Захист територій, прилеглих до породних відвалів, від надходження забруднювальних речовин (на прикладі Луганської області)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Захист територій, прилеглих до породних відвалів, від надходження забруднювальних речовин (на прикладі Луганської області)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На території Донбасу розташовано понад тисячу підприємств вугільної, металургійної, нафтопереробної і хімічної промисловості, промислові відходи яких - це шахтні породи, металургійні та золошлаки. Типовими відвалами промислових відходів для техногенно-навантаженого регіону є відвали вуглевидобутку і вуглезбагачення, які становлять понад 80% відвалів промислових відходів. Для їх розміщення вилучено 7190 га цінних сільськогосподарських земель. Відходи, складовані у відвали, негативно впливають на прилеглі території, їх конічна форма з крутими схилами сприяє водній ерозії. Унаслідок чого змитий ґрунт, насичений токсичними речовинами, потрапляє з водними потоками на прилеглу територію і забруднює спочатку первинну гідрографічну мережу, а потім річки і водойми. Різноманітні аспекти проблеми екологічної безпеки територій, прилеглих до породних відвалів, були об'єктом уваги багатьох дослідників: Бакланова В.І, Гавриленка Ю.М., Грекова С.П., Зборщика М.П., Зубової Л.Г., Касимова О.М., Максимовича М.Г., Моторіної Л.В, Рудька Г.І. та ін. Праці науковців присвячено мінімізації водної та вітрової ерозії на поверхні відвалів заходами гірничотехнічної та біологічної рекультивації. Ці заходи зменшують твердий стік, але майже не впливають на іонний стік важких металів з породних відвалів.

Відвали характеризуються широким спектром фізико-хімічного впливу на прилеглі території і мінімізації цього впливу сприяла б класифікація та паспортизація відвалів за ступенем екологічної небезпеки на основі аналізу їх індивідуальних властивостей. Але брак методик комплексного оцінювання ступеня екологічної небезпеки відвалів, а також недостатнє фінансування проектно-дослідницьких робіт різко обмежили можливості застосування традиційних наземних методів польових досліджень. Зазначені проблеми можна вирішити використанням картографо-аерокосмічного моніторингу, який дає змогу відстежувати зміни стану, структури, динаміки й розвитку техногенних явищ на прилеглих до відвалів територіях, та створенням географічної інформаційної системи (ГІС) оцінювання екологічної небезпеки відвалів.

Розкриття особливостей процесів водноерозійного перенесення забруднювальних речовин з породних відвалів та їх перерозподілу на прилеглих до них територіях системою ґрунтоводозахисних заходів на шляху розповсюдження цих речовин, як підґрунтя поліпшення екологічного стану та ефективності захисту прилеглих до відвалів територій, є актуальним науково-практичним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля за результатами досліджень, проведених відповідно до держбюджетної науково-дослідної роботи БПР-4-06 «Розробка теоретичних та прикладних засад підвищення гідроекологічної безпеки урбанізованих та аграрних ландшафтів Донбасу», підпрограма «Дослідження впливу териконів вугільних шахт на стан водних об'єктів та забезпечення екологічної безпеки териконових ландшафтів» та відповідно до завдання 01.02.01-021 «Розробити теоретичні засади та комп'ютерну технологію оцінювання ерозійної небезпеки та ґрунтозахисної оптимізації агроландшафтів України» НТП УААН 01 «Родючість, охорона і екологія ґрунтів» (номер держреєстрації 0106U004781).

Ідея роботи полягає у створенні системи оцінювання інтенсивності забруднення та екологічної небезпеки територій, прилеглих до породних відвалів, з використанням ГІС - технологій і регулювання потоків хімічних речовин та інших продуктів водної ерозії, що надходять з відвалів, створенням штучних геохімічних бар'єрів на шляху їх розповсюдження.

Мета роботи - розкриття особливостей процесів водноерозійного перенесення забруднювальних речовин з породних відвалів, їх перерозподілу на прилеглих територіях та створення системи ґрунтоводозахисних заходів на шляху розповсюдження цих речовин.

Завдання дослідження. Для досягнення мети дослідження в дисертації поставлено й вирішено такі завдання:

1) провести аналіз літературних джерел з питань оцінювання екологічної небезпеки породних відвалів промислових відходів Донбасу для прилеглих територій;

2) розробити критерії комплексного оцінювання рівня потенційної екологічної небезпеки породних відвалів;

3) обґрунтувати та розробити нові методи дистанційного визначення маси забруднювальних речовин, що виносяться з відвалів, та ступеня розповсюдження їх на прилеглих територіях, розробити методологію оцінювання рівня екологічної небезпеки породних відвалів промислових відходів;

4) визначити закономірності та кількісні показники інтенсивності надходження забруднювальних речовин з поверхні породних відвалів унаслідок ерозійно-гідрологічних процесів;

5) оцінити екологічний стан прилеглих до відвалів територій за забрудненням важкими металами та радіонуклідами;

6) обґрунтувати та розробити інженерні заходи щодо захисту територій, прилеглих до відвалів, від надходження забруднювальних речовин та визначити еколого-економічну ефективність розроблених заходів.

Об'єкт дослідження - екологічна безпека територій, прилеглих до породних відвалів - відходів гірничовидобувних підприємств Донбасу.

Предмет дослідження - процеси водноерозійного перенесення забрудню-вальних речовин з породних відвалів та їх перерозподілу на прилеглих територіях.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використано такі методи: картографо-аерокосмічний - для створення геоінформаційної системи екологічної небезпеки відвалів промислових відходів та технологій моніторингу їх стану; методи польового дослідження, лабораторно-аналітичний - для визначення водно-фізичних властивостей породи та ґрунтів, фізичне моделювання - для вивчення закономірностей процесу фільтрації підкисленого стоку з відвалів через карбонатні матеріали; методи математичної статистики - для оцінки достовірності отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) уперше розроблено методологію дистанційного оцінювання екологічного стану територій, прилеглих до відвалів, за ареолом розповсюдження забруднювальних речовин у ґрунті. Критерієм забруднення території запропоновано градацію фототонів ареолу та характеристику змін його контуру на аерокосмічному знімку;

2) уперше науково обґрунтовано і розроблено метод дистанційного визначення об'єму змитої породи з відвалів в результаті ерозійних процесів вимірюванням параметрів поперечного перерізу промоїн за аерокосмічними знімками та обчисленням площі перерізу промоїн з використанням спеціального алгоритму. Запропонований метод відрізняється від існуючих тим, що дає змогу достовірно визначити модуль змиву породи з відвалу без додаткових наземних досліджень;

3) уперше виявлено закономірності ерозійно-акумулятивного процесу на породних відвалах, урахування яких необхідно для оцінювання екологічної небезпеки відвалів та обґрунтування параметрів системи ґрунтоводозахисних заходів, а саме: залежність величини річного ерозійного винесення породи на свіжесформованих відвалах від метеорологічних умов та її динаміка в перші роки існування відвалу; особливості залежності фракційного складу наносів, що відкладаються на шляху водних потоків з відвалів, від виду стокорегулюючих заходів; розмір найбільш рухливих фракцій та їх відсотковий вміст у породі, за яким визначена маса важких металів, які не затримуються відомими ґрунтоводозахисними заходами та мігрують гідрографічною мережею. Встановлено характер залежності багаторічного модуля змиву породи від довжини схилу відвалу та залежності площі поперечного перерізу промоїн від їх ширини поверху, які дають змогу спростити дистанційне визначення багаторічного винесення породи з відвалів;

4) запропоновано нові підходи до зниження рівня екологічної небезпеки породних відвалів промислових відходів, які ґрунтуються на зменшенні кислотності води поверхневого стоку з відвалів та вмісту у ній важких металів завдяки її фільтрації через штучно створені геохімічні бар'єри у вигляді карбонатних габіонів. Теоретично обґрунтовані склад та параметри інженерної системи захисту прилеглої до відвалів території від надходження забруднювальних речовин з поверхневими водами.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, результатів досліджень та висновків підтверджено відповідністю методів досліджень поставленим у роботі меті та завданням досліджень, застосуванням апробованих методів лабораторних досліджень та сертифікованого обладнання, достатнім обсягом експериментальних досліджень та відібраних ґрунтових і водних зразків, перевіркою достовірності як вихідних даних, так і результатів їх оброблення методами математичного аналізу та статистики.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена на основі комплексного підходу і впроваджена в географічну інформаційну систему методологія оцінки екологічної небезпеки відвалів Луганської області дає змогу встановити характер і масштаб екологічної небезпеки відвалів, визначити комплекс заходів для її зменшення та оптимізувати послідовність їх застосування.

2. Cпосіб обліку виносу продуктів водної ерозії з териконів (патент на корисну модель України №36884) та спосіб визначення стану ґрунту, схильного до деградації (патент на корисну модель України №38586), дають можливість дистанційно визначити масу забруднювальних речовин, що виносяться з відвалів, та ступінь розповсюдження їх на прилеглій території. Розроблені способи впроваджені у практичну діяльність геологічної служби Східного державного регіонального геологічного підприємства «Схід ДРГП» акт №03-253 від 21.02.11 р. та шахти «Молодогвардійська» під час виконання природоохоронних заходів, акт №8-23 від 22.02.11 р.

3. Розроблена система інженерних заходів дає змогу локалізувати породу, що змивається з поверхні відвалів, біля їх підніжжя та нейтралізувати підкислені води поверхневого стоку з відвалів і запобігти винесенню важких металів у навколишнє середовище, що сприятиме поліпшенню екологічної безпеки відвалів та прилеглих територій.

4. Розроблені способи оцінки екологічної небезпеки відвалів та система заходів щодо її зменшення впроваджені у методичні рекомендації «Оптимізація екологічного стану антропогенних ландшафтів Донбасу», які рекомендовані Державним управлінням охорони навколишнього природного середовища в Луганській області для використання в роботі розробниками проектів рекультивації породних відвалів, довідка №11817 від 16.12.10 р.

5. Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес факультету природничих наук СНУ ім. В. Даля під час викладання дисциплін: «Екологічна геохімія та основи ландшафтознавства», «Ерозіознавство» та «Гідротехнічні та меліоративні споруди», акт №108-115-2948/67 від 24.12.10 р.

Особистий внесок здобувача в наукові результати, що винесені на захист, полягає в опрацюванні літературних джерел, створенні методики оцінки рівня екологічної небезпеки териконових ландшафтів, у статистичному обробленні отриманих результатів, виконанні лабораторних і експедиційних досліджень, розробленні інженерно-екологічних заходів з обґрунтуванням оптимальних параметрів нейтралізації поверхневих вод з відвалів.

У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: [1] - розробка методики оцінки екологічної небезпеки відвалів для прилеглих до них територій;

[3, 6, 9] - експериментальне дослідження радіаційної активності відходів вугледобувних підприємств; [4, 5, 14-17, 19-21] - розробка критеріїв комплексного оцінювання потенційної екологічної небезпеки відвалів та класифікація їх за видами і ступенем екологічної небезпеки; [7, 8, 11, 12, 18] - дослідження закономірностей водноерозійного процесу на породних відвалах, визначення кількісних показників надходження твердого та іонного стоку з відвалів; [2, 10, 13] - розробка інженерних заходів для очищення кислих стоків з породних відвалів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення роботи і результати дисертаційних досліджень отримали позитивну оцінку на:

- III Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані системи в гірничо-металургійному комплексі» (м. Кривий Ріг, 9 - 12 квітня 2007);

- X Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Технологія - 2007» (м. Сєверодонецьк, 19 - 20 квітня 2007);

- Міжнародній науково-методичній конференції «GISAU» (м. Херсон, 21-22 травня 2007);

- II Всеукраїнській молодіжній науковій конференції «Вода - джерело життя на Землі» (м. Луганськ, 25 - 26 січня 2008);

- Міжнародній конференції «Екологічні проблеми басейнів великих річок» (Росія, м. Тольятті, 15 - 19 вересня 2008);

- IV Всеукраїнській науковій конференції «Гідрологія. Гідрохімія. Гідроекологія» (м. Луганськ, 29 вересня - 2 жовтня 2009);

- Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми екологічної безпеки» (м. Кременчук, 14 - 16 жовтня 2010);

- Міжнародній науково-практичній конференції «Екологічна безпека територій - пріоритетний напрям діяльності органів місцевого самоврядування і виконавчої влади» (м. Луганськ, 19 - 21 жовтня 2010).

Публікації. Результати роботи й основні положення опубліковано у двадцять одній науковій праці, зокрема: одній монографії (у співавторстві), одних методичних рекомендаціях (у співавторстві), восьми статтях у фахових виданнях, трьох патентах на корисну модель, чотирьох статтях у збірниках наукових праць, чотирьох тезах конференцій. У співавторстві - 17 публікацій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, викладених на 146 сторінках. Робота містить 58 таблиць, 48 рисунків, список використаних джерел з 167 найменувань на 20 сторінках, 3 додатки.

Основний зміст

екологічний відвал забруднювальний ерозійний

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, визначено об'єкт, предмет, сформульовано мету й завдання роботи, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, подано інформацію про апробацію і впровадження результатів експериментальних досліджень, а також про особистий внесок здобувача.

У першому розділі «Стан питання екологічної безпеки техногенних ландшафтів» проаналізовано наукову літературу за темою дисертаційного дослідження та оцінено стан вивченості питання екологічної безпеки техногенних ландшафтів. Проведене дослідження наукових літературних джерел дає підставу стверджувати, що промислові відходи, представлені шахтними породами, металургійними та золошлаками, призвели до порушення навколишнього середовища у регіоні, унаслідок чого сформувався новий клас ландшафту - териконовий.

У розділі розглянуто динаміку змін ландшафтів на території Донбасу, чинники та процеси негативного впливу відвалів на навколишнє середовище. Проаналізовано існуючу класифікацію відвалів, охарактеризовано заходи щодо захисту ландшафтів від шкідливого впливу породних відвалів.

Конічна форма відвалів, велика крутизна їх схилів (до 45^o) спричиняють катастрофічні ерозійні процеси. За даними В.І. Бакланова, з 1 га поверхні териконів щорічно змивається від 300 до 900 м³ породи. За матеріалами В.І. Альохіна,

Ю.А. Проскурні, О.М. Касимова, уміст багатьох елементів у породах териконів перевищує кларки осадкових порід, горілі породи щодо свіжоздобутих збагачені оксидами Fе, К, P, S.

На відвалах під впливом атмосферних опадів утворюється поверхневий стік,

у якому відбувається процес природного вилуговування металів з породи відвалу. Поверхневі стоки забруднюють території, які прилягають до відвалів, важкими металами, змінюючи властивості поверхневих вод і ґрунтів.

У зв'язку з вищевикладеним виникає потреба удосконалити методи оцінювання екологічної небезпеки породних відвалів промислових відходів та способів запобігання їх негативній дії на природно-антропогенні ландшафти.

У другому розділі «Оцінювання екологічної небезпеки породних відвалів за допомогою дистанційних методів» приведено програму, методику й об'єкти досліджень. У результаті аналізу екологічної небезпеки техногенних ландшафтів, розглянутого в першому розділі, та природоохоронних заходів сформульовано завдання досліджень. Розроблено методологію оцінювання екологічної небезпеки породних відвалів на підставі картографічних матеріалів і даних космічної зйомки. Створено геоінформаційну систему оцінювання екологічної небезпеки породних відвалів, з її допомогою підібрано наземні об'єкти для вивчення їх впливу на стан територій з наявністю породних відвалів.

Для класифікації відвалів Луганської області за рівнем екологічної небезпеки використано матеріали космічної зйомки, топографічні карти, дані, надані шахтними управліннями 78 породних відвалів з прилеглою до них територією.

Значна частина хімічних елементів породи відвалів вилуговується водними розчинами і мігрує в навколишнє середовище, локалізуючись на різних бар'єрах у ґрунтах та рослинному покриві. Окислення і горіння порід супроводиться викидами широкого спектру летючих компонентів. Терикони, що горять, виділяють пари, у яких окрім води містяться сульфатна кислота, вуглекислота, двоокис азоту. У суху погоду пил вітром видувається з відвала і несеться, забруднюючи атмосферу.

Враховуючи широкий спектр негативного впливу породних відвалів на стан здоров'я населення й елементи природно-антропогенних ландшафтів, встановлено, що основними виявами їх екологічної небезпеки є дія на присадибні ділянки, дія на орні землі, дія на кормові угіддя, дія на річкову мережу, дія на водоймища.

Як інтегральні критерії оцінки ступеня потенційної небезпеки відвалів ми запропонували показники їх розташування в ландшафті, і перш за все, відстань, румби напрямку схилу та напрямку на відповідний елемент ландшафту.

Для оцінки негативного впливу відвалів на рівень екологічної небезпеки прилеглої території ми запропонували п'ять ступенів їх потенційної небезпеки:

I ступінь - максимальна потенційна екологічна небезпека для навколишнього середовища (об'єкти розміщаються безпосередньо біля підніжжя терикону);

II ступінь - середній ступінь потенційної екологічної небезпеки (об'єкти - у межах санітарної зони, тобто до 500 м); III ступінь - слабка потенційна екологічна небезпека (об'єкти - на відстані від 500 до 1000 м); IV ступінь - відносна потенційна екологічна небезпека (об'єкти - у межах від 1000 до 2000 м); V ступінь - непряма потенційна екологічна небезпека (об'єкти - далі за 2000 м). Визначаючи ширину зон, ми виходили з принципу її подвоєння.

На основі запропонованих ступенів потенційної небезпеки відвалів за допомогою космічних знімків та топографічних планів досліджено 78 відвалів Луганської області та визначено відсоткове співвідношення їх негативного впливу на території, що прилягають до відвалів.

У результаті кластерного аналізу отримано дендрограму ступеня негативної дії відвалів з урахуванням шести видів екологічної небезпеки.

Аналіз результатів дослідження дає змогу стверджувати, що кількісно II ступінь негативної дії териконів за шістьма видами прояву екологічної небезпеки є найбільшим і утворює окремий кластер. До наступної групи (2 і 3 кластер) входять I і V ступені шкідливої дії. Замикає класифікацію 4-й кластер IV і III ступені негативної дії.

Як відомо, лісові насадження на відвалах (В.І. Бакланов, Ю.М. Гавриленко, О.М. Касимов, Ю.Ф. Креніда, С.В. Наваліхін, 1984-2009) значною мірою знижують інтенсивність вітрової та водної ерозії на відвалах. Виходячи з припущення, що екологічна небезпека териконів залежить від ступеня покриття їх поверхні лісовою рослинністю, а інтенсивність міграції продуктів водної ерозії стримується лісонасадженнями біля підніжжя відвалів, ми запропонували додаткові критерії класифікації екологічної небезпеки відвалів: покриття поверхні відвалів лісовою рослинністю та ступінь покриття підніжжя периметра відвалу насадженнями.

У результаті статистичного розподілу рівнів захищеності лісомеліоративними заходами виділено п'ять ступенів захищеності відвалів за покриттям поверхні відвалів насадженнями: I ступінь - відсутність лісових насаджень (максимальна небезпека); II ступінь - покриття поверхні насадженнями менш ніж на 20%;

III ступінь - покриття поверхні насадженнями на 20-50%; IV ступінь - покриття поверхні насадженнями на 50-85%; V ступінь - покриття поверхні насадженнями більш ніж на 85%. А також запропоновано розподіл ступенів захищеності прилеглої території за покриттям підніжжя периметра відвалу насадженнями: I ступінь - відсутність лісових насаджень (максимальна небезпека); II ступінь - наявність захисних насаджень менш ніж на 20% від довжини периметра підніжжя відвалу;

III ступінь - наявність захисних насаджень на 20-50% периметра; IV ступінь - наявність захисних насаджень на 50-85% периметра; V ступінь - наявність захисних насаджень більш ніж на 85% периметра.

Результати вимірювання покриття поверхні відвалу та ступеня покриття периметра відвалу лісовими насадженнями показано в табл.

Розподіл відвалів за ступенем їх захищеності лісомеліоративними заходами

Ступінь захищеності	Наявність захисних насаджень, %
	на поверхні відвалу	по периметру відвалу
I ступінь	51	41
II ступінь	23	32
III ступінь	18	14
IV ступінь	4	4
V ступінь	4	9

На підставі даних, поданих у табл. 1, можна зробити висновок, що більшість обстежених териконів мають першу ступінь захищеності, тобто на них зовсім немає лісових насаджень, і вони найбільш небезпечні.

На думку дослідників (І.О. Алябіна, Б.В. Віноградова, В.А. Орлова,

В.В. Снакина, В.М. Кретініна, К.Н. Куліка, В.І. Петрова та інших, 1993-2003), інтегральним показником стану сільськогосподарських земель є рівень забруднення ґрунтів, залежно від нього ґрунти поділяють на незабруднені, слабо, середньо і сильно забруднені. На підставі розгляду космічних знімків відповідно до фототонів шкали RGB ми виділили однорідні й неоднорідні за фотозображенням контури. Однорідні контури, охарактеризовані темно-сірими фототонами, відповідали ділянкам з незабрудненими ґрунтами. Неоднорідним контуром є поєднання різних відповідно до фототону елементів. Світліші елементи неоднорідного контуру відповідають поверхні ґрунту на місцевості із збільшенням рівня забруднення. Отже, стан забруднення земель оцінюють для кожного контуру, розташованого у ландшафтно-геохімічних аренах. Також розроблено шкалу змін стану забруднення ґрунтів, критерієм якої послужила градація фототонів та характеристика змін контуру.

Рівень забруднення ґрунтів (N) розраховують як суму добутків від множення площ усіх ділянок (M_i) на величину забруднення ґрунтів ділянки в балах (b_і), поділеної на всю площу ландшафтно-геохімічної арени (А).

N =()/А, (1)

Ми запропонували також новий спосіб оцінювання ступеня переміщення породи з териконів на прилеглу до них територію та розсіяння шкідливих речовин з відвалів в ландшафтно-геохімічних аренах (патент України на корисну модель №38586 - переможець V Міжнародного салону винаходів та нових технологій «Новий час»).

У табл.. показано дешифровочні ознаки формування забруднень у ландшафтно-геохімічних аренах.

Дешифровочні ознаки формування забруднень у ландшафтно-геохімічних аренах

Шкала фототонів RGB	Характеристика змін	Шкала зміни	Рівень забруднень
	Однорідний темно-зелений колір сільгоспкультури	0	Не забруднені
	Відносно однорідний темно-сірий колір: відкритий незабруднений ґрунт
		1
		2
	Лінійне тонковолокнисте поєднання темних і світлих забарвлених плям: ознаки забруднення породою	3	Слабо забруднені
		4
		5
	Товстоволокнисте яскраво виражене поєднання білих, червоних плям	6	Середньо забруднені
		7
		8
	Однорідна біла, жовта, червона зона винесення породи без темних плям	9	Сильно забруднені
		10
		11

У результаті розроблення й апробації нового способу запропоновано оцінювати екологічну небезпеку відвалів не тільки на основі раніше поданої класифікації, але й з урахуванням фактичного стану їх потенційної небезпеки.

Запропоновано алгоритм, за яким сформовано географічну інформаційну систему даних про породні відвали Луганської області. Ця система складається з таких компонентів:

1) територіальний, який містить назву відвалу, географічні координати, юридичну адресу, належність до вугільного району, форму, займану площу;

2) компонент рівня екологічної небезпеки за п'ятьма ступенями шкідливої дії;

3) компонент захищеності території лісонасадженнями на самому відвалі та біля його підніжжя;

4) компонент рівня забруднення поверхні на техногенних ландшафтно-геохімічних аренах.

У результаті проведеної класифікації 78 териконів з використанням геоінформаційної системи отримано дендрограму ступенів негативної дії відвалів з урахуванням шести видів екологічної небезпеки. На її підставі встановлено: I і II ступені дії відвалів найбільш характерні для техногенних ландшафтів Луганської області.

Виходячи з отриманих даних, для наземних досліджень ми обрали три об'єкти. Це відвал шахти «Дуванна», розташований північніше міста Суходольска у Краснодонському вугленосному районі; відвал шахти «Княгининська» у Должансько-Ровенківському вугленосному районі, місто Красний Луч; відвал шахти «Матроська», розташований південніше міста Лисичанська у Лисичанському вугленосному районі Луганської області. Основними критеріями вибору об'єктів були належність до різних вугільних районів Луганської області й найбільш активний вияв (I і II ступінь) екологічної небезпеки для більшості досліджуваних компонентів ландшафту.

У третьому розділі «Аналіз формування екологічної небезпеки в териконових ландшафтах» наведено результати вивчення ерозійно-гідрологічних процесів як основного чинника винесення забруднювальних речовин з поверхні відвалу та їх подальшої міграції на прилеглу територію.

Ерозійно-гідрологічні дослідження проводили протягом 2006-2009 рр. на відвалі шахти «Матроська», який 2006 року переформовано з конічного у плоский, унаслідок чого його схили покрилися зрізаною породою, а промоїни, що були на них, виявилися засипаними. Тому з'явилася можливість вивчити ерозійний процес від його початку на свіжовідсипаному відвалі.

Для оцінки винесення породи з досліджуваного майданчика застосовано метод натурних досліджень С.С. Соболєва, який полягає у вимірюванні параметрів поперечного перерізу промоїн і обчисленні його площі. Завдяки проведеним дослідженням виведено рівняння зміни поперечного перерізу промоїн по довжині схилу:

F = 0,0483•l - 0,0006•l² - 0,0703, (2)

де l - відстань від вершини відвала до досліджуваної ділянки.

Для досліджуваного майданчика за допомогою рівняння (2) отримано перехідний коефіцієнт K= 0,66, що враховує середні втрати породи зі всього схилу. Розрахунки засвідчили, що за перші 12 місяців зі схилу відвалу було змито 154,4 т/га, за другі - 176,9 т/га, за треті 12 місяців - 130,6 т/га. У середньому за три роки спостережень річний змив породи дорівнював 153,9 т/га.

Виходячи з отриманих даних, встановлено, що динаміку загального винесення породи описує рівняння:

M = 13,032•t + 2,43, (3)

де t - кількість місяців.

Внаслідок чого зроблено прогноз на 10 років вперед: загальний змив складе 1566 т/га. Розмір змиву породи зі всього досліджуваного відвала площею 5,04 га складе 7894 т.

Нами встановлено, що за перші 12 місяців випало 372 мм атмосферних опадів, за другі - 430 мм, за треті 12 місяців - 372 мм при нормі річних опадів 473 мм, що є підставою для висновку про існування зв'язку між змивом породи та річною кількістю опадів, а також про те, що ерозійні процеси на крутих схилах териконів характеризуються не тільки катастрофічною інтенсивністю, але і тим, що, на відміну від схилових земель аграрних ландшафтів, вони відбуваються навіть в маловодні роки, тобто практично щорічно.

Для оцінки винесення породи з усієї поверхні кожного з відвалів за багаторічний період метод натурних досліджень С.С. Соболєва непридатний через надмірну трудомісткість на крутих схилах. Тому ми запропонували спосіб (патент України на корисну модель №36884), за яким ширину промоїн вимірюють на космічних знімках за допомогою програмного комплексу Google Earth, а площу перерізу промоїн обчислюють з використанням отриманої нами в ході досліджень емпіричної формули зв'язку площі перерізу промоїни з її шириною поверху (рис. 3):

F = 0,22•b₂^1,69, (4)

де b₂ - ширина поверху промоїни.

Емпіричну формулу отримано в результаті вимірювання параметрів промоїн вибраної типової ділянки: ширини перерізу промоїн поверху та понизу, її глибина на різних відстанях від низу до верху схилу.

Використання запропонованого способу дало змогу дистанційно визначити модуль змиву з відвалу шахти «Княгининська» за багаторічний період, який становив 1397 т/га. Виконаний хімічний аналіз породи досліджуваних відвалів свідчить, що вона характеризується рівнем рН від 3,2 до 3,6 і оцінюється як сильнокисла.

Відомо, що у кислих відвальних породах, при рH 3,0-5,5, мінерали, що містять марганець, цинк, хром, свинець й інші елементи, піддаються розчиненню сульфатною кислотою і мігрують з поверхневим стоком на прилеглу територію, при цьому знаходяться у формах, доступних рослинам, а їх концентрація досягає токсичного рівня (М.Ф. Смирний, Л.Г. Зубова, О.Р. Зубов, 2006).

Встановлено, що внаслідок надходження підкислених стоків прилеглі до досліджуваних відвалів території характеризуються сильнокислою і кислою реакцією ґрунтів (рН 2,90-4,31). Концентрація водорозчинного сульфат-іона (SO₄^2-) змінюється в породі від 23,2 г/кг до 6,16 г./кг; у ґрунтах у зоні шлейфу винесення з териконів - від 15,8 г/кг до 6,2 г/кг. Ці дані свідчать про катастрофічне забруднення прилеглої до териконів території рухомими сульфат-іонами, оскільки максимальна іх концентрація становить до 145 ГДК.

Рівень екологічного стану прилеглих до териконів поверхневих вод за забрудненням сульфат-іонами (табл.) оцінюється як «незадовільний». Оцінка придатності води для зрошування за вмістом солей і водневим показником засвідчила, що вода всіх прилеглих до териконів ставків, за винятком того, що знаходиться на відстані 860 метрів від відвалу шахти «Дуванна», непридатна для зрошування.

Результати оцінювання екологічного стану прилеглих до відвалів поверхневих вод за забрудненням сульфат-іонами

Шифр точки відбору проби	Відстань від підніжжя відвалу до урізу води, м	Значення SO42- в пробах води, мг/дм3 (ГДК - 500 мг/дм3)
Д.1.7	860	524,3
Д.1.4	7	1661,3
K.1.1	20	1371,2
М.1.6	30	1463,4

У таблиці наведено оцінку якості вод ставків і водотоків, що впритул примикають до відвалу. Вода в прилеглих водоймах забруднена важкими металами. Рухомі форми таких металів, як титан, марганець, цинк, хром, нікель, свинець, мідь, містяться у воді в підвищених концентраціях. Рівень екологічного стану води характеризується як незадовільний і задовільний.

Результати оцінювання екологічного стану поверхневих вод (на прикладі ставка біля відвалу шахти «Матроська»)

Елемент	Показник
	мг/дм3	ГДК мг/дм3	Екологічна оцінка
Cu	0,261	1	Задовільна
Ti	2,613	0,1	Незадовільна
V	0,026	0,1	Задовільна
Mn	5,950	0,1	Незадовільна
Ni	3,920	0,1	Незадовільна
Zn	2,610	1	Незадовільна
Sr	0,793	7	Задовільна

У таблиці подано результати рівня екологічного стану щодо забруднення важкими металами ґрунтів прилеглих до відвалів територій.

Результати оцінювання екологічної ситуації на територіях, прилеглих до відвалів шахт «Дуванна», «Княгининська», «Матроська», за забрудненням ґрунтів важкими металами

Елемент	Вміст (min-max), мг/кг	Відношення валового вмісту до кларку	Тип екологічної ситуації	Відношення валового вмісту до ГДКв	Тип екологічної ситуації	Відношення рухомої форми до ГДКр	Тип екологічної ситуації
Транс-акумулятивна техногенна фація катен
Cr	100-150	1,33-2	Сприятл.-задов.	1-1,5	Сприятл.-передкриз.	5-7,5	Кризова
	30 - 45
Ni	20 - 50	0,5-1,25	Сприятли-ва	0,24-0,59	Сприятл.-задов.	1-2,5	Сприятл.-криз.
	4 - 10
Cu	30	1,5	Сприятли-ва	0,55	Задов.	5	Кризова
	15
Zn	50 - 100	2-1	Сприятл.-задов.	0,5-1	Задов.	0,65-1,3	Сприятл.-передкриз.
	15 - 30
Pb	30 - 50	3-5	Задов.-передкриз.	0,94-1,56	Задов.-передкриз.	10,5-17,5	Катастр.
	21 - 35

Виходячи з даних дослідження, зокрема поданих у таблиці 6, простежується збільшення концентрації важких металів (Pb, Zn, Сг, Cu) у рухомій формі в ґрунтах транс-акумулятивної техногенної фації катен.

Згідно з результатами проведеної нами оцінки гамма-фону і гамма-активності породи і ґрунтів на території, прилеглій до відвалів шахт «Дуванна», «Матроська» і «Княгининська», вивчення енергетичних спектрів гамма-променів визначено радіоактивні ізотопи, відповідальні за активність породи. Установлено тенденцію до збільшення питомої гамма-активності ґрунтів з наближенням до териконів з відстані 750 м. Питома активність усіх проб ґрунтів перевищує фонове значення, але не перевищує допустиме значення для будматеріалів, що становить 370 Бк/кг. Наявність ізотопу Cs¹³⁷ у досліджених зразках не виявлено. Перевищення над гамма-фоном питомої гамма-активності ґрунтів зумовлене вмістом у зразках Th²³² й інших важких елементів і продуктів їх розпаду.

Аналіз формування екологічної небезпеки на териконових ландшафтах засвідчив, що відвали є техногенними зонами підвищеної екологічної небезпеки, де весь час виявляється напружена та критична екологічна ситуація, яка нерідко переходить до стану катастрофічної. Пояснюється це окисненням сульфідів, які входять до складу відвальних порід. Окиснювання супроводжується утворенням сульфатної кислоти та її сполук, міграцією шкідливих речовин з поверхні відвалів. Але навіть за умови локалізації змитої породи, беручи до уваги сильнокислу реакцію відвальної породи, стічних вод та прилеглих ґрунтів, можна припустити, що міграція важких металів, які за таких умов переходять у розчинну форму, продовжується з ґрунтовим стоком. Отже, слід знизити негативний вплив відвалів на прилеглі території за допомогою системи ґрунтоводозахисних заходів.

У четвертому розділі «Поліпшення екологічної безпеки породних відвалів удосконаленням гірничотехнічного етапу рекультивації» на підставі результатів аналізу формування екологічної небезпеки відвалів, досліджених у розділі 3, ми пропонуємо удосконалити систему рекультивації на гірничотехнічному етапі, яку застосовуємо до відвалів, що не діють, а також використовувати систему ґрунтоводозахисних заходів на відвалах, що діють.

На стадії гірничотехнічного етапу відвал, складений з нестійких, слабо зв'язаних порід, переформовують, потім нарізають тераси і мікротераси, тим самим проводять підготовчу роботу до біологічної рекультивації. Ми пропонуємо до біологічної рекультивації застосувати систему ґрунтоводозахисних заходів, яка захистить прилеглу до відвалів територію від забруднення твердим та іонним стоком (патент України №44217). Розроблений спосіб передбачає створення по периметру відвалу траншеї, суміщеної з валом, ставка-відстійника і відрізняється наявністю в траншеї перемичок-габіонів у вигляді прошарку крейдяної породи між двома шарами металевої сітки. Розроблену систему ґрунтоводозахисних заходів пропонуємо також впровадити на відвалах, що діють, тим самим підвищити екологічну безпеку відвалів. Гідрологічний та гідравлічний розрахунки, наведені в дисертації, дали змогу обґрунтувати потрібну висоту та ширину перемичок.

На відміну від базового варіанта, вище основної - транспортувальної траншеї і нижче кожного з 24 секторів (6), на які поділена поверхня відвалу, розташовані додаткові траншеї (2). Вода, що стікає з кожного сектора, потрапляє спочатку в цю траншею, а потім фільтруючись через нейтралізаційну перемичку-габіон (4), потрапляє в основну траншею (3), по якій стікає у відстійник (5).

Для визначення ефективності запропонованого способу та обґрунтування розмірів перемичок ми в лабораторних умовах провели фільтраційний дослід. Кислу cтічну воду (pH 3,85) пропускали через циліндричну фільтраційну установку, на дно якої на шар гравію клали шар крейдяної породи. Випробування проводили з різними фракціями крейдяної породи.

Дослід повторювали по 10 разів, пропускаючи через породу нову порцію стічної води з об'ємом, що дорівнює об'єму породи в установці, імітуючи зростання відношення об'єму води, що фільтрується, до об'єму породи від 1 до 10. Після кожного пропускання відбирали пробу води і вимірювали її pH та тривалість фільтрації.

На підставі отриманих даних встановили, що нейтралізація кислих стоків протягом 1 - 4 пропускань утримується на досить високому рівні рН, поступово знижуючись від 7,10 до 5,65; середньоарифметичне значення рН за три пропускання дорівнює 6,63, а за п'ять - 6,17. Навіть після 10 пропускань середня кислотність залишається вищою за неочищену воду на 1,5 одиниці рН, що означає зниження фактичної кислотності за вмістом іонів у 32 рази.

Визначено, що швидкість фільтрації стічної води крізь крейдяну породу дорівнює 0,0636 м/с. Цей показник було використано для гідравлічного обґрунтування параметрів поперечного перерізу траншей та розмірів габіонів.

Щоб перевірити можливість очищення стоків зі зниженням їх кислотності до значення pH, за якого катіони важких металів переходять в осад у вигляді важкорозчинних гідрооксидів, було виконано спектральний аналіз стічних вод до проходження фільтраційної установки й після першого і десятого проходження.

За отриманими даними, після першого проходження води через установку вміст важких металів у ній зменшився на 63,9% - 72,9% залежно від хімічного елемента. Після 10-го пропускання нейтралізуюча здатність породи залишилась на досить високому рівні - зменшення вмісту важких металів у воді досягло 41,1% - 70,5%.

За результатами спектрального аналізу зразків породи та донних відкладень визначено винесення важких металів й інших токсичних елементів з терикона і підраховано зменшення їх розповсюдження в результаті затримання інженерно-біологічними заходами - валом, смугою трав'янистої рослинності, траншеєю.

Згідно з отриманими даними у результаті водної ерозії з кожного гектара поверхні відвалу щорічно виноситься 800 кг різних хімічних елементів, зокрема 723 кг металів. Застосування смуг залуження у поєднанні із земляними спорудами у вигляді валів і траншей дає змогу затримати в межах цієї інженерно-біологічної системи захисних заходів до 83% цієї кількості.

Спостерігаючи за висотою відкладень у ставку-відстійнику протягом трьох років, ми визначили масу мулу, який щорічно відкладався. Установили, що за перший рік (з 01.10.2006 по 6.10.2007) кількість затриманого у відстійнику матеріалу становила 77,1 т, за другий рік - 125,8 т, за третій рік (з 5.10.2008 по 25.10.2009) кількість затриманого у відстійнику матеріалу становила 89,8 т.

Виходячи з отриманих даних, встановлено, що динаміку накопичення матеріалу у відстійнику описує рівняння:

M = 1,66•t - 1,48, (5)

де t - кількість місяців.

Відповідно до цього зроблено прогноз на 10 років уперед: завдяки розробленій системі ґрунтоводозахисних заходів кількість затриманих найбільш рухомих фракцій становитиме 197,72 т/га або 996,5 т з досліджуваного відвалу загальною площею 5,04 га.

Отже, ця система ґрунтоводозахисних заходів знижує рівень екологічної небезпеки відвалів.

Для оцінення витрат на впровадження способу складено технологічну карту операцій будівництва. Розрахунок економічної ефективності природоохоронних заходів ґрунтується на зіставленні витрат для їх здійснення з еколого-економічним ефектом, який виражається величиною уникненого екологічного збитку, приросту продукції, економії ресурсів. Еколого-економічний збиток, якого можна уникнути запровадженням запропонованого способу для досліджуваного відвалу шахти «Матроська» загальною площею 5,04 га, складе 1 259 065 грн/рік, а чистий економічний ефект становитиме 1 121 667 грн/рік.

Висновки

У дисертаційній роботі, яка є завершеною науковою роботою, розв'язано актуальне науково-технічне завдання розкриття особливостей процесів водноерозійного перенесення забруднювальних речовин з породних відвалів та їх перерозподілу на прилеглій до них території системою ґрунтоводозахисних заходів на шляху розповсюдження цих речовин, як підґрунтя поліпшення екологічного стану та ефективності захисту прилеглих до відвалів територій. Основні наукові й практичні результати роботи такі:

1. На основі аналізу екологічної небезпеки породних відвалів Донбасу за видами їх негативного впливу на прилеглі території науково обґрунтовано необхідність підвищення екологічної безпеки процесів водноерозійного винесення забруднювальних речовин з породних відвалів, підібрано критерії оцінювання шкідливої дії породних відвалів на річкову мережу, водоймища й інші компоненти ландшафтів, вибрано критерії оцінювання ступеня захищеності териконових ландшафтів лісонасадженнями.

2. Розроблена на основі комплексного підходу і впроваджена в географічну інформаційну систему методологія оцінки екологічної небезпеки відвалів дала змогу по ареолу розповсюдження забруднювальних речовин провести оцінку прилеглих до відвалів територій за рівнем їх деградації. Встановлено, що кількісно II ступінь негативної дії відвалів за шістьма видами прояву екологічної небезпеки є найбільш характерним для Луганської області, а 51% обстежених відвалів мають першу ступень захищеності, тобто на них зовсім немає лісових насаджень, і вони найбільш небезпечні.

3. Встановлено, що ерозійні процеси на породних відвалах вже відразу після їх відсипання характеризуються катастрофічним змивом - не менше 154 т/га за рік, внаслідок чого з кожного гектара поверхні відвалів щорічно виноситься до 800 кг різних хімічних елементів, зокрема 723 кг металів. Концентрації таких елементів, як мідь, марганець, нікель, цинк, що містяться в породі, суттєво перевищують ГДК, що дозволяє оцінити рівень екологічного стану як «незадовільний».

4. Встановлено, що ґрунти в зоні шлейфу винесення породи та на прилеглій території характеризуються кислою реакцією (рН 3,7 - 5,1). Мінерали, що містять марганець, цинк, хром, свинець та інші елементи, піддаються розчиненню сульфатною кислотою і мігрують з поверхневим стоком на прилеглу територію, при цьому елементи знаходяться у формах, доступних рослинам, а їх концентрація досягає токсичного рівня.

Екологічний стан поверхневих вод на територіях, прилеглих до териконів, за забрудненням сульфат-іонами оцінюється як незадовільний (>500 мг/дм³). Оцінка придатності води для зрошення показала, що за вмістом солей і водневим показником вода всіх ставків, за винятком тих, що знаходяться на відстані 860 м, є непридатною для зрошення. Вода в водоймах, що примикають до відвалів, насичена важкими металами. Рухомі форми таких металів, як титан, марганець, цинк, хром, нікель, свинець, мідь, містяться у воді в підвищених концентраціях, а екологічний стан водойм характеризується як незадовільний і задовільний.

5. За результатами радіометричних досліджень встановлено, що питома гамма-активність ґрунту збільшується у напрямку від прилеглої території до відвалів. Питома активність усіх проб ґрунту перевищує фонове значення, але не перевищує допустиме значення для будматеріалів - 370 Бк/кг. Присутність ізотопу Cs¹³⁷ в досліджених зразках не виявлена. Підвищений рівень активності ґрунту обумовлений вмістом у зразках Th²³² та інших важких елементів і продуктів їх розпаду.

6. Для зниження рівня екологічної небезпеки стічних вод з поверхні породних відвалів пропонується інженерний комплекс, який включає траншеї для збирання поверхневого стоку з відвалів з нейтралізаційними карбонатними перемичками-габіонами. Лабораторні дослідження засвідчили, що крейдяна порода габіонів, залежно від кількості кислих стічних вод, що пропускаються, зменшує їх кислотність з 3,85 до 7,10 рН, знижує вміст рухомих металів в стічній воді, зокрема Ni на 72,9%, Pb на 63,9%, Cu на 59,4%, Zn на 72,9%, Cr на 63,9%, зменшуючи при цьому екологічну небезпеку відвалів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Оптимизация терриконовых ландшафтов: монография / [Л.Г. Зубова, А.Р. Зубов, С.Г. Воробьев, С.И. Сиволап, А.В. Харламова, А.А. Зубов]. - Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. - 208 с.

2. Методичні рекомендації «Оптимізація екологічного стану антропогенних ландшафтів Донбасу» / [О.Р. Зубов, Л.Г. Зубова, А.А. Кошурнікова, Ю.В. Славгородська, С.Г. Воробйов, А.О. Зубов, Н.В. Олейник, С.І. Сиволап, А.В. Харламова, К.Й. Верех-Білоусова]. - Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2010. - 48 с.

3. Гречка В.А. Результаты измерений радиационной активности отходов угледобывающих предприятий и тепловых электростанций / В.А. Гречка, С.Г. Воробьев // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2006. - №6 (100). - Ч. 2. - С. 109 - 111.

4. Воробьев С.Г. Использование ГИС-технологий в сочетании с анализом космических снимков для оценки литологического состава терриконов / С.Г. Воробьев // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2007. - №4 (110). - Ч. 1. - С. 162 - 168.

5. Воробьев С.Г. Влияние терриконов на экологическое состояние речной сети и водных объектов в Луганской области / С.Г. Воробьев, А.Р. Зубов, Л.Г. Зубова // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2008. - №9 (127). - Ч. 2. - С. 52 - 59.

6. Воробьев С.Г. Определения удельной гамма-активности пород шахтных отвалов / С.Г. Воробьев, В.Г. Кудленко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008. - №6/2008 (53). - Ч. 1. - С. 120 - 123.

7. Зубов А.Р. Динамика интенсивности эрозионных процессов на терриконах / А.Р. Зубов, Л.Г. Зубова, С.Г. Воробьев // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - №1 (131). - Ч. 2. - С. 30 - 34.

8. Зубов А.Р. Влияние эрозионных процессов на поверхности терриконов на окружающую среду / А.Р. Зубов, Л.Г. Зубова, С.Г. Воробьев, С.И. Сиволап, Е.А. Савельева // Уголь Украины. - Київ. - 2009. - №7. - С. 28 - 30.

9. Воробьев С.Г. Радиационный фон отвалов некоторых угольных шахт Луганской области / С.Г. Воробьев, С.В. Креденцер, В.Г. Кудленко // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - №8 (138). - Ч. 2. - С. 35 - 38.

10. Воробйов С.Г. Захист ландшафтів від надходження забруднюючих речовин із відвалів крупнотонажних промислових відходів / С.Г. Воробйов // Науковий журнал Екологічна безпека. - Кременчук: КДУ, 2010. - Вип. 2/2010 (10). - С. 57 - 61.

Размещено на Allbest.ru