Evaluation of chemical composition quality of surface water in the eastern Donbass

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Главные цели настоящей работы – анализ степени современного загрязнения поверхностных вод в Восточном Донбассе и оценка роли состава шахтных вод в формировании этого загрязнения. На протяжении многих десятилетий на условия жизнеобитания и состояние окружающей среды Восточного Донбасса интенсивное влияние оказывали и продолжают оказывать предприятия угледобывающего, углеперерабатывающего, металлургического, машиностроительного, сельскохозяйственного и химического профилей, жилищно-коммунальное хозяйство и многие другие. Среди основных источников негативного воздействия на окружающую среду региона в первую очередь необходимо отметить давно закрытые и брошенные, действующие и недавно ликвидированные угольные шахты, породные отвалы шахт, пруды-отстойники и другие объекты. Указанные факторы формируют мощные потоки загрязнения воздушной, водной и геологической сред, техногенную трещиноватость горных пород, засоление почв, деформацию зданий, сооружений и коммуникаций, заиление водотоков и другие негативные последствия [1, 2, 4, 10].

Сброс шахтных вод в речную сеть еще более усугубляет экологическую ситуацию. Многие крупные и средние реки Восточного Донбасса (Кундрючья, Лихая, Кадамовка, Каменка и др.) практически утратили водохозяйственное значение. Сократились запасы, ухудшилось качество, возрос дефицит питьевых и технических вод. Такая ситуация характерна для большинства угольных бассейнов всего мира − Кемеровского, Печерского, Донецкого (Украина), Карагандинского (Казахстан), Силезского (Польша), Рурского (Германия), Вичитинского (США) и для многих десятков других бассейнов. Изучению негативных изменений окружающей среды в угольных регионах посвящено значительное количество исследований и публикаций [1-10].

Реструктуризация угольной промышленности и массовое закрытие угольных шахт в Восточном Донбассе интенсифицировали процессы оседания земной поверхности и деформации горных пород, подтопления территорий и породных отвалов, формирования аномальных по составу вод и интенсивное загрязнение поверхностных, выделение «мертвого воздуха» и многие другие отрицательные явления.

Все эти негативные факторы вызвали многочисленные деформации и разрушение сооружений, производственных и жилых зданий, что потребовало переселения части населения на безопасные территории. Возникли проблемы в большинстве компонентов окружающей среды: воздушной, водной, биологической, геологической и социальной [1, 2, 5, 10].

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для изучения закономерностей формирования химического состава шахтных, подземных и поверхностных вод Восточного Донбасса привлечено более 2000 анализов проб вод. Обработка данных выполнена с привлечением стандартных методов математико-статистической оценки параметров распределений содержаний компонентов, методов оценки загрязнения окружающей среды и способа построения классификации многомерных наблюдений G-mode. Многомерный классификационный метод позволяет строить классификации наблюдений в условиях отсутствия априорных сведений о таксономической структуре наблюдений (задача без учителя), оценивать различия между однородными таксонами наблюдений, определять информативность признаков. Классификационный метод реализован в виде цифровой компьютерной технологии АГАТ-2, которая основана на оригинальном критерии Z² и применена в данной работе для построения классификаций гидрогеохимических данных [1, 4, 7].

Для оценки загрязнения вод использована широко применяемая в геоэкологии оценка степени загрязнения вод, почв, грунтов, донных осадков и т.п. по коэффициенту концентрации (K_c) и суммарному показателю загрязнения (Z_c). Коэффициент концентрации i-го компонента (K_ci) рассчитывается по формуле:

K_ci=C_i /C_{ПДК ,}

где C_i – концентрация компонента, C_ПДК – предельно допустимая или фоновая концентрация компонента.

Степень загрязнения окружающей среды по n компонентам оценивается по суммарному показателю загрязнения:

$Zc=\underset{i=1}{\overset{n}{}}Kci-\left(n-1\right)$.

Категории загрязнения окружающей среды приведены в табл. 1.

Таблица 1. Категории загрязнения окружающей среды

Компоненты состава вод включаются в название при содержании 20-25% моль, располагаются в порядке возрастания.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для эффективной оценки качества поверхностных вод в Восточном Донбассе необходимо охарактеризовать основной источник их загрязнения – шахтные воды. На поверхность шахтные воды выносят огромное количество растворенных веществ, характеристика которых приведена в табл. 2. Объем шахтных вод и количества растворенных веществ достигли максимума к 1990-м годам. Затем произошло резкое уменьшение, так как началась массовая ликвидация угольных шахт путем затопления, и поток вод был направлен в отработанное пространство шахт, а не на дневную поверхность.

Таблица 2. Объем шахтных вод (млн м³/год) и вынос ими на поверхность растворенных веществ в Восточном Донбассе

Количество выносимых шахтными водами на поверхность растворенных веществ особенно интенсивно возросло после завершения процесса массовой ликвидации угольных шахт в рассматриваемом регионе (после 2000 г.), преимущественно за счет сульфат-иона, но и значительного количества железа и других металлов. Это хорошо видно по данным табл. 3. Значительные расхождения между средними арифметическими значениями и медианными свидетельствуют о несимметричности распределений содержаний металлов, а относительное среднее квадратичное отклонение в большинстве случаев превышает 100%.

Таблица 3. Распределения содержаний металлов в шахтных водах (мг/л)

Примечание. M – минерализация

Средние содержания многих металлов в шахтных водах превышают ПДК в сотни, а максимальные значения – в тысячи раз, особенно по Al, Fe, Mn. Обогащение шахтных вод металлами и сульфат-ионом происходит в результате развития интенсивных процессов окисления сульфидов, заключенных в углях и вмещающих породах, и дальнейшего растворения сульфатов [1, 3, 4, 9]. Следовательно, шахтные воды в Восточном Донбассе являются мощным ведущим источником загрязнения природных вод региона.

Современные направления изменений химического состава поверхностных вод в Восточном Донбассе изучены по составу вод мелких рек и водотоков в регионе (в расчет не входили такие транзитные реки, как Северский Донец, Тузлов и Дон). Для определения однородных видов наблюдений применена компьютерная технология АГАТ-2, основанная на G-методе классификации многомерных наблюдений [4, 6, 7]. Выделено 5 генетических вариантов, средний состав которых указан в табл. 4.

Таблица 4. Средний состав поверхностных вод Восточного Донбасса по гидрогеохимическим вариантам (мг/л/% моль)

В первый вариант вошли 4% наблюдений, которые характеризуют начальный этап формирования химического состава поверхностных вод в регионе и которые не подвержены загрязнению. Это гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатные магниево-кальциевые воды, находящиеся в верховьях рек Быстрая и Малый Несветай. Содержание всех компонентов ниже ПДК. Второй вариант (55% наблюдений) соответствует средней степени загрязнения поверхностных вод региона, которые равномерно распределены по территории (большая часть проб по рекам Лихая, Гнилуша, Большой Несветай и др.). Это сульфатные кальциево-натриевые воды со средней минерализацией 2561 и содержанием сульфат-иона 1300 мг/л. По большинству компонентов наблюдается превышение ПДК для вод рыбохозяйственного назначения.

К третьему варианту относятся 27% наблюдений, которые свидетельствуют об усилении процессов загрязнения поверхностных вод (районы рек Кадамовка, Аюта и др.). Минерализация в среднем повышается до 3795, а содержание сульфат-иона до 2035 мг/л. Практически по всем компонентам отмечено превышение ПДК.

Четвертый вариант характеризуется оригинальным составом вод (7%), здесь особенно высоки содержания хлор-иона. Воды по составу хлоридно-сульфатные магниево-натриевые (см. табл. 4). Территориально они расположены в районе шахт Восточная и Тацинская по р. Быстрая. По содержаниям всех лимитируемых компонентов отмечается превышение ПДК более чем в 2 раза.

Пятый вариант (7% наблюдений) отражает наиболее интенсивное загрязнение поверхностных вод шахтными. Это сульфатные натриевые воды высокой минерализации, которая в среднем составляет 6208, а содержание сульфат-иона – 3210 мг/л. По всем компонентам отмечено превышение ПДК. Таким высоким загрязнением характеризуются воды рек Кадамовка, Аюта и Атюхта, они находятся под влиянием шахтных вод шахт Глубокая и Красина. Минерализация вод повысилась в 6 раз, содержание сульфат-иона – в 10.

Значительный интерес представляет оценка загрязнения поверхностных вод региона по микроэлементам и макрокомпонентам одновременно, которая выполнена путем расчета коэффициентов концентрации и суммарного показателя загрязнения (табл. 5). При оценке по 20-ти компонентам суммарный показатель загрязнения относительно требований к водам водных объектов рыбохозяйственного назначения составил 108, что по категориям загрязнения относится к чрезвычайной кризисной ситуации (см. табл. 1). Следует также иметь в виду, что согласно требованиям не соответствуют содержания 13-ти компонентов из 20-ти (65%). Относительно требований к водам водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования суммарный показатель загрязнения равен 18, что соответствует напряженной ситуации. Из 20-ти компонентов содержания 10-ти не отвечают требованиям ПДК (50%).

Таблица 5. Характеристика степени загрязнения поверхностных вод Восточного Донбасса

Примечание. K_cr – коэффициент концентрации для рыбохозяйственных вод, K_cp – коэффициент концентрации для питьевых вод, Z_c - суммарный показатель загрязнения вод, Pr – превышение ПДК для рыбохозяйственных вод (+), Pp - превышение ПДК для питьевых вод (+).

Особенно следует отметить, что по содержаниям макрокомпонентов (за исключением хлор-иона) воды не отвечают требованиям ПДК, прежде всего по минерализации (М), и это свидетельствует о неудовлетворительном качестве поверхностных вод.

Для микроэлементов поверхностных вод по компьютерной технологии классификации многомерных наблюдений АГАТ-2 обнаружено 4 однородных класса наблюдений, которые характеризуются различным уровнем загрязнения. Для этих классов выполнена оценка степени загрязнения относительно ПДК для вод рыбохозяйственного назначения, которая приведена в табл. 6. В однородный класс 1.01 входит большинство наблюдений (71%), для которых суммарный показатель загрязнения равен 27, что соответствует напряженной (риск) экологической категории. Таким загрязнением характеризуются в основном воды рек Лихая, Быстрая, Большой Несветай. Для однородных классов поверхностных вод 2.01 и 3.01 (по 5% наблюдений) отмечен высокий уровень загрязнения с суммарными показателями загрязнения 53 и 57, что соответствует кризисной категории загрязнения (см. табл. 1). В эти классы вошли воды рек Кадамовка, Аюта, Атюхта, Малый Несветай вблизи выходов шахтных вод.

Таблица 6. Характеристика степени загрязнения по микроэлементам однородных классов поверхностных вод

Примечание. С – среднее содержание, K_cr – коэффициент концентрации для рыбохозяйственных вод, Z_c – суммарный показатель.

Однородный класс поверхностных вод 4.01 характеризуется самым высоким уровнем загрязнения с суммарным показателем 65. По 9-ти металлам из 17-ти отмечено превышение ПДК. Это воды рек Кадамовка, Аюта, Атюхта, М. Несветай в местах непосредственного выхода на поверхность шахтных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Восточном Донбассе шахтные воды угольных шахт выносят на поверхность огромные количества растворенных веществ – до 413 тыс. т/год (см. табл. 2), среди которых значительную часть составляют как макрокомпоненты, так и различные металлы. Анализ показал, что средние содержания многих металлов в шахтных водах превышают ПДК в сотни, а максимальные содержания – в тысячи раз (см. табл. 3). Следовательно, шахтные воды являются интенсивным антропогенным фактором загрязнения окружающей среды региона, в первую очередь природных вод.

Изучение современных направлений изменений химического состава поверхностных вод в Восточном Донбассе выполнено с помощью выделения однородных по составу вариантов вод с помощью цифровой компьютерной технологии АГАТ-2. Выделено 5 вариантов, которые характеризуют исходные, незагрязненные воды и различной степени загрязненные; приведено их пространственное распределение по территории региона.

Для 20-ти компонентов химического состава поверхностных вод региона выполнена оценка их качества с помощью расчета коэффициентов концентрации и суммарного показателя загрязнения (см. табл. 5). Относительно требований к водным объектам рыбохозяйственного назначения суммарный показатель равен 108, что по категориям загрязнения относится к чрезвычайной кризисной ситуации (для 65% компонентов отмечено превышение ПДК). Относительно требований к водным объектам хозяйственно-питьевого водоснабжения суммарный показатель равен 18, что соответствует напряженной ситуации (превышение ПДК отмечено для 50% компонентов).

Для микроэлементов поверхностных вод по цифровой компьютерной технологии АГАТ-2 выделено 4 однородных класса наблюдений, отражающих различную степень загрязнения поверхностных вод. Суммарный показатель загрязнения относительно ПДК к водам рыбохозяйственного назначения колеблется от 27 до 65, что соответствует напряженной и чрезвычайной (кризисной) ситуациям.

Таким образом, анализ качества поверхностных вод в Восточном Донбассе убедительно свидетельствует о том, что шахтные воды являются мощным источником загрязнения поверхностных вод региона по макрокомпонентам и микроэлементам и наносят серьезный экологический ущерб территории. Процент компонентов, по которым наблюдается превышение ПДК, составляет в большинстве случаев 60-65%. Суммарный показатель загрязнения относительно требований к водам водных объектов рыбохозяйственного водопользования колеблется в пределах 27-107, что по категориям загрязнения квалифицируется как напряженная и чрезвычайная (кризисная) ситуации. Следовательно, шахтные воды существенно загрязняют поверхностные воды в Восточном Донбассе, и необходимо проведение реабилитационных мер по улучшению качества поверхностных вод в регионе.

About the authors

A. I. Gavrishin

Author for correspondence.
Email: agavrishin@rambler.ru
Russian Federation, ul. Prosveshchenia, 132, Novocherkassk, 346428

References

Supplementary files