеогеоморфологический анализ рельефа и осадков горных стран (на примере Дальнего Востока). - М.: Наука, 1983. - 246 с.

3. Короткий А.М. Анализ коррелятных отложений и реконструкции рельефа горных стран. - М.: Наука, 1985. - 188 с.

4. Короткий А.М. О возрасте "луговой" террасы на реках Приморья / Вопросы стратиграфии и палеогеографии Дальнего Востока. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1990. - С. 39-58.

5. Современное осадкообразование в окраинных морях Востока Азии (статистические модели). - Владивосток: Дальнаука, 1997. -216 с.

6. Grimm E.C. CONISS: a Fortran-77 program for stratigraphically constrained cluster analysis by the method of incremental sum of squares // Comput. and Geosci. 1987. V. 13, №. 1. P. 13-35.

7. Utkin I.V., Derkachev A.N., Dudarev O.V., Tkalich O.A., Korobov V.V. The modeling of environmental conditions by the special approaches to the multivariable statistical treatment of the data / Proc. of the 10th PAMS/JECSS Workshop. 1999. Kagoshima, Japan. P. E20-E23.