4 ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наблюдается весьма интенсивное развитие в нефтегазодобывающей отрасли на севере Западной Сибири. Так, в 2004 году в Ханты-Мансийском АО было добыто более 250 млн. т. нефти, что выше уровня 2003 г. на 9,5%, а рост производства газа в 2004 г относительно 2003 г. составил в Ханты-Мансийском АО и Ямало-Ненецком АО, соответственно, 7,1% и 1,4% (Экономические показатели..., 2005). В то же время, постоянно усиливающаяся эксплуатация нефтяных и газовых месторождений обусловливает повышение нагрузки на транспортные коммуникации и приводит к значительным нарушениям экосистем тундровой, лесотундровой и таежной зон; в ряде случаев эти территории по состоянию окружающей среды приближаются к районам экологического бедствия (Солнцева, 1998).
Особенно масштабные, многообразные и высокодинамичные антропогенные изменения экосистем региона происходят в процессе создания и функционирования транспортной инфраструктуры систем нефтегазового промышленного комплекса. Если на начальных этапах обустройство транспортной инфраструктуры в основном сводится к прокладке зимников (район водораздела Нумто), то в уже освоенных районах в коридорах коммуникаций (например, по линии Нефтеюганск - Пытъ-Ях -Сентябрьский) обычно совмещаются автотрассы с развитой сетью подъездных дорог, железная дорога, нефте-, газо-, водопроводные коммуникации, ЛЭП; здесь же находятся многочисленные промплощадки объектов нефтегазового комплекса. При этом, по данным А.А. Тишкова (1996), в процессе строительства линейных сооружений на каждый нормативный гектар отвода реальное отчуждение составляет 10-15 га. Особенно большой урон окружающей среде наносят прорывы нефтепроводов, в результате которых на территории ХМАО ежегодно происходит до 2000 аварийных разливов нефти (Макеев, 2001).
5
Несмотря на это, до сих пор не разработана методика универсальной оценки степени повреждения ландшафтов, количественно отражающая изменения экологических условий, в первую очередь, связанных с трансформацией питательного режима и влажности. Известны лишь работы, посвященные вопросам качественного изменения растительности в условиях комплексного воздействия объектов инфраструктуры нефтегазового комплекса (Полкошникова, 1982; Гашев и др., 1988; Захаров, Шишкин, 1988; Игошева, 1988; Маковский, 1988; Седых, 1996; Экология ХМАО, 1997; Чижов, 1998; Москаленко, 1999; Макеев, 2001). Вместе с тем, в последнее время широкое распространение при индикации экологических условий получили шкалы Л.Г. Раменского (Раменский и др., 1956), позволяющие, в частности, количественно оценивать степень увлажненности и богатство биогеоценозов элементами питания (трофность) (Цыганов, 1983; Львов, 1986; Булохов, 1996; Миркин и др., 2001; Телеснина, 2001; Аветов и др., 2003 и др.), в том числе их изменения под влиянием антропогенных факторов (Казанская, Утехин, 1971; Лапшина, 1986.). Актуальность применения шкал Раменского для оценки естественных и антропогенно измененных ландшафтов таежной зоны Западной Сибири определяется достаточно высокой исходной контрастностью и значительной изменчивостью экосистем в процессе техногенных воздействий как раз по этим градиентам среды.
Таким образом, цель данного исследования заключается в выявлении закономерностей трансформации растительного покрова и экосистем севера Западной Сибири в результате создания и функционирования транспортной инфраструктуры нефтегазодобывающего комплекса.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
• Проанализировать по литературным и фондовым данным влияние
создания и развития транспортной инфраструктуры (включая влияние
нефтезагрязнения) на экосистемы нефтегазодобывающих районов севера
Западной Сибири.
6
• Выявить характер трансформации растительности севера Западной Сибири под влиянием транспортных систем (включая нефтепроводы) нефтегазового комплекса.
• Провести оценку экологических условий естественных и нарушенных ландшафтов северо- и среднетаежной подзон таежной зоны Западной методом ординации, предложенным Л.Г. Раменским.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
• Выполнены детальные описания естественной и нарушенной растительности по трассам коммуникаций в районе озера Нумто (подзона северной тайги), Сургутском Полесье и Обь-Иртышском междуречье (подзона средней тайги) на репрезентативных ключевых участках, отражающих как ландшафтное разнообразие территорий, так и спектр наблюдаемых нарушений.
• Впервые систематически проанализированы особенности изменения растительности ландшафтов зон тундры и тайги (северной и средней) Западной Сибири в зависимости от характера, видов воздействия и этапности создания транспортных коммуникаций.
• Впервые произведена количественная оценка направленности и степени техногенной трансформации экосистем таежной зоны Западной Сибири по трендам богатства элементами питания (трофности) и общей увлажненности. Составлена среднемасштабная карта развития экологических ситуаций по коридору коммуникаций Нефтеюганск - Пыть-Ях -Сентябрьский (М 1: 200 000).
Глава 1. Влияние создания и развития транспортной
инфраструктуры на экосистемы нефтегазодобывающих
районов севера Западной Сибири (обзор литературы)
1.1. Экологические аспекты создания и функционирования транспортной инфраструктуры на севере Западной Сибири
Большие объемы земляных и буровых работ, а также перевозка крупногабаритных и тяжеловесных грузов и другие крупные наземные транспортные операции в бездорожных районах севера Западной Сибири, обусловливают необратимые изменения природной обстановки, что, в конечном счете, создает огромные трудности в эксплуатации месторождений и поддержании инфраструктуры в рабочем состоянии. Нарушение природного равновесия в результате антропогенной деятельности ведет к серьезному изменению процессов происходящих в криолитозоне, имеющих важное инженерно-геологическое значение.
По мере создания промышленных комплексов, городов, жилых поселков и инфраструктуры в хозяйственный оборот вовлекается значительная часть территории. Однако на этапе эксплуатации хозяйственная деятельность, в основном, сосредоточивается в пределах промплощадок и на селитебных территориях, связанных между собой постоянными дорогами, при этом техногенно преобразованная площадь составляет до 10-15% от территории месторождений (Гарагуля, Невечеря, 1989). На остальных же участках начинается процесс самовосстановления нарушенных экосистем.
При такой сложившейся технологии хозяйственного освоения территории отмечается весьма определенный набор типов и видов техногенных нарушений. В целом, они подразделяются на прямые и косвенные, целенаправленные и стихийные (Давиденко, 1998). По охвату территории и времени воздействия среди техногенных нарушений выделяют: 1) площадные (поселки, промыслы, карьеры), линейные
8
(трубопроводы, дороги), хаотичные (сочетание двух вышеназванных или же точечные нарушения по площади); 2) разовые, кратковременные, долгосрочные, постоянные; 3) поверхностные (снятие почвенно-растительного покрова), углубленные (траншеи трубопровода, фундаменты в зоне сезонно-талого слоя или сезонно-мерзлого), глубокие (карьеры, скважины - не только в зоне сезонно-талого или сезонно-мерзлого слоя, но и более значительные проникновения) (Раюшкина, 1989).
К началу 1990-х годов в пределах освоенной территории Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции на долю постоянных площадных нарушений приходилось 7%, разовых - более 75% освоенной площади. При этом, зона сплошного уничтожения растительного покрова составляла до 15% площади освоенных земель. Зона частичного уничтожения растительного покрова (за счет разового и многоразового проезда транспорта на трассах и окружающих промплощадки территориях) составляла около 60% площади освоения. Около половины всей площади занимали гари, захватывая участки с другими видами нарушений (Гарагуля, Невечеря, 1989).
Как отмечалось выше, при хозяйственном освоении северных районов создание различных элементов транспортной инфраструктуры вызывает как прямые изменения (уничтожение или повреждение растительного покрова, наледообразование у насыпей), так и косвенные (изменение стока, рост глубины сезонно-талого слоя и др.). Как показывают результаты ретроспективных исследований районов аляскинских нефтяных месторождений, косвенные изменения преобладают в более северных районах, где мерзлотные условия отличаются повышенной сложностью (Walker, 1987). По мнению Н.Г. Москаленко (1999), наибольшие косвенные нарушения происходят в местах существования слабоустойчивых геосистем, например, на комплексных мелкобугристых болотах. Так, если на этапе строительства и ввода в эксплуатацию нефтепровода Надым-Пунга ширина зоны нарушений на подобном участке составляла в среднем 50 м, то спустя 5
9
лет она уже выросла до 175 м, а через 10 лет на ряде участков достигала до 370 м.
Условное деление всех объектов транспортной инфраструктуры на линейные и площадные проистекает из особенностей техногенных нарушений. Так, площадные объекты (аэропорты, речные и морские порты, железнодорожные станции, грузовые терминалы и др.) по характеру воздействия приближаются к промышленным сооружениям с характерным для последних полным уничтожением исходных природных сообществ. Линейные сооружения бывают временными (низовые и верховые автозимники, железнодорожные ледовые переправы через реки в зимний период) и постояннодействующими (авто- и железные дороги, магистральные трубопроводы, ЛЭП). При этом, стационарные линейные сооружения формируют своеобразную природно-техническую систему (ПТС), возникновение которой сопровождается частичными нарушениями земель и формированием специфических природно-антропогенных ландшафтов. Степень измененное™ последних увеличивается в процессе последующей эксплуатации (Шишконакова, 2001).
В настоящее время под ПТС понимается «совокупность взаимодействия компонентов природной среды и инженерных сооружений на различных стадиях создания и функционирования - от предпроектной до реконструкционной», а объектами исследований ПТС являются «как инженерные сооружения и мероприятия в пределах определенного природного комплекса, обеспечивающие нормальное функционирование данной системы в условиях динамического равновесия всех образующих ее компонентов, так и конкретные элементы природной среды, влияние которых на инженерные сооружения может вызвать аварии и катастрофы с возможными тяжелыми социально-экологическими последствиями, причем не изолированно, а во взаимосвязи» (Ревзон, Камышев, 2001). Эти природно-технические системы, в свою очередь, можно разделить на полностью техногенные (земляное полотно авто- и железных дорог) и частично
10
преобразованную придорожную полосу. Особое место в этой классификации занимают транспортные коридоры коммуникаций, входящие в группу линейно-площадных сооружений. Такие участки характеризует сочетание нескольких линейных объектов и примыкающих к ним промплощадок (насосных и компрессорных станций, трансформаторных подстанций и др.), а также более интенсивный характер использования территории и большая степень преобразованности исходных ландшафтов. К примеру, по транспортному коридору Нефтеюганск-Пыть-Ях-Сентябрьский проходят ЛЭП, автомагистраль с твердым покрытием, участок железной дороги Сургут-Тюмень, нефте-, газопроводы и др. коммуникации, в комплексе затрагивая зону шириной несколько сотен метров, а местами и более километра.
Главной характеристикой антропогенных изменений, отмечаемых в зоне возведения и эксплуатации линейных объектов, служит их комплексность. Практически везде отмечаются нарушения стока, очаги загрязнения и механические воздействия, обусловленные как планировочными работами, а также созданием карьеров и выемок, так и многочисленными проходами транспортной техники.
Для большинства линейных сооружений характерен разделяющий эффект, проявляющийся в расчленении единых природных комплексов на изолированные участки, с нарушением в них горизонтальных связей, формированием гидрологических и экологических барьеров. В результате страдают в основном два компонента природной среды - биота и вода (Хропов, 1987).
Так, на территории севера Западной Сибири такое расчленение прежде единых ландшафтов нарушает целостность оленьих пастбищ, приводит к их фрагментации и существенно подрывает кормовую базу оленеводства. К примеру, в период с 1965 по 1995 гг. площадь оленьих пастбищ на Ямале сократилась более чем 15%. Состояние пастбищ в типичных тундрах
11
оценивается как неудовлетворительное, а южных тундр - как катастрофическое (Быкова, 1995).
Нарушения, связанные с перераспределением стока, широко распространены вдоль линейных объектов в северной части Западной Сибири, что в первую очередь, вызвано равнинным характером рельефа и климатическими особенностями территории, обусловившими высокую степень обводненности и заболоченности. В нефтегазоносных районах Среднего Приобья до 60-75% площади подвержено естественному прогрессирующему заболачиванию с угнетающим воздействием на лесные массивы (Чижов, 1995, 1998). Эти обстоятельства вызывают потребность в строительстве насыпей на 70% протяженности всех автодорог региона. Недооценка требуемого количества водопропускных сооружений вдоль линейных объектов, особенно, отсутствие дренирующих насыпей, влечет за собой долговременное нарушение стока. Все это приводит к прямым потерям (возникают деформации сооружений, ухудшается проходимость транспортных средств, что неизбежно связано с усложнением инженерного оборудования и удорожанию строительства), а так же и к косвенным, в результате которых происходят необратимые нарушения прилегающих к дорогам экосистем. Например, при анализе материалов повторных крупномасштабных ландшафтных и инженерно-геологических съемок было выявлено, что на трассах газопроводов Тюменского Севера нарушенная зона ландшафтов вокруг линейных сооружений за 5-7 лет возросла с 40 м до 150-300 м, что связано с влиянием подтопления и развитием заболачивания (Гречищев и др., 1983). По имеющимся данным Великанова (1989), к концу 1980-х гг. площадь техногенно затопленных и заболоченных лесных земель в Тюменской области составляла 7,2 тыс. га, в том числе 3,0 тыс. (41,7%) приходилось на подзону северной тайги, что повлекло за собой гибель древесины в количестве более 616 тыс.м3.
Увеличение общей гидроморфизации, прилегающих к ПТС ландшафтов,, проявляется в появлении придорожных озер, ориентированных вдоль
12
откосов. В условиях развития многолетнемерзлых пород подобные обводненные понижения, несомненно, способствуют активизации термокарстовых процессов. Весьма показательно, что при строительстве на Ямале железнодорожной линии Обская-Бованенково дополнительным фактором, способствующим росту площадей заболоченных земель, явилось возведение в непосредственной близости от железнодорожного полотна дублирующей автомобильной дороги, что усилило нарушение стока. По наблюдениям Т.И Смирновой и А.Д. Виталь (1988) формирование придорожных природных комплексов, спровоцированное обводнением у подошв технических сооружений, ведет к изменению водо-минералогического режима среды. В целом, при техногенной гидроморфизации на участках, прилегающих как к одиночным линейным сооружениям, так и к коридорам коммуникаций, отмечается уменьшение устойчивости к последующему антропогенному вмешательству.
Площадь нарушений растет и на этапе эксплуатации линейных объектов, что связано с необходимостью ликвидации разрывов газо- и нефтепроводов, устранением мерзлотных деформаций берм железных дорог, водопропускных сооружений, непредвиденных осадок оснований земляного полотна, локализацией нежелательных ландшафтно-деструктивных процессов, возникающих по периферии трасс и т.п.
Главной особенностью линейных сооружений является их большая протяженность. При инвентаризации воздействий, связанных с оценкой влияния на окружающую среду линейных сооружений, важно учитывать, что ими пересекаются самые разнообразные в ландшафтном отношении участки (Марахтанов, Ушаков, 1992). Причем, в условиях Севера подобное разнообразие, в значительной мере, вызвано крайне неоднородными мерзлотно-грунтовыми условиями, которые обусловливают активное проявление многих инженерно-геокриологических процессов.
К настоящему времени известны случаи негативного воздействия строительства дорог на природную среду криолитозоны Севера. В частности,
13
при строительстве железной дороги Салехард-Надым техногенные повреждения растительного покрова в дальнейшем повлекли за собой серьезные последствия - растительный покров не восстанавливается в течение десятилетий, развилось мерзлотное пучение грунтов, солифлюкционные и термокарстовые явления (Миронов, 1988). Как правило, активная фаза развития подобных деструктивных процессов приходится на первые 1-2 года после нарушения (Дедков, 1995), а затем создаются предпосылки для их постепенно затухания и формирования относительно устойчивых ландшафтов.
Значительные нарушения термического баланса, влекущие за собой активизацию криогенных и посткриогенных процессов, возникают при прокладке и работе газо- и нефтепроводов (Сатаров, 1989). Инфраструктура крупнейших нефтегазовых месторождений региона представляет собой единую комплексную систему, вмещающую все звенья технологической цепи добычи, подготовки и транспортировки углеводородного сырья. Технологические коридоры основных коммуникаций месторождений включают в себя многониточные системы трубопроводов разного назначения (газо-, конденсато-, нефте- и водопроводы) и различных конструктивных способов прокладки диаметром от 114 до 142 мм, дополненные вдольтрассовыми временными грунтовыми и постоянными автомобильными дорог с жёстким покрытием, ЛЭП. Трубопроводные системы месторождений представляют собой сложно организованные региональные природно-технические системы (Егурцов, Сулейманов, 2001).
Помимо уже упоминавшихся видов техногенных нарушений, сопутствующих созданию любых инженерно-линейных сооружений, эксплуатация трубопроводов в «горячем режиме» дополнительно усложняет ландшафтные и мерзлотные условия примыкающей к ним зоны. Примером тому, могут служить результаты строительства трех параллельных ниток газопровода на участках развития плоских и бугристых торфяников в зоне лесотундры. Подобные ландшафты отличает слабая расчлененность и
14
неравномерная заболоченность, они сложены многолетнемерзлыми породами мощностью 20-60 м с температурой -0,7..-2,3°С, залегающими под слоем сезонного протаивания глубиной 0,5 - 1,5 м. Растительность торфяных полей представлена комплексом кустарничково-мохово-лишайниковых тундр. Техногенное воздействие нарушило ландшафт в 40-60 м зоне, прилегающей к полосе коммуникаций. Изменение снежного режима и альбедо поверхности повлекли за собой увеличение мощности СТС на 0,2-0,5 м и повышение температуры МОП на этом участке. Отепляющее влияние трубопровода на температуру ММП распространилось в радиусе 5-8 м, ореолы оттаивания вокруг трубы варьируют в пределах 1-3 м. Более всего пострадали участки с маломощным торфяным покровом - здесь вслед за заболачиванием поверхности началось развитие мелких термокарстовых просадок. Нарушение гидрологического режима территории проявилось, с одной стороны, в осушении приподнятых частей торфяников, с другой - в обводнении и заболачивании пониженных участков в результате подпруживания поверхностных и надмерзлотных вод насыпями (Орлянский, 1985).
Вследствие описанных процессов происходят неравномерные осадки трубопроводов, приводящие к подвижкам труб, а, затем, к изгибам, разрывам и пожарам на этих сооружениях (Нефедова, 1980). Многолетние исследования в нефтегазодобывающих районах Субарктики показали, что основной ущерб природе региона оказывает не строительство инженерных систем и коммуникаций, а их отказ особенно на поздних стадиях эксплуатации, что, очевидно, связано с неудачным взаимодействием инженерных систем с мерзлотными природными системами (Сулейманов и др., 2001).
Криогенные геологические процессы в подавляющем большинстве случаев имеют зональную изменчивость и развиваются в определенных сочетаниях друг с другом. В естественных условиях интенсивные проявления активизации криогенных явлений наблюдаются довольно редко.
15
В то же время, техногенное вмешательство часто приводит к их росту. Количественные показатели проявлений криогенных геологических процессов и характер их развития зависят от природных особенностей конкретной территории. Исследования Н.Г. Москаленко (1999), показали, что на участках строительства газопроводов на западносибирском Севере по причине эолового переноса, термокарста и дефляции (а для холмистых участков и прибровочных частей террас - также из-за развития эрозионных процессов) за 17 лет в различных пикетах первоначальная площадь нарушений возросла от 2 до 30%. Между тем, по оценкам специалистов (Гречищев и др., 1989), на 40% осваиваемой территории региона длительность восстановления нарушенного ландшафта ориентировочно может составить 50-100 лет; при этом на 30% территории деструктивный криогенный процесс приобрел необратимый характер и лишь на 30% площади возможно восстановление ландшафта в течение 5-10 лет.
Влияние обустройства наземной транспортной инфраструктуры на активизацию основных физико-геологических процессов и явлений, наблюдаемых на севере Западной Сибири, обобщенно показано в таблице 1.
16
Таблица 1
Влияние обустройства наземной транспортной инфраструктуры на активизацию физико-геологических процессов, распространенных на севере Западной Сибири (Шишконакова, 2003)
Тип процесса Степень распространения в исследуемом районе Характер нарушений природных ландшафтов Виды ущербов для природных комплексов региона
Термоэрозия Весьма слабо в зоне лесотундры. Очень активна в тундровой зоне - на участках близкого расположения подземных льдов. Нарушение и удаление почвенно-растительного покрова посредством транспортных средств с большой удельной нагрузкой на грунт, подпруживающий эффект насыпей. Развитие овражно-балочной сети - особенно на участках с повышенной льдистостью; увеличение гидрологической контрастности с последующей резкой дифференциацией растительности.
Термокарст Распространен от подзоны арктических тундр до северотаежной зоны включительно. Общая площадь термокарстовых котловин уменьшается с севера на юг, особенно подвержены распространению участки развития полигонально-жильных льдов. Нарушение и уничтожение почвенно-растительного слоя вследствие нерегулируемых проездов транспортных средств с большой удельной нагрузкой на грунт и экологически несовершенными типами движителей (например, металлическими гусеничными). Изменение гидрологического режима и распределения снега вследствие влияния насыпей. Глубокое протаивание, приводящее к образованию новых и росту старых термокарстовых образований -просадок, воронок и озер. Активизируется заболачивание. Развитие в западинах гигрофильных сообществ.
17
Криогенное пучение Повсеместно, особенно на участках высоких геоморфологических уровней, сложенных мелкими пылеватыми песками, суглинками и глинами. Техногенное подпруживание стока, изменение влажностного режима грунтов. Появление новых форм микрорельефа - бугров пучения. Усиление ландшафтной дифференциации в связи с возникновением новых микроформ рельефа.
Новообразование мерзлоты В зоне сплошного распространения ММП. При промерзании гидрогенных таликов, антропогенных насыпей, накоплении и промерзании современных осадков. Вхождение мерзлоты в тело при сооружений насыпей; спуск озер, появление мерзлотных новообразований. Образование мерзлотной плотины, препятствующей нормальному стоку надмерз-лотных вод. Смена растительных сообществ на более холодостойкие, усиление гидроморфизации ландшафтов из-за повышения разделяющих функций насыпей.
Солифлюкция Максимально - в зонах северной и средней тундры, на склоновых участках преимущественного распространения супесчано-суглинистых и глинистых пород. Смятие и снятие растительного покрова при проезде тяжелых транспортных средств, нарушение гидрологического режима и связанная с этим необходимость, планировочных работ перераспределение снежного покрова. Увеличение скорости проявления данного процесса и активизация его на новых участках. Образование новых микроформ рельефа. Воздействие сплывов, активизировавшихся при нарушении рельефа на участки с ненарушенным растительным покровом.
Криогенное растрескивание Повсеместно, наиболее подвержены супесчано- Перераспределение снежного покрова из-за его выдувания, Появление полигональных форм рельефа с |
