CC BY
4
УДК 556.17
Попова Д.С.
ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»
Владивосток, Приморский край, Россия ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ В РАЙОНЕ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТ
Аннотация: По достижении шахтами состояния, когда они больше ничего не могут дать, принимается решение об их ликвидации. Одним из методов ликвидации шахт является их затопление. Кроме того, из ликвидированных шахт выводятся шахтные воды. Во время затопления шахт и вывода шахтных вод возникает риск загрязнения водных источников вокруг ликвидированных шахт. Шахтные воды имеют иной химический состав, чем воды в реках и поверхностные воды. Во время затопления ликвидированной шахты изменяется состав воды, используемой в этом процессе. Чтобы избежать потенциального загрязнения вод в районе ликвидированных шахт, стоит проводить его прогнозную оценку. Она позволит учитывать риск попадания шахтных вод и вод, направленных на затопление шахты, в реки, озёра, подземные воды и свести к минимуму их загрязнение. При учёте данного риска ликвидация шахт будет безопасной для гидросферы в районе ликвидируемых шахт.
Ключевые слова: ликвидация шахт, шахтные воды, подземные воды, поверхностные воды, загрязнение гидросферы, оценка загрязнения
D.S. Popova
FGAOU VPO "far Eastern Federal University" Vladivostok, Primorsky Region, Russia PREDICTIVE ASSESSMENT OF POTENTIAL POLLUTION OF THE HYDROSPHERE IN THE AREA OF ABANDONED MINES
Abstract: Upon reaching the state of mines, when they can no longer give anything, a decision is taken to eliminate them. One of the methods to eliminate mines is to flood them. In addition, mine waters are discharged from liquidated mines. During the flooding of mines and the withdrawal of mine waters there is a risk of contamination of water sources around the abandoned mines. Mine waters have a different chemical composition than rivers and surface waters. During the flooding of the abandoned mine, the composition of the water used in this process changes. To avoid potential water pollution in the area of abandoned mines, it is necessary to carry out its predictive assessment. It will allow to take into account the risk of ingress of mine waters and waters aimed at flooding the mine, into rivers, lakes, and groundwater and to minimize their pollution. Taking into account this risk, the elimination of mines will be safe for the hydrosphere in the area of mines being liquidated.
Keywords: mine liquidation, mine water, groundwater, surface water, pollution of the hydrosphere, pollution assessment
Введение. В число экологически опасных производств входит горное производство, поскольку шахтные работы оказывают многоплановое и комплексное воздействие на окружающую среду [2]. Носящие экологический характер проблемы дают о себе знать в период ликвидации неперспективных и убыточных шахт.
В Российской Федерации последние годы XX века ознаменовались коренными преобразованиями хозяйственной деятельности в области угольной промышленности. Угледобывающие предприятия подверглись реструктуризации, вследствие чего были закрыты ряд шахт, у которых перспективы рентабельной работы отсутствовала. Однако вместе с программой реструктуризации угольной промышленности появились и непредвиденные экологические проблемы, многие из которых вызваны тем, что надлежащие меры при закрытии шахт не соблюдались.
Сопровождают ликвидацию угольных шахт явления и процессы, не наблюдавшиеся в период работы предприятий и оказывающие негативное влияние на гидросферу в районе ликвидированных шахт. В их число входят масштабное загрязнение подземных поверхностных вод в зоне ликвидированных шахт и подтопление прилегающих территорий. Как следствие, почву и поверхностные воды загрязняют необратимо вредные вещества, такие как минеральные соли и тяжёлые металлы.
В ходе увеличения числа закрытых шахт при развивающихся процессах изменений гидросферы в районе ликвидированных шахт необходимо оценить влияние закрытия шахт на гидросферу в их районе. Опираясь на прогнозную оценку потенциального загрязнения гидросферы, необходимо разработать схемы, позволяющие взять под контроль уровневым режимом подземных вод и создать прогнозные модели изменения гидросферы в районе ликвидированных шахт, что позволило бы предотвратить экологическую катастрофу.
Методы исследования. Во время ликвидации шахт в их районе изменяется гидрогеологическая обстановка. Согласно прогнозным оценкам специалистов, в период ликвидации и затопления шахт гидросфера подвергается техногенной нагрузке. Когда закрываются нерентабельные предприятия, наряду с положительными происходят отрицательнее экологические явления [1]. В шахтной гидрогеологической и геоэкологической практике им нет равных по масштабу и множеству факторов. Чтобы решить гидрогеологические проблемы, необходимо оценить и спрогнозировать их влияние на состояние геологической среды, в частности, на гидросферу в районе ликвидированных шахт.
В большинстве случаев для ликвидации шахт используют полное затопление, поскольку оно просто в применении и довольно дешёвое. Однако часто из-за затопления шахт возникает загрязнение гидросферы в районе ликвидированных шахт.
Когда шахты закрывают путём полного затопления, в районах ликвидированных шахт оказались подтопленными и заболоченными от 20 до
40 % территорий [4]. В первую очередь в зону подтопления и заболочения попали речные поймы, невысокие пойменные террасы и пониженные участки дневного рельефа, на которых подземные воды выходили на поверхность в виде родников с радиусом выхода свыше 1 -1,5 км [4]. Способствуют этому шахтные воды, которые самопроизвольно изливаются на поверхность.
Таблица 1 отражает классификацию ликвидируемых путём затопления шахт по степени их экологической опасности [2].
Таблица 1
Классификация ликвидируемых (затопляемых) шахт по опасности загрязнения подземных вод и поверхностных водоемов
Тип шахты (по условиям загрязнения водных объектов) Характеристика шахтных вод (по степени минерализации и содержанию вредных компонентов) Требуемые мероприятия Дополнительн ые условия
I Неопасные Малая минерализация (<1 г/литр); содержание вр. компонентов не превышает ПДК Не требуется специальных прогнозных оценок условий загрязнения подземных или поверхностных вод
II Потенциально опасные Минерализация 1- 5 г/литр или содержание вр. компонентов превышает ПДК Требуется оценка возмож-ности загрязнения подземных или поверхностных вод Эксплуатируем ые и проектируемые водозаборы рас-положены в нескольких ки-лометрах от шахтного поля; горизонты питьевого водоснабжения изолированы, не планируется сброса шахтных вод в водоемы
III Опасные Минерализация >5г/литр и/или содержание вр. компонентов превышает ПДК Необходимы прогноз усло-вий загрязнения подземных и поверхностных вод и раз-работка мероприятий по пре-дотвращению загрязнения Водозаборы подземных вод расположены на расстоянии не более 1 км от границ шахтного поля; планирует-ся сброс шахтных вод в водоёмы
С затоплением шахт связаны негативные последствия, у которых для многих территорий общие черты, способствующие закрытию угольных шахт. Угроза загрязнения гидросферы в районе ликвидированных шахт вследствие того, что поднялись шахтные воды, - одна из таких угроз.
Чтобы оценить, в каком состоянии находится гидросфера района ликвидированной шахты, требуется определить не только гидрологические и гидрохимические характеристики тех рек и водоёмов, которые использовались в целях водоснабжения и водоотведения, но также и гидрогеологические параметры, и режим водопользования подземных вод данного района [5].
В гидрологические характеристики входят:
- наименование и местоположение поверхностных водных объектов;
- расходы расчётной обеспеченности используемых для водоснабжения и водоотведения рек;
- тип регулирования, полный и полезный объём, отметки нормального подпорного и максимального уровней для водохранилищ, прудов и озер;
- среднемноголетний сток в створах плотин для водохранилищ и прудов;
- время ледостава водных объектов и освобождения их от льда, мощность льда к концу зимнего периода [5].
Для водотоков, которые пригодны для водоснабжения и водоотведения, чтобы предоставить сведения о том, в каком состоянии они находятся, необходимо предоставить их наименование, расстояние от устья, площадь водосбора, среднюю ширину и глубину, скорость течения, среднемноголетний расход воды в периоды межени и половодья, минимальные среднемесячные расходы воды в год расчетной обеспеченности (летний и зимний периоды), категорию реки. С той же целью подаются данные водохранилищ: их наименование, расстояние от устья реки и координаты на картосхеме; отметки НПУ и УМО; площадь зеркала при НПУ; объемы водохранилища (полный и полезный); тип регулирования; испарения в средний по водности год; среднемноголетний сток в створе плотины водохранилища; перечень водопользователей [5].
В число гидрохимических характеристик входят химический состав поверхностных вод, их пригодность для нужд водоснабжения, уровень загрязнения поверхностных вод, перечень основных загрязняющих веществ в водах рек и водоёмов, класс их опасности и концентрации в зависимости от времени года и основные источники загрязнения поверхностных вод.
К гидрогеологическим характеристикам подземных вод района ликвидированных шахт относятся ресурсы, химический состав и температурный режим подземных вод, условия залегания водоносных горизонтов, параметры водоупорных пластов, уровень существующего загрязнения подземных вод, перечень загрязняющих веществ и их концентрация, источники загрязнения и выданные разрешения на использование подземных вод и объёмы забираемой воды [5].
Также в оценке потенциального загрязнения гидросферы в районе ликвидированных шахт могут помочь инженерно -экологические исследования, в частности для оценки качества воды. Пробы воды берутся из рек, озёр, водохранилищ и коллекторов, и в соответствии с государственными стандартами проводится их анализ. При этом лабораторные исследования позволяют оценить, насколько загрязнены вредными химическими веществами или их соединениями почва, грунты, поверхностные и подземные воды, а какова сорбционная способность грунтов и почв.
Таблица 2 представляет собой оформление характеристики физико -химического состава и свойств поверхностных вод. По ней определяют пригодность поверхностных вод для питьевого и производственного водоснабжения с помощью данных, которые предоставляют органы надзора водного хозяйства.
Таблица 2
Характеристика физико-химического состава и свойств воды
№ п/п Показатели Ед.из. Кол-во Примечание
Биохимическое потребление кислорода (БПК) мг О2/л
Химическая потребность в кислороде (ХПК) мг О2/л
Взвешенные вещества мг/л
Водородный показатель (рН) -
Максимальная температура водного объекта °С
Концентрация растворенного мг О2/л
кислорода после установления
ледяного покрова. -//-
То же летом
Цветность (по шкале) град.
Запах балл
Общая минерализация мг/л
Жесткость общая мг-экв/л
Азот общий мг/л
Нитриты (по К) мг/л
Нитраты мг/л
Хлориды
Сульфаты
Нефтепродукты
Поверхностно-активные
вещества и т.д.
Под действием техногенных и природных факторов в динамике гидросферы прослеживается негативное воздействие на окружающую среду и безопасность жизнедеятельности. При затоплении шахт нарушается сложившийся режим поверхностной и подземной гидросферы, заболачиваются земли, имеющие сельскохозяйственное назначение. Районы
ликвидированных угольных шахт имеют глубинные разломы земной коры, из которых может выделяться радиоактивный газ радон. Поскольку при оценке потенциального загрязнения гидросферы учитывается состав заполняющих выработанное пространство шахтных вод, становится возможным прогноз угрозы безопасности населения региона в случае, если выделения радона примут неконтролируемый процесс.
Связано это с тем, что в случае полного затопления ликвидируемой шахты условия, при которых переносятся содержащиеся в углепородном массиве вредные вещества и мигрируют газы, входящие в состав подземной атмосферы, определяют шахтные воды.
Состояние поверхностных вод является одной из наиболее острых экологических проблем и имеет количественный и качественный аспекты, составляющие важное условие существования живых существ.
Одним из способов спрогнозировать оценку потенциального загрязнения в районе ликвидированных шахт является их гидрогеологический мониторинг. Он основан на принципе системности, и его использование опирается на единую экогеосистему и углепородный массив, в который входят отдельные шахтные поля, подземная и приповерхностная гидросфера и атмосфера.
Также используется мониторинг динамики подземной гидросферы. Важная его составляющая заключается в проведении регулярного анализа данных. На его основе возможно определить оценку затопления ликвидированных шахт, что в свою очередь позволит оценить угрозу загрязнения гидросферы. Выполняется также мониторинг природно-технических систем, чтобы установить изменение состояния окружающей среды под действием техногенных процессов. Чтобы мониторинг проходил оптимально, его проводят в четыре этапа:
- предварительно обследуется территория, чтобы установить основные компоненты природной среды, которые нуждаются в мониторинге, и измеряются фоновые значения параметров, которые мониторинг контролирует [1];
- проектируется система мониторинга, которая действует постоянно, и обоснуется, как должны размещаться в пространстве пункты получения информации. При этом учитываются места, в которых размещаются потенциальные источники загрязнения и районы, куда оно может распространяться. Организуется взаимодействие системы мониторинга с системами методов оценки и анализа, которые аналогичны ей;
- проводятся режимные наблюдения, составляется банк данных или геоинформационная система, чтобы выявить тенденции, приведшие к изменениям показателей состояния среды.
С учётом того, насколько глубок водоносный горизонт и каковы его мощность и площадь загрязнения (м2), периодически проводится оценка уровня загрязнения подземных вод, которая включает в себя перечень основных загрязняющих веществ, класс их опасности и концентрацию.
Чтобы обосновать инвестиции для промышленных объектов большим объёмом водопотребления, проводят оценку существующего режима водопользования территории. В неё входят сведения о том, каково местоположение водных объектов, кем являются водопользователи, какие есть параметры водозаборов и выпусков сточных вод и др. [5].
Также проводят оценку поверхностных вод по их качеству и количеству содержащихся в них загрязняющих веществ. В первом случае у оценки в качестве базы присутствует пакет нормативных и директивных документов, которые используют для характеристики качества поверхностных вод гидрохимические и гидрологические методы. В случае количества содержащихся вредных веществ требуют оценки возможность удовлетворить потребности деятельность в поверхностных водах и последствия их загрязнения для других предприятий и жизнедеятельности населения.
Кроме природных свойств, исходное гидрохимическое состояние, к возникновению которого приводит деятельность человека, является главным фактором, который определяет уровни загрязнения гидросферы. Для того чтобы получить прогнозную оценку состояния загрязнения водоёмов, необходимо суммировать уровни загрязнения и дополнительные количества загрязняющих веществ.
Системный анализ направлен крупномасштабные проблемы, которые нельзя решить простыми исследованиями. Применяемый для его использования интегрированный системный анализ представляет собой проанализированные стратегическая, морфологическая, функциональная и генезиснопрогностическая страты эталонной системы. Также их сравнивают со сходными стратами природно-технической системы. Для того чтобы улучшить исследования системы, интегрированный системный анализ применяет мультипликационный эффект, открытость и адаптивность.
Интегрированный системный анализ природно-технических систем позволяет путём исследования оценить комплекс параметров, которые характеризуют безопасность региона в настоящее время, а также комплекс инструментальных и математических методов.
Также следует учитывать экологический риск, выраженный в вероятности того, что может произойти экологическое бедствие или катастрофа и нарушается нормальное существование экосистем в результате вмешательства человека. Нежелательные события, которые сопровождают экологический риск, проявляются в районе ликвидированных шахт и за его пределами. Интегрированный системный анализ позволяет провести полное исследование негативных процессов, которые вызывает ликвидация угольных шахт: их выявление и идентификация, качественная и количественная оценка [7, 12].
Прогнозирование имеет довольно эффективный инструмент -моделирование. Он предусматривать модель объекта углепородного массива, модель геомеханических и гидрогеологических процессов, модель, которые
описывают процессы измерений, модель экологически нормального состояния природно-технической системы и экономикоматема-тическая модель, оценивающая эффективность природоохранных мероприятий [9].
Результаты и обсуждение. Благодаря моделированию становится доступной надёжная информационная основа, которая позволяет разработать и реализовать программу ликвидации угольных шахт. Благодаря ей становится возможно решить научно-технические неопределённости, с которыми связаны недостаточные знания о взаимодействии загрязнений с человеком и компонентами природно-технической системы.
Чтобы во время проведения ликвидации угольных шахт было возможно предотвратить опасную ситуацию, требуется выполнение детальных исследований углевмещающего массива. Проводится оно, чтобы спрогнозировать, какой будет динамика подземной гидросферы, а целью проведения является выявление мест, которые занимают природные и техногенные пустоты и каналы. Минимизировать риски ошибочных решений позволят разработанные сценарии развития событий.
ПДК, среди которых санитарно-гигиенические и рыбохозяйственные, относятся к основным критериям загрязнения воды. Особенно строгими являются рыбохозяйственные ПДК, поскольку более человека чувствительны к загрязнению обитатели водоёмов [3].
Также важны ресурсные критерии оценки, которыми для поверхностных вод являются величина поверхностного стока и величина объёма единовременного отбора воды. Они показаны по классам состояния в таблице 3.
Таблица 3
Ресурсные критерии оценки состояния поверхностных вод_
ОЦЕНОЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ Классы состояния поверхностных вод
I - норма (Н) II - риск (Р) III - кризис (К) IV - бедствие (Б)
Изменение речного стока (в % от первоначального) менее 15 15-20 50-70 более 75
Объем возможного единовременного водоотбора (куб. м/с) менее 5 1-5 Менее 1 отсутствует
Выводы и научная новизна. Безопасность жизнедеятельности и необходимый уровень экологии окружающей среды - основной критерий эффективности ликвидационных работ. Чтобы добиться его исполнения, необходимо знать состояние природно-технических систем и рассматриваются как краткосрочная, так и долгосрочная перспектива. Отсюда следует, что важно комплексное прогнозирование, которое выражает полномасштабное и достоверное представление условий жизни людей при осуществлении ликвидационных мероприятий.
Моделирование также может использоваться при прогнозной оценке потенциального загрязнения гидросферы в районе ликвидированных шахт, так как в его основу входят не только экологические и геологические, но и физико-математические положения, учитывающие определённые горно-геологические геомеханические и гидрогеологические условия.
При использовании различных методов и средств оцениваются результаты наблюдений за затоплением ликвидированных шахт, учитывается влияние гидродинамических процессов на всю гидрогеологическую и геоэкологическую ситуацию. Отсюда следует вывод, что перечисленные методы и средства позволяют составить прогнозную оценку потенциального загрязнения гидросферы в районе ликвидированных шахт.
Результаты инженерно-экологических исследований, которые включаются в единую информационную систему, добавляют в заключение с текстовыми и графическими приложениями.
Главная проблема использования методов и средств оценки потенциального загрязнения гидросферы заключается в том, что она никем не контролируется. Для хорошего их использования необходимы услуги специалиста, способного вести информационную базу, в которую входит совокупность данных, поступающих от средств оценки потенциального загрязнения гидросферы.
Использованные источники:
1. Инженерно-геологические исследования [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://bookonlime.ru/node/847 (Дата обращения: 14.11.2018)
2. К вопросу об оценке негативного воздействия на гидросферу при затоплении шахт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-ob-otsenke-negativnogo-vozdeystviya-na-gidrosferu-pri-zatoplenii-shaht (Дата обращения: 14.11.2018)
3. Оценка воздействия на поверхностные воды [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://studfiles.net/preview/3239593/page:2/ (Дата обращения: 14.11.2018)
4. Природа. Экология. Туризм [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lib-lg.com/gsdl/library.cgi?e=d-01000-00—off-0col5--00-1—0-10-0—0—
0direct-10—4-------0-1l--11-lo-50—20-help—00-3-1-00-00--4--0--0-0-11-10-
0utfZz-8- 10&cl=CL 1. ^=ИА8И01 ca2c27377420ce9dee4449&x=1 (Дата обращения: 14.11.2018)
5. Состояние и загрязненность поверхностных и подземных вод [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://poznayka.org/s17399t1.html (Дата обращения: 14.11.2018)
4. Экологические последствия массового закрытия шахт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://eco.bobrodobro.ru/17842 (Дата обращения: 14.11.2018)
6. Виницкий А.Е.Проблемы экологии с точки зрения системного подхода (термины, понятия, принципы) // Ресурсный потенциал твердых горючих
ископаемых на рубеже XXI века: Тез. докл. X Всерос. угольного сов. (Ростов н/Д. ,27 - 30 сент. 1999 г.). ВНИГРИуголь - Ростов н/Д, 1999. Под ред. В. К. Хмелевского и В.А. Шевнина.
7. Винограй, Э. Г. Интегральные системные качества как характеристические грани целостного анализа сложных объектов / Э. Г. Винограй // Социогуманитарный вестник. — 2011. — № 6. — С. 118-128.
8. Зайденварг В.Е., Навитний A.M., Твердохлебов В.Ф. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России, Уголь. - 1999. - № 12.
9. Меркулов, М. А. Оценка воздействия предприятий на окружающую среду с использованием комплекса природно-экономических моделей / М. А. Меркулова,
10. Молев М.Д. // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 3. — С. 133-137.
11. Мохов, А. В. Влияние затопления каменноугольных шахт на динамику пустотного пространства в угленосном массиве / А. В. Мохов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 3. — С. 196-205.
12. Розенберг, Г. С. Экологическое прогнозирование / Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский. — Тольятти : Экологический институт РАН, 1994. — 270 с.
13. Смирнов, А. М. Организация мониторинга отрицательных техногенных воздействий предприятий угольной промышленности / А. М. Смирнов // Уголь. — № 7. — 2001. — С. 38-42.
14. Экологический мониторинг ликвидации неперспективных шахт Восточного Донбасса / под ред. В. М. Еремеева. — Шахты : Изд-во ЮРО АГН, 2001. — 182 с.
15. Электроразведка методом сопротивлений/ Под. ред. В.К. Хмелевского, В.А.Шевнина. М., МГУ. - 1994.
