CC BY
223
УДК 504.55.054:622 +504.43 (470.61)
DOI 10.18522/0321-3005-2016-2-91-99
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА ПО ГИДРОХИМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ*
© 2016 г. В.Е. Закруткин, Е.В. Гибкое, Г.Ю. Скляренко, О.С. Решетняк
Закруткин Владимир Евгеньевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: [email protected]
Гибков Евгений Викторович - старший преподаватель, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, геолого-географический факультет, Институт наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: [email protected]
Скляренко Григорий Юрьевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, геолого-географический факультет, Институт наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: geoeco@sfedu. ru
Решетняк Ольга Сергеевна - кандидат географических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: olgare1 @rambler. ru
Zakrutkin Vladimir Evgen 'yevich - Doctor of Geologic and Mineralogical Science, Professor, Head of Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences of the Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Gibkov Evgenii Viktorovich - Senior Lecturer, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences of the Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Sklyarenko Grigorii Yurievich - Candidate of Geologic and Mineralogical Science, Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences of the Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Reshetnyak Olga Sergeevna - Candidate of Geologic and Min-eralogical Science, Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences of the Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Представлены результаты сравнительной оценки химического состава и качества (уровня загрязнения) поверхностных и подземных вод Восточного Донбасса по гидрохимическим показателям. В химическом составе воды выявлен одинаковый набор типоморфных компонентов-загрязнителей (Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu). Исследуемые речные и подземные воды имеют практически уровень загрязненности по суммарному коэффициенту загрязнения. Установлены тесная взаимосвязь поверхностной и подземной гидросферы в пределах Восточного Донбасса и существенная роль техногенных шахтных вод в формировании их качества.
Ключевые слова: поверхностные воды, подземные воды, Восточный Донбасс, химический состав воды, уровень загрязнения, техногенные шахтные воды.
The results of comparative evaluation of chemical composition and surface and groundwater quality (pollution level) of the Eastern Donbas by hydrochemical parameters are presents in the article. The same set of typomorphic polluting components (Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu) was identified. The investigated surface and groundwater have the same level of contamination by total factor ofpollution. The close relationship between the surface and ground hydrosphere within the Eastern Donbas and the essential role of technogenic mine water in the formation of their quality was shown.
Keywords: surface water, groundwater, Eastern Donbas, chemical composition of water, pollution level, technogenic mine water.
Природные воды, являясь носителями вещества и энергии, выступают в качестве наиболее динамичного агента, связывающего в единое целое природные объекты основных географических оболочек Земли - атмосферы, литосферы, биосферы. При этом поверхность суши представляет собой зону с максимальными концентрациями вещества и солнечной энергии, наибольшей интенсивностью биогенных процессов, сферой активной хозяйственной деятельности человека. Все
это порождает огромное разнообразие условий, факторов, процессов, формирующих химический состав и тип природных вод, как поверхностных, так и подземных [1, 2].
В.И. Вернадский в 1933 г. высказал идею единства природных вод: «Все природные воды, где бы они ни находились, всегда связаны между собой и представляют единое целое. Всё, что происходит с любой водой в одном каком-нибудь месте, отражается в действительности на всей её земной массе» [1].
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-17-00376).
Роль природных вод в геологической истории велика и неоспорима. Состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный водой в процессе своего круговорота. Количество и состав растворенных минеральных и органических веществ в природной воде зависит от состава тех пород и почв, с которыми она соприкасалась, и от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Просачиваясь через растительность и почву, вода обогащается солями и органическими веществами, меняет свой газовый состав, далее, фильтруясь через подстилающие почвы и горные породы, продолжает трансформировать свой химический состав.
Особенно заметно трансформация химического состава и качества поверхностных и подземных вод происходит в пределах природных геохимических аномальных зон, к которым, в частности, относятся угольные месторождения, в том числе Восточный Донбасс.
На протяжении многих лет Восточный Донбасс является одним из наиболее проблемных в экологическом отношении регионов Российской Федерации. Природный комплекс здесь подвергается интенсивному техногенному воздействию. Основной вклад в осложнение экологической ситуации вносят предприятия угольной промышленности. Начавшаяся в 90-е гг. реструктуризация угледобывающей отрасли, основу которой составляет ликвидация нерентабельных шахт, заметно усилила негативные явления. Длительная разработка угольных месторождений и последующая массовая ликвидация угольных шахт привели к значительной трансформации геохимических процессов в Восточном Донбассе Ростовской области [3, 4].
При этом особенно высокую техногенную нагрузку испытывают поверхностные и подземные воды региона. Наиболее уязвимыми оказались малые реки (Большой и Малый Несветай, Аюта, Грушевка, Када-мовка, Кундрючья, Лихая и др.). Многие из них утратили свои естественные природные функции, произошла массовая гибель фито- и зоопланктона, стало невозможным использование поверхностных вод не только для питьевых нужд населения, но и для хозяйственных целей. Аналогичная ситуация характерна и для подземной гидросферы.
Всё это требует выявления основных источников загрязнения поверхностных и подземных вод, проведения комплексной оценки их состояния, разработки и реализации действенных мер, направленных на предотвращение (или минимизацию) негативного антропогенного воздействия на поверхностную и подземную гидросферы данного региона, оздоровление здесь в целом экологической обстановки.
Целью данного исследования является сравнительная оценка качества (уровня загрязнения) поверхностных и подземных вод Восточного Донбасса по гидрохимическим показателям.
Изучение взаимосвязи химического состава и степени загрязненности поверхностных и подземных вод проведено в рамках исследований, выполненных в 2014-2015 гг. по гранту РНФ «Интегральная оценка и прогноз состояния водных ресурсов и их качества в пределах техногенно нарушенных геосистем углепромышленных территорий на основе комплексных геохимических, геофизических и экотоксикологических исследований». Эта проблема особенно актуальна для данного региона в связи с реструктуризацией угольной промышленности, активно происходящей в последние двадцать лет и приведшей к обострению экологической ситуации.
Объектами исследования являлись подземные и поверхностные воды, в частности реки бассейна Северского Донца (Большая Каменка, Большая Гнилуша, Быстрая, Калитва, Кундрючья, Лихая, Малая Каменка и Северский Донец) и Тузлова (Большой и Малый Несветай, Грушевка, Кадамов-ка, Аюта, Атюхта и Тузлов). Пробы речной воды отбирались равномерно по длине водотоков, охватывая верховья рек, средние их участки и устья (всего 38 створов).
Подземные воды изучались в пределах основных углепромышленных районов Восточного Донбасса, территориально совпадающих с упомянутыми выше речными бассейнами. Так, в частности, Шахтинский и Новошахтинский углепромышленные районы соответствуют бассейну реки Тузлов, а Гуковский и Шолоховский - реки Северский Донец. Всего исследовано 39 гидрогеологических скважин, вскрывших подземные воды каменноугольного горизонта, имеющего повсеместную распространенность.
Сравнительная оценка химического состава поверхностных и подземных вод проводилась по следующим гидрохимическим показателям: рН, концентрация растворенного в воде кислорода, минерализация, содержание главных ионов - хлориды (О"), сульфаты ^042-), гидрокарбонаты (НС03"), кальций (Са2+), магний (М§2+), натрий и калий (№+ + К ), а также микроэлементов - Бе, А1, Ве, Ы, N1, Со, Мп, Си, Бг, гп.
Оценка уровня загрязненности поверхностных и подземных вод также проведена по единой методике. При этом за основу взята система интегральной оценки качества подземных вод, предложенная А.П. Белоусовой [5], которая предусматривает расчет суммарного коэффициента загрязнения (СКЗ) по формуле СКЗ = X С;/ПДК; , где С! - концентра-
ция /-го компонента; ПДК - предельно допустимая концентрация /-го компонента, утвержденная для оценки качества воды, используемой для питьевого водоснабжения [6].
На основании значений СКЗ приняты следующие категории загрязненности поверхностных и подземных вод: 1) СКЗ<1 - условно чистая; 2) СКЗ=1-5 - слабозагрязненная; 3) СКЗ=5-10 -весьма загрязненная; 4) СКЗ=10-20 - очень загрязненная; 5) СКЗ=20-50 - грязная и очень грязная; 6) СКЗ>50 - чрезвычайно грязная.
В основу расчетов положены данные о химическом составе поверхностных и подземных вод, полученные в ходе экспедиционных исследований 2014-2015 гг.
В табл. 1 приведены содержания макрокомпо-
нентов в реках Восточного Донбасса. Как видно из табличных данных, минерализация речных вод варьирует в широких пределах - от 876 до 6094 мг/дм3, достигая наибольших значений в реках Атюхта (в среднем 6649 мг/дм3), Аюта (4387 мг/дм3), Малый Несветай (4184 мг/дм3), Большая Гнилуша (3101 мг/дм3), Кундрючья (2867 мг/дм3). В анионном составе вод доминируют сульфат-ионы, в катионном - натрий и калий. Важно отметить, что речные воды бассейна Туз-лова заметно (в 1,4-2,0 раза) превосходят водотоки бассейна Северского Донца по содержанию практически всех макрокомпонентов. Это может свидетельствовать о неодинаковой техногенной нагрузке, которую испытывают речные экосистемы двух бассейнов.
Река Na++K+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO42- М*
Бассейн Тузлова
Аюта 620 (3,1)** 334 (1,9) 148 (2,9) 238 (0,7) 2371 (4,7) 4387 (4,3)
283 - 1223 258 - 430 70 - 192 132 - 333 1190 - 3323 2282 - 6094
Большой Несветай 517 (2,6) 256 (1,4) 106 (2,1) 220 (0,6) 1778 (3,5) 3306 (3,3)
190 - 1037 146 - 355 60 - 159 25 - 404 691 - 3139 1480 - 5708
Грушевка 397 (1,98) 233 (1,3) 88 (1,4) 228 (0,6) 1382 (2,7) 2807 (2,8)
197 - 582 190 - 293 46 - 121 133 - 277 705 - 2072 1458 - 3992
Кадамовка 459 (2,3) 282 (1,6) 116 (2,3) 281 (0,8) 1696 (3,4) 3309 (3,3)
120 - 918 222 - 342 31 - 169 152 - 478 353 - 2527 876 - 5004
Малый Несветай 592 (2,9) 195 (1,1) 140 (2,8) 240 (0,7) 2314 (4,6) 4184 (4,2)
382 - 789 176 - 218 105 - 231 132 - 346 1651 - 3071 3220 - 5036
Атюхта 1159 (5,8) 373 (2,1) 159 (3,1) 596 (1,7) 3347 (6,6) 6649 (6,6)
1030 - 1258 366 - 380 144 -- 171 586 - 603 3193 - 3488 6380 - 6800
Среднее по бассейну 624 (3,1) 276 (1,5) 126 (2,5) 341 (0,9) 2148 (4,3) 4110 (4,11)
Бассейн Северского Донца
Большая Каменка 316 (2,6) 151 (0,8) 47 (0,95) 220 (0,6) 641 (1,2) 1687 (1,7)
276 - 343 145 - 158 43 - 49 169 - 257 573 - 755 1476- 1856
Большая Гнилуша 556 (2,8) 206 (1,2) 87 (1,8) 204 (0,6) 1568 (3,1) 3101 (3,1)
498 - 627 198 - 216 74 -97 194 - 214 1421 -1694 2982 - 3228
Быстрая 194 (0,95) 199 (1,1) 43 (0,9) 293 (0,83) 514 (1,1) 1525 (1,5)
109 - 353 135 - 263 28 - 65 185 - 449 303 - 786 926 - 2218
Калитва 124 (0,6) 163 (0,9) 31 (0,6) 267 (0,7) 422 (0,8) 1189 (1,2)
91 - 170 147 - 187 25 - 34 185 - 502 336 - 455 896 - 1434
Кундрючья 490 (2,5) 169 (0,9) 80 (1,6) 210 (0,4) 1429 (2,9) 2867 (2,9)
397 - 631 163 - 174 74 - 88 181 - 256 1146 -1662 2536 - 3160
Лихая 263 (1,3) 167 (0,9) 88 (1,8) 224 (0,6) 1114 (2,2) 2400 (2,4)
142 - 412 109 - 226 52 - 113 66 - 466 710 - 466 1680 - 3212
Малая Каменка 238 (1,2) 125 (0,6) 55 (1,1) 320 (0,9) 624 (1,2) 1753 (1,7)
168 - 313 107 - 144 32 - 72 242 - 391 250 - 856 1174 - 2096
Среднее по бассейну 293 (1,5) 144 (0,8) 59 (1,2) 243 (0,7) 851 (1,7) 2060 (2,06)
*- М - минерализация воды, мг/дм3; ** - в числителе приведены средние значения концентраций, мг/дм3, в знаменателе - пределы изменения концентрации, мг/дм3, в скобках - кратность превышения ПДК.
В микроэлементном составе речных вод (табл. 2) явно доминируют Sr, Fe, А1, Мп, в меньшей степени Li. При этом максимальные содержания Sr составляют 8,33 мг/дм3 (р. Аюта), а обычные лежат в
пределах 2-4 мг/дм3. Концентрации Fe, А1, Мп и Li заметно ниже (по средним значениям для рек соответственно 0,09-1,49; 0,10-0,71; 0,11-1,01; 0,02-0,31 мг/дм3), а остальных элементов ^п, Си,
Таблица 1
Характеристика поверхностных вод Восточного Донбасса по содержанию макрокомпонентов
Be) - минимальны (соответственно сотые, тысяч- бассейна Северского Донца по содержанию больные и десятитысячные доли мг/дм3). Как и следова- шинства микроэлементов. Причем наиболее суще-ло ожидать, реки бассейна Тузлова опережают реки ственно они различаются по количеству Sr и Мп.
Таблица 2
Характеристика поверхностных вод Восточного Донбасса по содержанию микрокомпонентов
Река Fe Al Be Li Mn Cu Sr Zn
Бассейн Тузлова
Аюта 0,91 (3,1)* 0,65 (3,2) 0,0007 (3,5) 0,24 (8,0) 0,34 (3,4) 0,003 (3,0) 5,88 (0,8) 0,011 (0,01)
0,06-3,34 0,01 -3,32 0,0002-0,0013 0,04 - 0,74 0,03-0,93 0,001 -0,008 3,25 -8,33 0,005 -0,02
Большой Несветай 0,30 (1,0) 0,18 (0,9) 0,0006 (2,0) 0,09 (3,0) 0,19 (1,9) 0,003 (3,0) 3,85 (0,6) 0,051 (0,05)
0,09 -0,52 0,03 - 0,49 0,0002-0,0015 0,02 - 0,17 0,014 - 0,54 0,001 -0,005 2,14-5,90 0,005-0,141
Грушевка 0,88 (2,9) 0,52 (2,6) 0,0005 (2,5) 0,09 (3,0) 0,24 (2,4) 0,005 (5,0) 3,46 (0,5) 0,01 (0,01)
0,14 -4,12 0,12-1,22 0,0001-0,0009 0,04 -0,16 0,1 - 0,49 0,001 -0,024 1,82 - 4,37 0,01 - 0,03
Кадамовка 0,67 (2,2) 0,62 (3,1) 0,0005 (2,5) 0,10 (3,3) 0,68 (6,8) 0,004 (4,0) 3,10 (0,5) 0,02 (0,02)
0,09 -1,67 0,03 -1,82 0,0001 -0,0012 0,01-0,32 0,05-3,67 0,002 -0,008 0,89-5,22 0,01-0,05
Малый Несветай 0,27 (0,9) 0,23 (1,1) 0,0005 (2,5) 0,22 (7,6) 0,43 (4,3) 0,005 (5,0) 4,74 (0,7) 0,05 (0,05)
0,11 - 0,64 0,04 - 0,67 0,0002 -0,0007 0,07 -0,35 0,01 - 1,28 0,001 -0,019 3,57 - 5,38 0,01 - 0,22
Атюхта 0,09 (0,3) 0,15 (0,8) 0,0006 (3,0) 0,31 (10,3) 0,23 (2,3) 0,004 (4,0) 7,27 (1,1) 0,007 (0,01)
0,07 -0,11 0,03 - 0,37 0,0004- 0,0007 0,29 -0,32 0,08 - 0,43 0,003 -0,005 7,16 - 7,45 0,006 - 0,008
Среднее по бассейну 0,51 (1,7) 0,49 (2,5) 0,0006 (3,0) 0,17 (5,8) 0,35 (3,5) 0,004 (4,0) 4,64 (0,7) 0,05 (0,05)
Бассейн Северского Донца
Большая Каменка 0,43 (1,5) 0,26 (1,3) 0,0004 (2,0) 0,18 (6,0) 0,12 (1,2) 0,004 (4,0) 1,55 (0,2) 0,016 (0,016)
0,16-0,81 0,17 -0,34 0,0002-0,0006 0,15 - 0,23 0,1-0,18 0,002 -0,005 1,41 -1,63 0,012 -0,02
Большая Гнилуша 0,73 (2,4) 0,71 (3,5) 0,0006 (2,0) 0,27 (9,0) 0,20 (2,0) 0,004 (4,0) 4,47 (0,6) 0,02 (0,02)
0,12 - 2,69 0,13 -2,29 0,0001- 0,0009 0,15 - 0,39 0,10 -0,35 0,001 -0,006 3,91-5,18 0,01-0,04
Быстрая 0,30 (1,0) 0,14 (0,7) 0,0010 (0,5) 0,02 (0,7) 0,14 (1,4) 0,002 (2,0) 1,72 (0,2) 0,01 (0,01)
0,10 -0,57 0,03-0,33 0,0008-0,0012 0,01 -0,04 0,04 - 0,39 0,002 -0,003 1,11 - 2,57 0,007 - 0,011
Калитва 0,22 (0,8) 0,10 (0,5) 0,0003 (1,5) 0,02 (0,7) 0,11 (1,1) 0,004 (4,0) 1,52 (0,2) 0,02 (0,02)
0,09 -0,47 0,02 -0,30 0,0001-0,0006 0,01-0,03 0,01-0,27 0,001 -0,006 1,26-1,64 0,01-0,06
Кундрючья 1,49 (4,9) 1,15 (5,6) 0,0005 (2,5) 0,21 (7,0) 0,23 (2,3) 0,005 (5,0) 3,37 (0,4) 0,02 (0,02)
0,57 - 4,04 0,19 - 2,42 0,0002-0,0007 0,12 -0,29 0,05 - 0,47 0,002 -0,008 2,99 - 3,91 0,01 - 0,03
Лихая 0,44 (1,5) 0,31 (1,5) 0,0007 (3,5) 0,04 (1,3) 0,22 (2,2) 0,003 (3,0) 2,67 (0,3) 0,012 (0,01)
0,10 - 0,98 0,09 - 0,83 0,0001-0,0011 0,02 -0,05 0,03 - 0,53 0,002 -0,005 1,80 - 3,45 0,01 - 0,016
Среднее по бассейну 0,54 (1,8) 0,38 (1,9) 0,0006 (3,0) 0,10 (3,5) 0,23 (2,3) 0,004 (4,0) 2,87 (0,4) 0,04 (0,04)
* - в числителе - средние значения, мг/дм3, в скобках - кратность превышения ПДК [6], в знаменателе - пределы изменения концентрации, мг/дм3.
Об уровне загрязненности поверхностных вод можно судить по данным табл. 3 и 4, где приведены значения интегрального показателя - СКЗ. Как видно, его величина варьирует в широких пределах - от 4,6 до 45,6, что соответствует категориям «слабозагрязненная» - «грязная и очень грязная». По степени уменьшения значений СКЗ реки бассейна Северского Донца располагаются в такой последовательности: Малая Каменка - Большая Гнилуша -Кундрючья - Лихая - Большая Каменка - Быстрая -Калитва. В бассейне Тузлова этот ряд выглядит следующим образом: Малый Несветай - Атюхта -Аюта - Кадамовка - Грушевка - Большой Несве-тай. При сопоставлении качества речной воды двух изучаемых бассейнов выясняется, что в большинстве рек бассейна Тузлова вода отвечает категории «грязная и очень грязная» (средняя величина СКЗ 29,4), в то время как в бассейне Северского Донца (СКЗ 19,3) она в ряде случаев (реки Калитва, Быст-
рая) заметно чище. Данное обстоятельство объясняется разным уровнем антропогенной нагрузки, которую испытывают поверхностные воды двух бассейнов. Как показали наши исследования [7], в речную сеть бассейна Тузлова только с техногенными шахтными водами поступает 363 375 т/год загрязняющих веществ, в то время как для бассейна Северского Донца это количество составляет всего лишь 42 128 т/год.
Следует еще раз подчеркнуть, что наиболее уязвимыми к антропогенному воздействию, как правило, оказываются малые реки, составляющие верхние звенья речной сети. Поэтому уровень их загрязненности всегда существенно выше, чем в средних и тем более крупных реках. Это, например, видно при сравнении величин СКЗ в воде реки Тузлов (14,7) и её притоков первого и второго порядков - Большого Несветая (15,9), Малого Не-светая (45,6), а в соседнем бассейне - в речных
водах Северского Донца (8,2), Кундрючьей (27,7), Большой Гнилуши (31,2). Важно также отметить, что с увеличением значений СКЗ расширяется и набор компонентов - загрязнителей речных вод
(табл. 3 и 4). Его основу в большинстве рек формируют сульфат-ион ^ОЛ ), щелочные (Ка+К) и щелочно-земельные металлы (Са и Mg), а из микроэлементов - Си, Li, Ве, Мп, А1, Fe.
Таблица 3
Характеристика загрязненности речных вод в бассейне Северского Донца по СКЗ
Река СКЗ Ассоциация компонентов-загрязнителей Категория загрязненности
Калитва 4,6 Be, Mn, Cu Слабозагрязненная
Быстрая 7,8 Ca, SO4, Fe, Mn, Be, Cu Весьма загрязненная
Большая Каменка 12,4 Na+K, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Очень загрязненная
Лихая 12,3 Na+K, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Очень загрязненная
Кундрючья 27,7 Na+K, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Большая Гнилуша 31,2 Na+K, Ca, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Малая Каменка 39,3 Na+K, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Среднее для бассейна 17,9 Na+K, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Очень загрязненная
Таблица 4
Характеристика загрязненности речных вод бассейна Тузлов по СКЗ
Река СКЗ Ассоциация компонентов-загрязнителей Категория загрязненности
Большой Несветай 15,9 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Be, Li, Mn, Cu Очень загрязненная
Грушевка 18,6 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Очень загрязненная
Кадамовка 28,5 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Аюта 31,3 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Атюхта 36,5 Na+K, Ca, Mg, Cl, SO4, Al, Be, Li, Mn, Cu, Sr Грязная и очень грязная
Малый Несветай 45,6 Na+K, Ca, Mg, SO4, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Среднее для бассейна 27,3 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Грязная и очень грязная
Подземные воды Восточного Донбасса также характеризуются сложным химическим составом. В
его анионной части (табл. 5) в большинстве случаев
2-
преобладают сульфат-ионы ^О4 ). Это типично как для региона в целом, так и для отдельных угольных районов. Однако по содержанию этого компонента угольные районы существенно различаются: максимальные их количества (77,0 - 4128,0; в среднем 1670,0 мг/дм3) установлены в Новошах-тинском районе, а минимальные - в Шахтинском (288,0 - 1056,0; в среднем 685,0 мг/дм3).
Среди катионов повсеместно лидирующие позиции занимают Ка и К, содержание которых по районам убывает в ряду Новошахтинский (225,0 -1306,0; в среднем 612,0 мг/дм3) - Шахтинский (165,0 - 1100,0; в среднем 529,0 мг/дм3) - Шолоховский (35,0 - 541,0; в среднем 305,0 мг/дм3) -Гуковский (65,0 - 330,0; в среднем 225,0 мг/дм3)
район. Среди катионов щелочно-земельных элементов во всех наблюдательных скважинах прева-
г^ 2+
лирует Са , средние содержания которого превышают соответствующие количества Mg2+ в 1,7 - 2,4 раза. Средние по районам содержания кальция изменяются пропорционально содержаниям сульфат-и гидрокарбонат-ионов.
Воды Новошахтинского, Гуковского и Шолоховского районов относятся к гидрокарбонатно-сульфатному натриевому типу, а Шахтинского -к хлоридно-сульфатному натриевому. При этом в группе анионов наиболее нестабильное распределение свойственно сульфат-иону и хлорид-иону, в то время как гидрокарбонат-ионы распространяются в подземных водах по площади районов относительно равномерно [8].
Таблица 5
Содержание макрокомпонентов в подземных (в том числе шахтных) водах, мг/дм3
Район Na++K+ Ca Mg2+ Cl- SO42- М
Новошахтинский 612 (3,1) 269 (1,5) 184 (3,7) 384 (1,1) 1670 (3,4) 3619 (3,6)
295 - 1305 32 - 457 78 - 331 150 - 712 77 - 4128 1468 -7184
Шахтинский 529 (2,6) 166 (0,9) 97 (2,0) 639 (1,8) 685 (1,3) 2430 (2,4)
165 - 1100 24 - 337 39- 195 121 - 1815 288 - 1056 1348 - 4948
Гуковский 225 (1,1) 230 (1,3) 118 (2,4) 172 (0,5) 877 (1,8) 1951 (1,9)
65 - 330 136 - 361 54 - 219 78 - 338 227,0 - 2246,4 924,0 - 7504
Шолоховский 305 (1,5) 192 (1,1) 110 (2,2) 283 (0,8) 808 (1,6) 2031 (2,0)
35 - 541 64 - 453 39 - 243 35,6 - 605,1 192,0 - 1824,0 712,0 - 3832
Шахтные воды 988 394 326 374 3258 6028
727 - 1581 285 - 497 194 - 958 171 - 806 1632- 6912 4226 - 11728
Примечание. См. табл. 1.
Микрокомпонентный состав подземных вод (табл. 6) достаточно однообразен. Вместе с тем примечательной особенностью территориального распределения микрокомпонентов в этих водах
Содержание микроэлементов в подземных (в том
является обогащенность их железом в Шахтинском и Шолоховском районах (в среднем соответственно 3,06 и 2,26 мг/дм3), марганцем - в Гуковском и Но-вошахтинском (1,61 и 1,47 мг/дм3).
Таблица 6
сле шахтных) водах Восточного Донбасса, мг/дм3
Район Fe Al Be Li Mn Sr Zn
Новошахтинский 0,88 (2,91)* 0,07 (0,35) 0,0009 (4,5) 0,05 (1,67) 1,47 (14,7) 3,55 (0,48) 0,05 (0,05)
0,07-4,93 0,02 -0,15 0,0002-0,0019 0,01 - 0,12 0,12 - 3,14 0,34 -7,35 0,01 -0,09
Шахтинский 3,06 (10,2) 0,13 (0,65) 0,0004 (2,0) 0,04 (1,3) 0,26 (2,6) 2,32 (0,33) 0,05 (0,05)
0,2 -12,8 0,02 -0,67 0,0002-0,0006 0,01 - 0,11 0,03 - 0,75 0,05 - 7,61 0,02-0,35
Гуковский 0,76 (2,53) 0,06 (0,3) 0,0006 (3,0) 0,04 (1,3) 1,61 (16,1) 3,25 (0,47) 0,09 (0,09)
0,3 -1,14 0,02 - 0,13 0,00050,0007 0,01 - 0,09 0, 3 - 3,34 1,47 - 6,25 0,04 - 0,18
Шолоховский 2,26 (7,53) 0,10 (0,5) 0,0006 (3,0) 0,02 (0,67) 0,28 (2,8) 3,12 (0,45) 0,31 (0,31)
0,36 -8,27 0,02 - 0,51 0,0003-0,0009 0,01 - 0,04 0,01 - 1,57 0,69 -7,01 0,06 - 1,0
Шахтные воды 86,98 0,44 0,0008 0,16 7,31 6,24 0,10 (0,1)
18,1 -692,4 0,02 - 0,74 0,0002-0,0013 0,03 - 0,27 1,66 - 28,19 2,24-9,25 0,006 - 0,89
* - в числителе приведены средние значения концентраций, мг/дм3, в скобках - кратность превышения ПДК [6], в знаменателе - пределы изменения концентрации, мг/дм3.
Интегральная оценка качества по суммарному коэффициенту загрязнения показала, что изучаемые подземные воды каменноугольного горизонта, повсеместно распространенные в пределах Восточного Донбасса, относятся к 5-й категории, т.е. «грязные и очень грязные», в пределах Новошах-тинского и Шахтинского угольных районов и 4-й, т.е. «очень загрязненные» - в пределах Гуковского и Шолоховского (табл. 7). Вместе с тем в Шахтинском и Новошахтинском углепромышленных районах, где объекты угледобычи (действующие и ликвидированные мокрым способом шахты, породные отвалы и др.) имеют наибольшее распространение, на отдельных площадях присутствуют чрезвычайно грязные подземные воды.
Если сравнить химический состав поверхност-
ных и подземных вод, то окажется, что и те и другие характеризуются одинаковым набором типо-морфных компонентов-загрязнителей. В их числе Ca, Mg, SO4, Fe, А1, Ве, Li, Мп, Си. Особенно впечатляет практически полное совпадение уровня загрязненности вод в пределах отдельных бассейнов по величине суммарного показателя (СКЗ). Данные обстоятельства свидетельствуют, с одной стороны, о том, что поверхностные и подземные воды Восточного Донбасса, тесно взаимодействуя друг с другом, находятся в состоянии динамического равновесия, а с другой - что в формировании их химического состава участвует единый (но, естественно, не единственный) мощный источник загрязнения. Таковыми являются техногенные шахтные воды.
Таблица 7
Характеристика загрязненности подземных (в том числе шахтных) вод Восточного Донбасса по СКЗ
Район СКЗ Ассоциация элементов Категория загрязненности
Новошахтинский 33,62 Na+K, Ca, Mg, Cl, SO4, Fe^, Be, Li, Mn, Грязная и очень грязная
Шахтинский 24,11 Na+K, Mg, Cl, SO4, Беобщ,Ве, Li, Mn Грязная и очень грязная
Среднее для районов (бассейн Тузлова) 27,44 Na+K, Mg, Cl, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn Грязная и очень грязная
Гуковский 19,08 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Be, Li, Mn Очень загрязненная
Шолоховский 15,83 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Be, Mn Очень загрязненная
Среднее для районов (бассейн Северского Донца) 17,62 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Be, Mn Очень загрязненная
Шахтные воды 396,7 Na+K, Ca, Mg, SO4, Fe, Al, Be, Li, Mn, Cu Чрезвычайно грязная
Как известно, шахтные воды угольных бассейнов формируются за счет подземных вод, дренирующих горные выработки. Дополнительным источником может служить инфильтрация в горные выработки атмосферных осадков и поверхностных вод из прилегающих водных объектов, что особенно характерно для Восточного Донбасса, где трещиноватые горные породы пользуются широким распространением.
По своему составу шахтные воды сильно отличаются от исходных подземных вод по общей минерализации и содержанию большинства макро- и микрокомпонентов. В частности, в углепромышленных районах Восточного Донбасса их минерализация изменяется в пределах 1,3 - 4,5 г/л, а в отдельных случаях достигает 10 - 12 г/л. По химическому составу это преимущественно воды сульфатного класса натриевой группы.
Химический состав шахтных вод непостоянен и заметно изменяется со временем. Так, по некоторым данным [9], за 5 лет эксплуатации угольных месторождений минерализация вод в отдельных шахтах Восточного Донбасса увеличилась на 9-13 %. При этом класс воды сменился с гидрокарбонатного на сульфатный, а местами - на хлоридный. В катионном составе отмечен рост содержания натрия.
Наиболее существенные изменения в химическом составе шахтных вод произошли в последние 20-25 лет в связи с реструктуризацией угольной промышленности, предусматривающей ликвидацию нерентабельных шахт путем их затопления. Как показали наши расчеты, минерализация шахтных вод за этот период возросла в среднем на 55 %, а количество отдельных макрокомпонентов (сульфатов, Mg и Са) увеличилось на 100 - 150 %. Аналогичные изменения произошли и в микрокомпонентном составе шахтных вод. В частности, содержания железа и марганца в водах ликвидированных шахт оказались в десятки раз выше, чем в водах
периода их эксплуатации. Вместе с тем, как видно из данных табл. 5-7, состав компонентов - загрязнителей техногенных шахтных вод в значительной степени соответствует набору типоморфных элементов в подземных и речных водах данного региона. Это свидетельствует о существенной роли техногенных шахтных вод в формировании качества поверхностной и подземной гидросферы. Дополнительным аргументом в пользу такого вывода служат геохимические спектры подземных, речных и шахтных вод, приведенные на рисунке. Как видно, эти спектры в значительной степени симбатны, т.е. повторяют друг друга (имеют схожий ход изменения).
Затопление нерентабельных шахт способствовало поступлению техногенных шахтных вод в водоносные горизонты и формированию ореолов распространения сильнозагрязненных подземных вод, непригодных для хозяйственно-питьевого водоснабжения местного населения. Такая обстановка сложилась в ряде населенных пунктов Октябрьского и Красносулинского районов Ростовской области.
Ликвидация объектов добычи угля оказала резко негативное влияние и на качество поверхностных вод за счет сброса на рельеф и поступления в речную сеть сильнозагрязненных шахтных вод. Объектами такого влияния оказались, в частности, реки Кадамовка, Малый и Большой Несветай, Аюта, Кундрючья, Гнилу-ша, Лихая, Бургуста, Малая Каменка. В них, по некоторым оценкам [10], поступает от 150 до 2500 м3/ч таких вод. Следует также учитывать высокую вероятность загрязнения речных вод не только сверху, но и снизу в связи с подъемом уровня подземных вод и выходом их на поверхность по тектонически нарушенным зонам как естественного, так и техногенного происхождения. Увеличение питания рек и водоемов подземными водами в результате ликвидации шахт Восточного Донбасса отмечалось рядом исследователей [10, 11].
Геохимические спектры шахтных, подземных и речных вод Восточного Донбасса
Таким образом, приведенные выше материалы гидрохимических исследований свидетельствуют о том, что поверхностные и подземные воды Восточного Донбасса находятся в состоянии двусторонней гидравлической связи. Она выражается в том, что подземные воды в течение всего года питают поверхностные водотоки, а последние, в свою очередь, - водоносные горизонты подрусловых грунтовых вод и грунтовых вод прибрежной полосы. Не исключено, что подобный водообмен существовал и до начала освоения Восточного Донбасса. Но тогда он, скорее всего, имел локальный характер. В процессе эксплуатации угольных месторождений, особенно в результате массовой ликвидации нерентабельных шахт, ареалы активного водообмена между поверхностными и подземными водами значительно расширились. Этому способствовало развитие техногенных пликативных и особенно дизъюнктивных нарушений в горно-породном массиве, обеспечивающих высокую вертикальную проницаемость зоны аэрации.
Как известно, в соответствии с существующей в настоящее время природоохранной и водохозяйственной политикой оценка поверхностных и подземных ресурсов осуществляется изолированно: по водохозяйственным балансам для поверхностного стока, по эксплуатационным запасам - для подземного. Результаты проведенных исследований убеждают в том, что эффективное решение гидроэкологических проблем в данном регионе возможно только на основе совместного использования, управления и оценки речных и подземных водных ресурсов. При этом необходимо учитывать, что основной вклад в ухудшение их качества в данном регионе принадлежит техногенным шахтным водам, минимизация воздействия которых на поверх-
ностную и подземную гидросферы должна стать приоритетной задачей природоохранных органов.
Литература
1. Вернадский В.И. История природных вод. М., 2003. 751 с.
2. Никаноров А.М. Гидрохимия : учебник. Ростов н/Д., 2008. 461 с.
3. Закруткин В.Е., Иваник В.М., Гибков Е.В, Скляров В.В. Оценка влияния ликвидируемых шахт Восточного Донбасса на гидрохимический состав малых рек бассейна Северского Донца // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2010. № 3. С. 84 - 87.
4. Закруткин В.Е., Иваник В.М., Гибков Е.В. Состояние загрязненности воды рек Ростовской области в районах техногенного влияния ликвидируемых шахт Восточного Донбасса (реки бассейна Тузлова) // Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России : материалы науч.-практ. конф. с междунар. участием. Ч. 1. Ростов н/Д., 2009. С. 88 - 91.
5. Белоусова А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. Экологическая гидрогеология. М., 2006. 397 с.
6. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М., 2002. 62 с.
7. Закруткин В. Е., Иваник В.М., Гибков Е.В. Эко-лого-географический анализ рисков реструктуризации угольной промышленности в Восточном Донбассе // Изв. РАН. Сер. географическая. 2010. № 5. С. 94 - 102.
8. Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Гибков Е.В. Особенности химического состава и степень загрязненности подземных вод углепромышленных районов Восточного Донбасса // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион. Естеств. науки. 2014. № 4. С. 73 - 77.
9. Никаноров А.М., Страдомская А.Г., Иваник В.М. Локальный мониторинг загрязнения водных объектов в районах высоких техногенных воздействий топливно-энергетического комплекса. СПб., 2002. 156 с.
10.Мохов А.В., Журбицкий Б.И., Карасев Г.К., Дымна А.И. Влияние угольного комплекса на геоэкологическую ситуацию // Проблемы и перспективы комплексного освоения минеральных ресурсов Восточного Донбасса. Ростов н/Д., 2005. С. 129 - 138.
11. Экологический мониторинг ликвидации неперспективных шахт Восточного Донбасса / под ред. В.М. Еремеева. Шахты, 2001. 182 с.
References
1. Vernadskii V.I. Istoriya prirodnykh vod [History of natural waters]. Moscow, 2003, 751 p.
2. Nikanorov A.M. Gidrokhimiya [Hydrochemistry]. Textbook. Rostov-on-Don, 2008, 461 p.
3. Zakrutkin V.E., Ivanik V.M., Gibkov E.V, Sklyarov V.V. Otsenka vliyaniya likvidiruemykh shakht Vostochnogo Donbassa na gidrokhimicheskii sostav malykh rek basseina Severskogo Dontsa [Assessing the impact of liquidating the Eastern Donbass mines on the hydrochemical composition of the low river basin of the Seversky Donets]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki, 2010, no 3, pp. 84-87.
4. Zakrutkin V.E., Ivanik V.M., Gibkov E.V. [State water pollution of the rivers of the Rostov region in the areas of technogenic influence of liquidated mines of East Donbass (Tuzlov basin)]. Sovremennye fundamental'nye problemy gidrokhimii i monitoringa kachestva poverkhnostnykh vod Rossii [Modern fundamental problems of hydrochemistry and monitoring the quality of surface waters of Russia]. Materials of scient.-pract. conf. with int. participation. Ch. 1. Rostov-on-Don, 2009, pp. 88-91.
Поступила в редакцию
5. Belousova A.P., Gavich I.K., Lisenkov A.B., Popov E.V. Ekologicheskaya gidrogeologiya [Environmental hydrogeology]. Moscow, 2006, 397 p.
6. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody tsentralizovannykh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva [Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control]. SanPiN 2.1.4.1074-01. Moscow, 2002, 62 p.
7. Zakrutkin V. E., Ivanik V.M., Gibkov E.V. Ekologo-geograficheskii analiz riskov restrukturizatsii ugol'noi promyshlennosti v Vostochnom Donbasse [Ecological and geographical analysis of the risk of restructuring the coal industry in the Eastern Donbass]. Izv. RAN. Ser. geograficheskaya, 2010, no 5, pp. 94-102.
8. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Yu., Gibkov E.V. Osobennosti khimicheskogo sostava i stepen' zagryaz-nennosti podzemnykh vod uglepromyshlennykh raionov Vostochnogo Donbassa [Features of the chemical composition and the degree of contamination of groundwater coal-mining areas of the Eastern Donbass]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki, 2014, no 4, pp. 73-77.
9. Nikanorov A.M., Stradomskaya A.G., Ivanik V.M. Lokal'nyi monitoring zagryazneniya vodnykh ob"ektov v raionakh vysokikh tekhnogennykh vozdeistvii toplivno-energeticheskogo kompleksa [Local monitoring water pollution in areas of high technological impacts of fuel and energy complex]. Saint Petersburg, 2002, 156 p.
10. Mokhov A.V., Zhurbitskii B.I., Karasev G.K., Dymna A.I. [Influence of coal complex on geoecological situation]. Problemy i perspektivy kompleksnogo osvoeniya mineral'nykh resursov Vostochnogo Donbassa [Problems and prospects of integrated development of mineral resources of the Eastern Donbass]. Rostov-on-Don, 2005, pp. 129-138.
11. Ekologicheskii monitoring likvidatsii neperspek-tivnykh shakht Vostochnogo Donbassa [Environmental monitoring liquidation of unpromising mines of East Donbass]. Ed. V.M. Eremeev. Shakhty, 2001, 182 p.
_30 марта 2016 г.
