Спосіб керування формуванням екосистем

Спосіб керування формуванням екосистем, який відрізняється тим, що попередньо здійснюють вибір структурного і/або функціонального типу керування, а керування здійснюють зміненням форм рельєфу гірничою технікою, а саме шляхом створення відповідних ділянок поверхні землі: утворюють округло-опуклу форму ділянки поверхні землі створенням насипів для повільного розсіювального вивільнення хімічних речовин; утворюють округло-увігнуту форму ділянки поверхні землі створенням виїмок і западин для повільного концентраційного вивільнення хімічних речовин; утворюють поздовжньо поперечну форму ділянки поверхні землі створенням насипів і валів для рівномірного розподілення хімічних елементів по схилу; утворюють поздовжньо видовжену форму U 2 (19) 1 3 раціонального поводження з індустріально порушеними землями [1]. Відомий також спосіб проведення біологічного етапу рекультивації (наприклад, патент Російської Федерації №99114368 А, дата публікації 10.09.2003 p.), який описує технології штучного створення рослинного покриву різного господарського призначення після припинення експлуатації індустріальних територій. Недоліком є створення рослинного покриву без урахування процесів природного генезису рослинності і геохімічної обумовленості її розвитку. Наслідком впровадження за рідким виключенням є деградація рекультиваційних насаджень до повної їх деструкції. Також відомий спосіб покращення субстратів для подальшого створення різнотипових насаджень (наприклад, патент Російської Федерації №2006142543 А, дата публікації 10.06.2008 р. [5]), що передбачає формування штучних субстратів, сприятливих для певних типів рослинних угруповань та здійснення агротехнічних заходів з підтримки цільового типу рослинності. Недоліком є матеріало- та енергоємність технології, потреба у нагляді та обмеженість впровадження в умовах розробки крутопадаючих покладів відкритим способом. Отже, всі розробки характеризуються відсутністю екосистемологічного підходу і не враховують геохімічний компонент навколишнього середовища з процесами його розвитку, який відбувається внаслідок вивітрювання гірських порід, дії геохімічних потоків, зокрема полютантів, та генезису біотичної складової [2, 3]. Найближчим до технічного рішення є місцевий спосіб рекультивації гірських відвалів, що базується на оцінці структури, стійкості, продуктивності, параметрів і функцій екосистем різного генезису (наприклад, патент Російської Федерації 2343286 С1, дата публікації 10.01.2009). Недоліком є те, що він не враховує динамічних змін літогеохімічних параметрів екосистеми, а саме параметрів речовинного обміну екосистеми внаслідок функціонування літогеохімічних потоків. Літогеохімічний потік - потік речовини, що трансформується в екосистемі, і є причиною літогенних процесів (утворення та наступні зміни осадових гірських порід). Задачею корисної моделі є удосконалення наведеного способу шляхом виключення гірничотехнічного етапу рекультивації і заміщення його структурним і/або функціональним керуванням формуванням екосистем [3] за допомогою використання енергії екосистеми на виконання певної "корисної" роботи (екологічної, геохімічної, геоморфологічної та ін.) [5]. Означене зменшить витрати лише посадкового матеріалу в 2-3 рази, а також знизить витрати на розробку родовищ, на створення цільових екосистем для виведення земель гірничого відводу з експлуатації тощо. Цільові екосистеми – екосистеми, структура та функції яких відповідають вимогам для заданого використання (наприклад лісова, рекреаційна, аграрна, степова та інші). Поставлена задача вирішується тим, що відповідно до корисної моделі в способі керування формуванням екосистем попередньо здійснюють 65959 4 вибір структурного і/або функціонального типу керування, а керування здійснюють зміненою форм рельєфу гірничою технікою, а саме шляхом створення відповідних ділянок поверхні землі: утворюють округло-опуклу форму ділянки поверхні землі створенням насипів для повільного розсіювального вивільнення хімічних речовин; утворюють округло-увігнуту форму ділянки поверхні землі створенням виїмок і западин для повільного концентраційного вивільнення хімічних речовин; утворюють поздовжньо поперечну форму ділянки поверхні землі створенням насипів і валів для рівномірного розподілення хімічних елементів по схилу; утворюють поздовжньо видовжену форму ділянки поверхні землі створенням повздовжніх насипів і валів для акумулювання хімічних речовин в нижній частині схилу; утворюють зіркоподібну та подібну до неї форми ділянки поверхні землі створенням насипів складної неправильної форми для максимально швидкого вивільнення хімічних речовин; утворюють трикутну та деревоподібну концентраційну форми ділянки поверхні землі відсипкою трикутних насипів, обмежуванням глинистими насипами для накопичення хімічних елементів в нижній частині схилів; утворюють трикутну та деревоподібну розсіювальну форму ділянки поверхні землі відсипкою трикутних насипів для розсіювання хімічних елементів за рахунок дії схилових процесів та технічними заходами регулювання енергетичного та хімічного балансів екосистем, а саме перерозподілом водних і сольових потоків, внесенням органічних та неорганічних речовин, змінами поверхневого шару, розмірів елементів рельєфу та часових характеристик літогеохімічних потоків, у тому числі їх потужності та здатності до формування цільових екосистем тощо, враховуючи характеристики літогеохімічних потоків, вихідні умови гірських порід та рельєфу поверхонь. Визначено, що для умов порушених земель два принципи керування формуванням екосистем - структурне та функціональне (Фіг.1). Структурне керування базується не лише на закономірностях динаміки вивітрювання порід, концентрації хімічних елементів у породах, хімічному потенціалі (можливість утворення сполук та реакційна здатність субстратів), а й на топологічній структурі порушених земель. Тобто великого значення набувають не тільки форма рельєфу, але й форми розміщення порід. При врахуванні топологічної складової формування літогеохімічного потоку на схилах великого значення набуває форма геохімічних контурів (відповідних ділянок поверхні з певною концентрацією визначеного елемента). Так, створення округлих рельєфних утворень з аномальними концентраціями речовин максимально довго зберігатиме ці концентрації у породах та сприятиме повільному вивільненню хімічних речовин (табл.5). Округлі-увігнуті форми рельєфу сприяють накопиченню речовин в місці їх розташування. Подовжені геохімічні контури, направлені вздовж схилу, сприяють перерозподілу концентрації хімічних елементів з акумулюванням в основі схилу. Поперечно направлені видовжені контури вздовж схилу рівномірно розподіляють потоками хімічні елемен 5 ти, не спричинюючи значних аномалій, а збагачуючи важливими для рослин мінеральними макрота мікроелементами. За необхідності для максимально швидкого вивільнення хімічних речовин слід застосовувати контури неправильних та складних форм (наприклад, зіркоподібної). Трикутні та деревоподібні форми контурів (форми фінальної відсипки) здатні сприяти накопиченню хімічних елементів (при направленні одного кута або "стовбура дерева" вниз) або їх розсіюванню (направлення основи трикутника або "гілок дерева" донизу) (Фіг.6). Створення геохімічних контурів є найбільш доцільним при завершальній відсипці відвалів (формуванні залишкових параметрів техногенних об'єктів), оскільки доступними залишаються технічні можливості. Отже, за рахунок цього виду керування визначаються основні структурні елементи літогеохімічних потоків. Функціональне керування формуванням екосистем визначає якісний стан компонентів та зв'язків екосистеми, яке здійснюється регулюванням водного і сольового балансу території, вуглецевих параметрів екосистем тощо. Наприклад, внесення органічних речовин, мінеральних добрив в уже сформований рельєф порушених гірничими роботами земель. Функціональне керування формуванням екосистем здійснюють за допомогою технічних заходів регулювання енергетичного та хімічного балансу екосистем, зміни розмірів елементів рельєфу, часових характеристик літогеохімічних потоків, у тому числі їх потужності та здатності до формування цільових екосистем. Цільові екосистеми екосистеми, структура та функції яких відповідають вимогам для заданого типу використання (наприклад, лісова, рекреаційна, аграрна, степова та інші). Оскільки функціональне керування здійснюється зміною характеристик ландшафтів без порушення структурних складових (водного, сольового балансу території та вуглецевих параметрів екосистем), це є перспективним при керуванні літогеохімічними потоками на вже створених техногенних об'єктах. Регулювання водного балансу порушених гірничими роботами територій проводиться за рахунок формування розподілу стоку вод. Це досягається зміною форм рельєфу за допомогою технічних заходів (табл.2). При цьому, найбільш розповсюдженими завданнями є рівномірне розподілення вологи на площині схилу (Фіг.2), або ж концентрація водних потоків на певних ділянках (Фіг.3). Сольовий баланс території визначається використанням схем розсіювання і концентрації солей при формуванні техногенного рельєфу та за допомогою проведення спеціальних технічних заходів (табл.3). Керування вуглецевого балансу порушених земель (наприклад, внесення осадів стічних вод тощо) дозволяє забезпечити екосистему необхідною кількістю органічних речовин. Для керування потоками за статичними та динамічними парамет 65959 6 рами балансу вуглецю в екосистемі слід визначити напрямки формування екосистем, їх основні трансформаційні функції та наявний запас органічних речовин у породах (табл.4). При цьому, метою керування потоками є рівномірне розподілення органічних речовин схилом або концентрація органічних речовин на певних ділянках. Перелік креслень: Фіг.1 - блок-схема керування формуванням екосистем. Фіг.2 - схеми технологічних процесів рівномірного розподілення вологи на схилах порушених гірничими роботами земель, де А - відсипка глинистих екранів у верхніх частинах схилів автосамоскидами, бульдозерами і думпкарами, В - формування косих борозен та виїмок на схилах драглайнами та екскаваторами; С - відсипка ланцюгів мікропагорбів навскоси драглайнами, екскаваторами та відсипка ступінчастих глинистих бар'єрів драглайнами; D - мікротерасування з глинистими карманами - зменшення висоти уступів при відвалоутворенні та чергуванні порід з глинистими на схилах за допомогою бульдозерів, драглайнів, автосамоскидів; відсипка ступінчастих глинистих бар'єрів драглайнами. Фіг.3 - схеми технологічних процесів з концентрації вологи на певних ділянках схилів та вирівняних поверхнях, де А - відсипка насипів глини, суглинку у нижній частині схилів автосамоскидами, бульдозерами, драглайнами; відсипка глинистих карманів (напівмісяців) на ділянках концентрації потоків екскаваторами, драглайнами; В - відсипка пагорбів (конусів) порід у шаховому порядку автосамоскидами; відсипка ланцюгів пагорбів автосамоскидами, драглайнами, відвалоутворювачами; виїмка на поверхні екскаваторами, драглайнами. Фіг.4 - схеми технологічних процесів з регулювання сольового балансу на порушених гірничими роботами землях, де А - відсипка засолених порід локально у невеликих кількостях у верхніх частинах схилів або на терасі над схилом автосамоскидами, екскаваторами, думпкарами, драглайнами; В - відсипка частково засолених порід у верхніх частинах та глинистих порід - у нижніх автосамоскидами, екскаваторами, драглайнами; С - концентрація водних стоків з площин насипами - автосамоскидами, екскаваторами, драглайнами; D відсипка засолених порід на поверхні (локально) автосамоскидами. Фіг.5 - схеми технологічних процесів з розподілення органічних речовин на схилах порушених гірничими роботами земель, де А - відсипка валу органічних речовин над схилом автосамоскидами та бульдозерами; поливання водними сумішами (осадів стічних вод) поливальними машинами, гідромоніторами; В - засипання шаром органічних речовин гвинтовими турбодвигунами, розкидувальними машинами, гелікоптерами або драглайнами. Фіг.6 - схеми технологічних процесів зі створення топологічних форм геохімічних контурів на схилах порушених гірничими роботами земель, де ліворуч - схема створення повздовжніх насипів та валів екскаваторами, драглайнами, праворуч 7 65959 схема відсипки трикутних насипів, обмеження глинистими насипами, екскаваторами, драглайнами. Табл.1 - приклади підбору технічних заходів формування рельєфу та літогеохімічних потоків. Табл.2 - технічні заходи регулювання водного балансу для функціонального керування формуванням екосистем. Табл.3 - технічні заходи регулювання сольового балансу для функціонального керування формуванням екосистем. Табл.4 - технічні заходи керування вуглецевого балансу екосистеми для функціонального керування формуванням екосистем. Табл.5 - основні технологічні характеристики топологічних форм геохімічних контурів. Приклади реалізації способу керування формуванням екосистем у відповідності до алгоритму керування літогеохімічними потоками наведено у табл.2. Систематизація та конкретизація технологічних процесів представлені у табл.2-5. Використання пропонованого способу дозволить знизити індустріальне навантаження регіону, підвищити рівень екологічної безпеки видобутку корисних копалин, мінімізувати ландшафтні та екологічні порушення, зокрема зменшити пилоутворення, тиск на гідросферу тощо. Все це сприятиме збереженню екологічних режимів місцевості і біологічної продуктивності земель, відновленню біологічного та ландшафтного різноманіття, отриманню цільових стійких екосистем, які не потребують доглядних робіт тощо. Джерела: 1. Сметана С.М. Екологічна класифікація техногенних ландшафтів гірничодобувних регіонів // 8 Екологія і природокористування: збірник наукових праць Інституту проблем природокористування та екології НАН України. Випуск 11. - Дніпропетровськ, 2008. - С. 30-41. 2. Сметана С.М. Підвищення екобезпеки порушених гірничими роботами територій при застосуванні методів цілеспрямованого прискореного формування екосистем // Екологія і природокористування: збірник наукових праць Інституту проблем природокористування та екології НАН України. Випуск 13. - Дніпропетровськ, 2010. - С. 74-89. 3. Сметана С.М., Сметана О.М. Екологічна класифікація техногенних ландшафтів як основа для направленого формування вторинних екосистем на порушених гірничими роботами землях Кривбасу // Вісник Криворізького технічного університету: збірник наукових праць. - Вип. 24, Кривий Ріг, 2009. - С. 158-161. 4. Сметана С.М., Сметана О.М. Принципи управління літогеохімічними потоками на порушених гірничими роботами землях з метою поліпшення екобезпеки гірничодобувних регіонів // Довкілля - XXI. Матеріали п'ятої Міжнародної молодіжної наукової конференції. Дніпропетровськ, 2010. - С. 66-67. 5. Заявка №2006142543 А Российская Федерация, МПК А01В 79/02. Способ рекультивации нарушенных земель / Блинов С.М., Хозяйкин А.И., Усольцева СП., Доможирова С.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное гос. научное учреждение "Естественно-научный институт". №2006142543/12; заявл. 30.11.2006; опубл. 10.06.08, Бюл. №16. Таблиця 1 Спосіб керування формуванням екосистем Вихідні умови (за проектом гірничих робіт) 1 2 ВологоКлімат: степозабезпечення вий. лісових рос- Рельєф: рівлин нинне плато зовнішнього відвалу (висота над поверхнею - 60 м). Породи: кварцитові роговики. Фізичні: скельні міцні породи; Хімічні: нейтральні, незасолені, бідні. Мета формування потоку Тип потоку 3 Гідрогеохімічні: поверхневий лінійний та внутріпородний інфільтраційний з можливими елементами водно-зважених та воднорозчинних потоків. Характеристики ці- Технологічне забезТехнічні заходи льового ландшафту печення 4 Клімат: лісовий мікроклімат. Рельєф: пагорбистий. Породи: суміш суглинків із кварцитами, можливі локальні насипи органічних речовин. Фізичні: скельні міцні породи у суміші з глинистими породами. Хімічні: нейтральні незасолені, можливо збільшені концентрації органічних речовин. 5 Проектні розробки: змішування поверхневих шарів порід із суглинками при завершальній відсипці, виключення робіт з вирівнювання поверхні. Проведення відсипки пагорбів із суміші суглинків та каміння (кварцити) на рівнинну поверхню за дифузним (або рядовим) принципом, внесення органічних речовин в утворені низини. 6 Перемінна відсипка порід автосамоскидам і/або драглайнами. Внесення органічних речовин (осадів стічних вод) дистанційно гідромонітором. 9 65959 10 Продовження таблиці 1 1 Забезпечення рослин поживними речовина ми 2 Клімат: степовий. Рельєф: схили зовнішніх відвалів. Породи: кварцитові роговики. Фізичні: скельні міцні породи. Хімічні: нейтральні, незасолені, бідні. 3 Гідрогеохімічні: поверхневий площинний та внутріпородний інфільтраційний з елементами водно-зважених та воднорозчинних потоків. 4 Клімат: степовий. Рельєф: схили ускладнені насипами. Породи: суміш кварцитів із суглинками, локальні насипи органічних речовин та засолених порід у верхніх частинах схилів. Фізичні: суміш скельних та суглинистих порід. Хімічні: збільшені концентрації органічних речовин та солей. 5 Проектні розробки: змішування поверхневих шарів порід із суглинками, або осадами стічних вод при завершальній відсипці, нанесення засолених порід локально у невеликих кількостях у верхні частини схилів. Внесення на схили незначної кількості суглинків, глин, осадів стічних вод прямим висипанням, нанесення засолених порід у невеликих кількостях у верхні частини схилів. 6 Перемінна відсипка порід автосамоскидам і/або знесення бульдозером. Внесення органічних речовин (осадів стічних вод) дистанційно гідромонітором. Таблиця 2 Спосіб керування формуванням екосистем Рельєфна основа Мета керування Технічні заходи Борти кар'єрів, Рівномірне (площин- Відсипка глинистих екранів у верхніх частинах схилів автосамоссхили відвалів, не) розподілення во- кидами, бульдозерами, думкарами (Фіг.2). дамб шламо- і логи хвостосховищ Формування косих борозен на схилах драглайнами, екскаваторами (Фіг.2). Відсипання ланцюгів мікропагорбів навкоси драглайнами, екскаваторами (Фіг.2). Відсипка ступінчастих глинистих бар'єрів драглайнами (Фіг.2). Концентрація у пев- Відсипка насипів глини, суглинку у нижній частині схилів - автоних локалітетах самоскиди, бульдозери, драглайни (Фіг.2). Відсипка глинистих карманів (напівмісяців) у локалітетах концентрації потоків - екскаватори, драглайни (Фіг.2). Виїмки на схилах - екскаваторами, драглайнами (Фіг.3). Рівномірне розподі- Мікротерасування з глинистими карманами - зменшення висоти лення (за глибиною уступів при відвалоутворенні та чергування порід на схилах з фільтрації) глинистими - бульдозерами, драглайнами, автосамоскидами (Фіг.2). Відсипка ступінчастих глинистих бар'єрів - драглайнами (Фіг.2). Плато відвалів, Концентрація у пев- Відсипка пагорбів (конусів) порід у шаховому порядку автосамодамб шламо- і них локалітетах скидами (Фіг.3). хвостосховищ Відсипка ланцюгів пагорбів автосамоскидами, драглайнами, відвалоутворювачами (Фіг.3). Виїмки на поверхні - екскаваторами, драглайнами (Фіг.3). Дно (підошва) ка- Акумуляція води Створення екрану з глин (за потреби) - автосамоскиди та бульр'єрів дозери Чаша шламо- і Акумуляція водних Відсипка екранів з глин на плесах автосамоскидами та бульдохвостосховища зі потоків зерами плесами 11 65959 12 Таблиця 3 Спосіб керування формуванням екосистем Рельєфна основа Мета керування Технічні заходи Схили бортів кар'єрів, Рівномірне (площин- Відсипка засолених порід локально у невеликих кількостях у відвалів, дамб шламо- не) розподілення іо- верхніх частинах схилів або на терасі над схилом автосамоі хвостосховищ нів солей скидами, екскаваторами, думпкарами, драглайнами (Фіг.4). Відсипка частково засолених порід у верхніх частинах та глинистих порід - у нижніх автосамоскидами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.4). Створення концент- Відсипка засолених порід у верхніх частинах схилів (локальраційних кіл но) автосамоскидами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.4). Промивання засоле- Концентрація водних стоків з площин насипами - автосамосних порід кидами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.4). Плато відвалів, дамб Створення концент- Відсипка засолених порід на поверхні (локально) автосамосшламо- і хвостосхораційних кіл кидами (Фіг.4). вищ Чаша шламо- і хвосто- Елімінування міграції Нанесення глинистого екрану на поверхню пляжів автосасховища зі плесами солей з пляжів до москидами та бульдозерами чаші Таблиця 4 Спосіб керування формуванням екосистем Рельєфна основа Мета керування Технічні заходи Схили бортів кар'єрів, Рівномірне розподі- Відсипка джерел органічних речовин у верхніх частинах схивідвалів, дамб шламо- лення органічних лів, засипка схилів тонким шаром скельних порід (за їх відсуі хвостосховищ речовин схилом тності) автосамоскидами, бульдозерами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.5). Відсипка валу органічних речовин над схилом - автосамоскиди та бульдозери (Фіг.5). Поливання водними сумішами (осадів стічних вод) - поливальні машини, гідромонітори (Фіг.5). Засипання шаром органічних речовин - гвинтові турбодвигуни, розкидувальні машини, гелікоптери, драглайни (Фіг.5) Концентрація орга- Відсипка органічних речовин насипами вздовж схилу драгнічних речовин у лайнами, екскаваторами. певних локалітетах Виливання сумішей органічних речовин поливальними машинами Відсипка органічних речовин у виїмки екскаваторами, драглайнами Плато відвалів, дамб Рівномірне розподі- Відсипка органічних речовин розкидувальними машинами, шламо- і хвостосхолення органічних автосамоскидами вищ речовин Заливання сумішей поливальними машинами, гідромоніторами Концентрація орга- Відсипка пагорбів автосамоскидами. нічних речовин у Заливання або засипання горбистої поверхні сумішами з орпевних локалітетах ганічними речовинами гідромоніторами, гелікоптерами Дно (підошва) кар'єрів, Розподілення орга- Відсипка по берегах водойм сумішей з органічними речовичаша шламо- і хвосто- нічних речовин (ло- нами розкидувальними машинами сховища зі плесами кальне) 13 65959 14 Таблиця 5 Спосіб керування формуванням екосистем Форма геохімічного конФункція геохімічного контуру туру Колоподібний випуклий Повільне розсіювальне вивільнення хімічних речовин Колоподібний ввігнутий Повільне концентраційне вивільнення хімічних речовин Подовжені поперечні Подовжені повздовжні Неправильної форми Трикутні та деревоподібні концентраційні Трикутні та деревоподібні розсіювальні Технічні заходи Створення насипів автосамоскидами, екскаваторами (Фіг.3) Засипання виїмок джерелом хімічних речовин гідромоніторами, розкидувальними машинами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.3) Рівномірне розподілення хімі- Створення насипів, валів автосамоскидами, думчних елементів схилом пкарами, бульдозерами, екскаваторами (Фіг.4) Акумулювання хімічних речо- Створення повздовжніх насипів, валів екскаватовин в основі схилу рами, драглайнами (Фіг.6) Максимально швидке вивіль- Створення насипів складної неправильної форми нення хімічних речовин автосамоскидами, екскаваторами, драглайнами Накопичення хімічних елемен- Відсипка трикутних насипів, обмежування глинитів в нижній частині схилів стими насипами, екскаваторами, драглайнами (Фіг.6) Розсіювання хімічних елемен- Відсипка трикутних насипів екскаваторами, драгтів схилом лайнами (Фіг.6) 15 65959 16 17 65959 18 19 Комп’ютерна верстка А. Рябко 65959 Підписне 20 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601