Расчегно-сгагистический метод. 
Геоэкология криолитозоны

Для получения количественной интегральной оценки мерзлотно-экологического состояния с целью выявления опасных участков для освоения используется расчетно-статистический прием, основанный на теории факторного анализа и получении уравнения множественной (многофакторной) регрессии.

На основе анализа выбранных факторов вычисляется интегральный показатель их совокупного влияния, например — критерий экологической опасности КЭО, позволяющий учитывать в единой экспертной оценке как мерзлотные, так и эколого-биотические факторы. По сути КЭО — это количественный интегральный безразмерный показатель степени экологического риска, из;

меняющийся от нуля до единицы, который рассчитывается по уравнению множественной регрессии на основе частных оценок: литокриогенного состояния геосистем, самовосстанавливаемости растительности, ресурсного потенциала. При этом допускается, что вид и интенсивность антропогенной нагрузки на все ландшафты одинаковы. Методика апробирована на ряде проектируемых и существующих газои нефтепромыслах Тюменской области и на Енисейском Севере в зоне тундры.

Рассмотрим расчетно-статистический способ интегральной оценки мерзлотно-биотического состояния ландшафтов на примере тестового участка в районе поселка Усть-Порт, где более 20 лет проводилась учебная практика по криолитологии.

Тест-объект «Усть-Порт» расположен на правом берегу Енисея, в 100 км к северу от г. Дудинки в подзоне южной тундры. Ландшафтная и мерзлотная ситуация типична для подзоны Западной Сибири в целом, а также для западной и центральной частей Северо-Сибирской низменности Таймыра.

Ландшафтная структура характеризуется следующими чертами. В пределах Санчуговской возвышенной равнины (абс. выс. 80−160 м) преимущественное развитие имеют различные типы пятнистых тундр с кустарничковым и мохово-лишайниковым покровами. В пределах более низких уровней междуречий — Казанцевской равнины (абс. выс. 60−80 м) и Каргинской террасы (абс. выс. 20−25 м) доминируют типичные зональные кустарниковые тундры (ерниковыс, ивняковые, ольховые) с хорошо выраженным кочковато-пятнистым рельефом. К югу от излучины Енисея встречаются массивы южных кустарниковых тундр с участием лиственничного древостоя (лесотундровые природные комплексы). В пределах междуречий всех уровней широкое распространение имеют полигональные торфяники с ледяными жилами и осоково-гипновые болота. Верхняя часть разреза представлена суглинками, алевритами, торфом.

Мерзлотные условия характеризуются сплошным развитием мерзлых пород со сквозным таликом под руслом Енисея. Мощность мерзлоты 250−400 м. Верхняя часть разреза до глубины 30−50 м сложена весьма льдистыми отложениями. Льды представлены самыми различными модификациями: криогенными текстурами, ледяными жилами, пластовыми льдами, реже — ядрами бугров пучения. Глубина сезонного протаивания варьирует в пределах: 0,5 м (торф); 0,8−1,2 м (суглинок); 1−2 м (песок). Криогенные процессы включают практически вес разновидности, характерные для равнинных территорий. Преобладают морозобойное растрескивание, термокарст, солифлюкция. В этом регионе широко развиты полигональные торфяники, велики заболоченность и заозеренность территории, расчлененность береговых обрывов Енисея.

В методическом плане, процедура оценки потенциальной экологической опасности освоения предусматривает следующую последовательность.

На первом этапе проводится отбор факторов экологической опасности, которые определяют активизацию криогенных процессов и ресурсный потенциал территории. Расположение тест-объекга в области сплошной мерзлоты предопределило спектр и число мерзлотных и эколого-биотичсских факторов. Число мерзлотных критериев вдвое больше биотических.

Набор мерзлотных факторов традиционный — среднегодовая температура пород, их криогенное строение до глубины 10 м, изменение мощности слоя сезонного протаивания и защитные (протекторные) свойства растительности, под которыми понимается ее теплоизолирующая и закрепляющая роль (Зотова, Тумель, 1996). Обоснование выбора этих параметров с точки зрения их влияния на активизацию криогенных процессов приводилось выше.

Эколого-биотическое состояние ландшафтов оценивалось по двум факторам: потенциалу самовосстановления, который определяется скоростью восстановления растительности после нарушения (чем медленнее происходит самовосстановление, тем больше риск освоения) и ресурсному потенциалу территории, который отражает хозяйственную ценность ландшафтов и включает, в первую очередь, показатель ценности пастбищных ресурсов (оленеемкость), а также наличие и обилие промысловых видов животных (песца и ондатры).

где КЭО — кри терий экологической опасности освоения территории; Т — среднегодовая температура грунта (°С); /- суммарное льдосодержание грунта (дол. ед.); S- увеличение глубины сезонного нротаивания (%); Р- протекторные свойства растительного покрова; Ктемп самовосстановления растительного покрова (лет); R — ресурсный потенциал или оленеемкость (гол/га).

Каждый из 20-ти ПТК тестового участка характеризуется фиксированным набором из шести факторов, на основе которых осуществляется их ранжирование по группам опасности.

На втором этапе все факторы калибруются по четырех балльной шкале градаций, по мере влияния на вероятность опасности освоения с инженерно-мерзлотной и экологической точек зрения (табл. 6.3). Таблица отражает результаты первых двух этапов процедуры оценки; се построение аналогично табл. 4.1 для регионального уровня оценки устойчивости.

На третьем этапе критерии биотического и мерзлотного состояния каждого геокомплекса сопоставляются между собой для присвоения каждому ландшафту экспертных значений интегрального индекса КЭО (от 0 до 1).

На четвертом этапе вычисляют коэффициенты корреляции факторов между собой и с экспсртно оцененным КЭО, а также весовые коэффициенты при переменных. Коэффициенты корреляции показывают степень тесноты связи между факторами и итоговой оценкой (КЭО). Пример матрицы коэффициентов корреляции факторов между собой и с КЭО представлен в табл. 6.4.

Наибольшие коэффициенты корреляции, а значит, наиболее существенное влияние на потенциальную активизацию криогенных процессов и на интегральную оценку опасности освоения оказывают льдистость / и защитная роль растительности Р, значения которых, соответственно, составляют 0,781 и 0,629. Из двух биотических параметров наиболее значим показатель оленеемкости R — 0,767. Обратную зависимость имеют два параметра — температура грунта Т и глубина нротаивания S'. При этом параметр глубины нротаивания имеет самый малый коэффициент корреляции.

Незначительное влияние среднегодовой температуры пород объясняется тем, что активизация процессов оценивается сразу после реализации механических воздействий в течение большей части лета, а в случае с пучением — в ходе промерзания при температуре осенне-раннезимнего периода. Следовательно, на локальном уровне оценок среднегодовая температура пород оказывается слишком общей характеристикой температурного поля для перио;

Оценка влияния мерзлотных и биотических факторов на возрастание опасности освоения, тест-объект «Усть-Порт».

Таблица 6.3.

Таблица 6.4.

Корреляционная матрица параметров (тест-объект «Усть-Порт»).

да активного развития криогенных процессов (разгар лета и предзимье). Слабая корреляция КЭО с глубиной протаивания объясняется следующим. В оценках КЭО используется максимальная глубина протаивания, фиксируемая в самом конце летнего сезона, перед началом промерзания. Вместе с тем такие процессы, как солифлюкция, оплывание, оползание, термоэрозия активно развиваются на протяжении всего периода протаивания и наиболее активно в самое теплое время летнего сезона. Термокарст и пучение в естественных условиях формируются, прежде всего, в зависимости от льдосодержаиия или влажности грунтов и далеко не всегда коррелируют с глубинами сезонного протаивания или промерзания.

Следует подчеркнуть, что приводимые оценки сделаны на локальном уровне исследований. При рассмотрении больших территорий в обзорно-региональных масштабах, особенно на зональном уровне, значимость оценки температуры пород может возрасти. Относительно оценки изменения максимальной глубины деятельного слоя почвогрунтов опыт показывает, что этот фактор более значим на юге криолитозоны, где в большей степени контролирует развитие и активизацию криогенных процессов и экологическую ситуацию в целом.

На пятом этапе работы, на основании анализа исходных данных по 20-ти ПТК. получено уравнение множественной регрессии, которое имеет вид:

Ю0 = 0,01/ + 0,1 IT + 0,04/⁵ — 0, IS+ 0, OIK+ 0,12/?+ 0,75. (6.2).

Свободный член 0,75 обеспечивает изменение КЭО от 0 до 1. Физический смысл коэффициента регрессии при каком-либо факторе (например, 0,04 при Р) означает, что увеличение/⁵на единицу приводит к увеличению КЭО на 0,04, при условии, что остальные факторы не изменяются.

Проверка значимости коэффициентов регрессии уравнения 6.2 при 10% вероятности ошибки показала, что коэффициенты при факторах Г, S и V нс значимы. После их выбраковки итоговое уравнение принимает вид:

из которого следует, что чем больше льдосодержание пород, меньше протекторные свойства напочвенного покрова и больше продуктивность пастбищ, тем больше значение КЭО, а значит выше риск хозяйственного освоения.

Коэффициент множественной корреляции равен 0,79.

Средняя относительная ошибка, указывающая на отклонение расчетных величин от фактических (экспертно назначенных), составила 16,3%.

Уравнение 6.3 показывает, что наибольший «вклад» в итоговую оценку опасности освоения тест-объекта «Усть-Порт» вносят показатели льдисгости /, протекторных свойств растительного покрова Р и показатель продуктивности пастбищ R.

По уравнению 6.3 для каждого ПТК тестового участка были получены расчетные значения КЭО от нуля до единицы. Чем больше значения КЭО, тем ниже литокриогенная устойчивость ландшафта с точки зрения потенциальной активизации криогенных процессов, выше экологическая ценность пастбищ, а значит, больше риск хозяйственного освоения. Полученное уравнение эмпирическое, позволяющие в сжатой форме приближенно выразить зависимость, и носит региональный характер. В данном случае, оно репрезентативно для подзоны южной тундры Западной Сибири в целом, а также для западной и центральной частей Северо-Сибирской низменности Таймырского полуострова, правомерность использования которого подтверждается апробированием на ряде тестовых участков региона.

На шестом этапе, проводят группирование всех ПТК по типу уязвимости к освоению с учетом градаций расчегных значений КЭО (табл. 6.5).

Высокая степень опасности — КЭО более 0,75. В эту группу входят следующие ПТК:

• • типичные тундры, литокриогенная основа которых представлена сильно льдистыми суглинками и алевритами (при удалении растительности на плакорах эти ПТК активно перерабатываются термокарстом, на склонах — солифлюкцией, термоэрозией, оплыванием, оползанием),
• • полигональные торфяники с ледяными жилами, поверхность которых предохраняется от протаивания мощным мохово-лишайниковым покровом (удаление напочвенного покрова приведет к прогрессирующему термокарстовому проседанию полигонов, а по трещинам — к интенсивной термоэрозии),
• • лесотундровые Г1ТК с высокой оленссмкостью и крайне низким потенциалом самовосстановления.

Во всех ландшафтах со значениями КЭО выше 0,75 никакая промышленная деятельность не допустима.

Средняя степень опасности — КЭО от 0,46 до 0,75. В эту группу вошли: пятнистые моховые и лишайниковые тундры, лиственничные редколесья, осоково-гипновыеболота и высокая пойма Енисея, заросшая густым кустарником. Все типы механических нарушений приведут к развитию заболоченности и площадного пучения, локальному проявлению глубокого термокарста и термоэрозии, солифлюкции.

В этой группе ПТК антропогенные нарушения допустимы, но с соблюдением ряда инженерно-мерзлотных и фиторекультивационных природоохранных мероприятий.

Низкая степень опасности — КЭО менее 0,45. Природные комплексы этой группы (пятнистые травяно-кустарничковые тундры, склонные к активной дефляции и опустыниванию; прирусловые отмели, а также луга в долине Енисея и закустаренные долины мелких рек) занимают небольшие площади и характеризуются угнетенной растительностью или ее отсутствием. Природохозяйственная значимость их невелика.

Механические нарушения в ходе освоения здесь допустимы без дополнительных ограничений и без существенного риска для окружающей среды.

?Сь оо Оценка экологической опасности освоения территории, тсст-объскт «Усть-11орт».

Таблица 6.5.

Градации коэффициета экологической опасности: >0,75 — высокая степень опасности; 0,46−0,75 — средняя степень опасности; <0,45 — тикая степень опасности.

Заключительный, седьмой этап — оценочное картографирование с учетом градаций КЗ О по трем степеням опасности. На карте «Экологической опасности освоения тест-объекта «Усть-Порт» масштаба 1:200 000 (рис. 6.2) видно, что около половины территории занято природными комплексами с высоким риском освоения,.

Рис. 6.2. Карта «Экологической опасности освоения тест-объекта «Усть-Порт» (условные обозначения в табл. 6.5) что можно объяснить тем, что литогенная основа ландшафтов характеризуется большой льдистостыо, велики защитные свойства растительности, а ресурсный потенциал геосистем значителен (в первую очередь, как ценных пастбищных угодий).

Расчетно-статистический метод позволяет достаточно быстро, без проведения дорогостоящих и трудоемких полевых работ, на основе данных региональной системы экологического мониторинга и специалистов-экспертов, хорошо знающих район:

• • произвести оценку биотических и мерзлотных показателей, установив их приоритетность, значимость в суммарной оценке устойчивости, кризисности и других состояний геосистем при техногенезе;
• • провести районирование территории и дать количественную харакгеристику состояния экологической обстановки;
• • включить в единую экспертную оценку данные по другим составляющим гсокомплскса (климату, почвам, водному режиму

и пр.);

• упростить обработку информации по мерзлотно-экологическому состоянию ландшафтов на основе вычисления интегральных индексов для целей ГИС-картографирования.

В практических целях этот метод целесообразно применять при проведении крупномасштабных исследований на тестовых участках системы экологического мониторинга, а также при составлении оценочных и природоохранных карт.