СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОЕМОВ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ И СУБАРКТИКИ Российский патент 2022 года по МПК E21C41/32 A01B79/02 

Изобретение относится к области восстановления нарушенных земель в условиях Арктики и Субарктики и может быть использовано для восстановления почвенно-растительного покрова на прибрежных участках техногенных водоемов (отстойников) и создания благоприятных условий для формирования в этих искусственных озерах водной экосистемы, близкой по характеристикам к естественной.

Во время добычи полезных ископаемых (на примере добычи алмазов) открытым методом, после промывных работ в долинах мелких рек и ручьев остаются многочисленные отстойники, заполненные водой, борта которых сложены пустыми скальными плотными обломками пород. Так что рекультивация техногенных водоемов и создание устойчивого ландшафта с эстетической и природоохранной ценностью должна являться одним из приоритетных направлений при восстановлении нарушенных земель для современной алмазодобывающей деятельности.

Изобретений, описывающих поэтапный способ восстановления экосистемы в техногенно-созданных водоемах, сформированных при открытом способе разработки алмазоносных месторождений в условиях Арктики и Субарктики, или близких к нему на данный момент нет.

При разработке способа, авторами были выявлены значимость для восстановления растительного покрова особенностей формы и сложения бортов отстойников, а также агрохимических показателей грунта. Было обнаружено, что для формирования биоты немаловажное значение имеет глубина искусственных водоемов. А восстановлению макрофитов хорошо способствуют искусственные гидроботанические островки. Сообщества макрофитов в свою очередь привлекают внимание водных и амфибионтных насекомых и помогают дальнейшему заселению отстойников. Было установлено, что изобретенный способ положительно влияет на состав фитопланктона и фитоперифитона водоемов. Рекультивация склонов отвалов способствуют активному самовосстановлению сообществ напочвенных беспозвоночных, разнообразие которых зачастую значительно превосходит природные сообщества. Таким образом, данное изобретение может стать подспорьем в решении задач рационального природопользования и сохранения уязвимых северных территорий.

Техническим результатом изобретения является восстановление экосистемы техногенных водоемов (отстойников), достаточное для того, чтобы уже через несколько лет можно было получить водно-болотные угодья, приближенные к естественным.

Технический результат изобретения достигается выполнением горнотехнического и биологического этапов рекультивации отстойника и прилегающих территорий.

Первый этап предусматривает техническую планировку территории и создание искусственной почвы по берегам техногенного водоема. Производится уборка крупногабаритного металлического мусора, закругление берегов и выполаживание поверхности - откосы должны быть не более 12°, откос южной экспозиции должен быть около 5°. Наиболее пологий берег служит благоприятным условием для появления и развития зообентоса. Глубина водоема должна быть не менее 4 м, при небольшой глубине рекомендуется углубление до заданного значения.

Известно, что техническая рекультивация (ГОСТ 17.5.3.04-83) предусматривает нанесение потенциально плодородного слоя вскрышных пород мощностью 1-2 м, нанесение плодородного слоя почвы мощностью 0,2-0,5 м с выполаживанием поверхности и последующим посевом трав, кустарников и деревьев. Недостатком метода является длительность по времени, трудоемкость, затратность, а также то, что в условиях Севера не формируется полноценный гумусовый горизонт, который можно использовать в качестве источника плодородного слоя.

Известен способ восстановления полностью уничтоженных природных растительных сообществ (авт. св. SU 1217284 A1, 15.03.1986, МПК³ А01В 79/02), заключающийся в густых и сверхредких посадках дерна и оставлении полос для самозарастания. Недостаток способа также заключается в том, что дерн для нанесения затруднительно доставить к месту рекультивации, а на месте он формируется лишь по очень узким поймам рек.

Известен способ рекультивации земель в зоне многолетних мерзлых грунтов (авт. св. SU 1535408 A1, 15.01.1990, А01В 79/02), нарушенных открытой разработкой месторождений, включающий планировку и создание корнеобитаемого слоя из потенциально-плодородных грунтов - палеопочвогрунтосмесей, которые наносят слоем не менее 20-25 см с последующим трехлетним внесением повышенной дозы минеральных удобрений. Этот способ экономически и технически практически неосуществим для территории Арктики и Субарктики.

Существует способ формирования корнеобитаемого слоя поверхности отвалов, образованных открытой разработкой полезных ископаемых для биологической рекультивации (RU 2478165 С2, 01.07.2011, Е21С 41/32), заключающийся в том, что корнеобитаемый слой формируют путем создания гумусово-аккумулятивного технозема за счет внесения верхнего плодородного слоя почвы в подстилающие породы при одновременном снятии, погрузки, транспортировки и нанесении верхнего вскрышного уступа на поверхность отвала мощностью не менее 2 м, с последующим формированием растительного покрова с использованием посадочного материала, обработанного комплексным биопрепаратом. Данный способ технически не подходит для восстановления прибрежных частей отстойников.

Авторами способа предложен наименее затратный и технически выполнимый в короткие сроки метод формирования искусственного почвенного слоя, пригодного для последующей посадки растений. Технической рекультивации для восстановления аквакультуры в водоеме подлежит полоса прибрежной части шириной не менее 10 м. Здесь нужно отметить, что в районе формирования отстойников всегда есть отвалы, состоящие из почвы, снятой с поверхности, и аллювия, поднятого со дна ручьев, а также илоотстойники из мелкодисперсного отмытого материала (супеси или песка) - их формирование связано с технологией разработки месторождения. Подготовка к нанесению потенциально-плодородного слоя заключается в том, что сначала создается устойчивый прикатанный слой-основа мощностью не менее 50 см путем смешивания обломочного горного материала с мелкодисперсным материалом из ближайших илоотстойников из расчета приблизительно 1:1. Перемещение пород бульдозерами производится при рабочем ходе, как правило, в одном направлении и не менее двух-трех проходах по одному следу для уплотнения. Источником потенциально-плодородных грунтов являются ближайшие грунтовые отвалы, сформированные во время вскрышных работ на участке. Мощность потенциально-плодородного слоя должна быть не менее 30 см. Нельзя использовать свежие отвалы, так как они обычно сильно переувлажнены и бесструктурны. Лучше использовать хорошо промерзшие устойчивые отвалы не менее 3-4-х летнего возраста с признаками самозарастания. Слои с таких отвалов следует снимать осторожно с поверхности, не сильно нарушая замерзшую часть, чтобы нанесенные грунты были более сухими и относительно структурированными. Нанесение плодородного слоя почвы в нашем случае необязательно.

Параллельно с нанесением потенциально-плодородного слоя производится чистовая планировка (окончательное выравнивание поверхности и исправление микрорельефа при незначительных объемах работ в целях предотвращения избыточного уплотнения грунта). Чистовая планировка в целях предотвращения избыточного уплотнения грунта производится при одном рабочем ходе бульдозера в одном направлении и одном проходе по одному следу.

Ниже приведем основные характеристики верхнего нанесенного слоя, достаточные для относительного восстановления растительного покрова с проективным покрытием не менее 50% (табл. 1).

При несоответствии вышеперечисленных параметров со свойствами потенциально-плодородного слоя следует в план рекультивации внести пункт об удобрении участка. Рыхление поверхности культиватором и полив (если перед посевом не было дождей и грунт слишком сухой) рекомендуются.

Почти все работы технического этапа могут быть выполнены бульдозером в теплую сухую погоду (вторая половина лета). Также перед выполнением работ на том или ином участке нужно учесть, что если восстанавливаемый водоем проточный, следует провести соответствующие замеры, дабы избежать слива воды в ручьи и реки при низких уровнях воды.

Второй этап восстановления экосистемы водоема - биологический, заключается в формировании устойчивого растительного покрова по берегам искусственного водоема и улучшении биологического качества воды. При достаточном уплотнении грунта биологический этап можно начать сразу после технического, но желательно для усадки и самоуплотнения нанесенного грунта работы можно перенести на один год.

Создание устойчивого растительного покрова по бортам отстойника осуществляется путем подсева быстрорастущих, желательно многолетних трав и посадки кустарников, а также возможного внесения необходимого удобрения (патенты RU 2497608 C1, 10.11.2013, RU 2512171 C2, 10.04.2014, RU 2101899 C1, 20.01.1998). Опыт рекультивационных работ показал, что подбор ассортимента семян должен вестись с учетом эколого-биологических особенностей интродуцируемых видов. Наиболее подходящими, с хорошей всхожестью, неприхотливыми для данных условий являются такие многолетние растения, как пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski) и овсяница красная (Festuca rubra L.), из питомников, находящихся в одной или наиболее приближенной к данной климатической зоне. При этом посев семян не должен быть слишком густым, так как это может истощить почвы на начальном этапе. Посев семян многолетних трав ослабляет в первые годы проникновение пионерной антропогенной растительности на участки. Если есть возможность подсева семян и посадки растений из аборигенной (местной) флоры, последние изъятые вместе с дерном с земель, планируемых освоить, то это поможет разнообразить флору травянистыми и древесными растениями и наиболее приблизит эти техногенные участки к естественным, что в свою очередь благоприятно отразится на местной фауне.

Работы по воссозданию прибрежно-водной и водной экосистемы состоят из нескольких блоков:

- Посадка водных и околоводных растений;

- Создание гидроботанических островков, которые служат для появления и размножения на них водных микроорганизмов, фауны;

Посадка и посев водных и прибрежно-водных растений благоприятно влияют на восстановление и развитие бентоса и планктона (кормовой базы рыб), а также на самоочищение водоемов. Кроме семенного материала, рекомендуется и посадка многолетних растений из местной флоры с дерном. Наиболее распространенные виды из местной флоры в мелководие -хвостник обыкновенный (Hippuris vulgaris L.), северолюбка рыжеватая (Arctophila fulva (Trin.) Andersson), сабельник болотный (Comarum palustre L.); у уреза воды - северолюбка рыжеватая, калужницы (Caltha sp.), осоки (Carex sp.), пушицы (Eriophorum sp.). Эти водно-болотные виды, относительно быстрее разрастаясь, чем в естественных условиях, влияют на уменьшении содержания азотных соединений техногенного водоема. Созданные ими растительные сообщества привлекают водных и амфибионтных насекомых и помогают дальнейшему заселению отстойников.

Для более быстрого очищения водоема от нитрата аммония и восстановление его флоры и фауны, можно дополнительно применить метод гидроботанических островков - сооружений, фитомодулей, которые размещаются на поверхности водоема с помощью различных плавающих конструкций (емкостей, платформ, площадок). Наиболее близкими к нашим конструкциям являются изобретения по авт. свид. SU 1346588 А1, 09.04.1985, патентам RU 2560631 C1, 20.08.2015, RU 189759 U1, 03.06.2019. Примененные нами гидроботанические островки, главным образом, отличаются в наполнении конструкций и в ассортименте используемых видов растений. В эти полупогруженные плавучие конструкции помещаются прибрежно-водные растения вместе с дерном и дерново-илистым субстратом, мхи, изъятые из близко лежащих естественных земель, планируемых к промышленному освоению территорий. Эти гидроботанические островки могут быть как свободно плавающими, так и прикрепленными к берегу или ко дну водоема. Такие конструкции создают прототип естественных водно-болотных угодий, в которых происходит накапливание органики, закрепление водных, прибрежно-водных растений-макрофитов, мхов и микроорганизмов, их размножение и дальнейшее заселение восстанавливаемого искусственного водоема. Причем изъятые с естественных сред растения с дерном ускоряют эти процессы восстановления. Они отличаются значительной окислительной способностью благодаря уже имеющейся биопленке гидробионтов (перифитона) на поверхности инертного субстрата, погруженной части корневищ и стеблей, где они находятся в состоянии симбиотического взаимодействия. Часть биоценоза микроорганизмов с таких конструкций переходит в водоем и находится во взвешенном состоянии в виде хлопьев, одновременно с этим образуются естественные отложения от жизнедеятельности бентоса, в котором проходит активный процесс анаэробного разложения органических загрязнений. После окончания цветения в водоеме золотистой водоросли Dinobryon divergens О.Е. Imhof, пионера техногенных водоемов северных районов Якутии, после взрывных работ нитратом аммония, привнесенные с плавающих рамок виды водорослей и других микроорганизмов начинают бурное развитие, увеличивается их разнообразие, приближаясь к естественному. Такие гидроботанические островки можно соорудить и поместить в водоем сразу же, вместе с техническим этапом восстановления, не дожидаясь уплотнения грунта на его береговых откосах.

В качестве водных, водно-болотных видов растений, размещенных вместе с дерниной на этих конструкциях, могут быть использованы рдесты (Potamogeton sp.), хвостник обыкновенный (Hippuris vulgaris), вахта трехлистная (Menyanthes trifoliata L.), сабельник болотный (Comarum palustre L.), калужницы арктическая и болотная (Caltha arctica R.Br., С.palustris L.), хвощи болотный и приречный (Equisetum palustre L., Eq. fluviatile L.), белокопытник холодный (Petasites frigidus (L.) Fr.), разные виды осок (Carex sp.) и пушиц (Eriophorum sp.), северолюбка рыжеватая (Arctophila fulva), зеленые мхи (гигрофиты) и сфагнумы (Sphagnum). Эти представители местной флоры, способны произрастать долгое время в затопленном состоянии и при более низком уровне стояния воды, а также переносить временное осушение (за исключением рдестов). Они имеют высокую семенную продуктивность, а соединения азота дают развитие мощной корневой системы, которая в свою очередь увеличивает фитомассу, что значительно повышает эффективность очистки техногенных вод от минеральных соединений азота.

Изобретение относится к области восстановления нарушенных земель в пределах Арктики и Субарктики и может быть использовано для восстановления почвенно-растительного покрова на прибрежных участках техногенных водоемов - отстойников и создания благоприятных условий для формирования в этих искусственных озерах водной экосистемы, близкой по характеристикам к естественной. Способ включает выполаживание откосов берега до 12°, а на южной экспозиции до 5°, создание искусственной почвы по бортам отстойника путем нанесения слоя-основы из песка и обломочного материала с соотношением 1:1 мощностью не менее 50 см, с последующим перекрытием слоем потенциально плодородных грунтов - супесь-средний суглинок мощностью не менее 30 см, создание устойчивого растительного покрова по бортам отстойника путем редкого подсева семян из местной флоры, формирование прибрежно-водной и водной экосистемы путем посадки водной и околоводной растительности из местной флоры и запуска гидроботанических плавающих островков с закрепленными на них водными и водно-болотными растениями местной флоры для развития бентоса. Техническим результатом изобретения является восстановление экосистемы техногенных водоемов – отстойников, достаточное для того, чтобы уже через несколько лет можно было получить водно-болотные угодья, приближенные к естественным. 1 табл.

Способ восстановления почвенно-растительного покрова в условиях Арктики и Субарктики на прибрежных участках техногенных водоемов - отстойников и создания благоприятных условий для формирования в этих искусственных озерах водной экосистемы, близкой по характеристикам к естественной, включающий выполаживание откосов берега до 12°, а на южной экспозиции до 5°, создание искусственной почвы по бортам отстойника путем нанесения слоя-основы из песка и обломочного материала с соотношением 1:1 мощностью не менее 50 см, с последующим перекрытием слоем потенциально плодородных грунтов - супесь-средний суглинок мощностью не менее 30 см, создание устойчивого растительного покрова по бортам отстойника путем редкого подсева семян из местной флоры, формирование прибрежно-водной и водной экосистемы путем посадки водной и околоводной растительности из местной флоры и запуска гидроботанических плавающих островков с закрепленными на них водными и водно-болотными растениями местной флоры для развития бентоса.