Оценка качества химического состава поверхностных вод в восточном Донбассе
- Авторы: Гавришин А.И.1
-
Учреждения:
- Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова, ЮРГПУ (НПИ)
- Выпуск: № 4 (2019)
- Страницы: 61-67
- Раздел: Загрязнение природной среды
- URL: https://journals.eco-vector.com/0869-7809/article/view/16043
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0869-78092019461-67
- ID: 16043
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Изучение закономерностей формирования химического состава шахтных и поверхностных вод в Восточном Донбассе выполнено с привлечением методов оценки статистических параметров распределений концентраций компонентов, методов оценки загрязнений окружающей среды и цифровой компьютерной технологии классификации многомерных наблюдений АГАТ-2. Показано, что шахтные воды в Восточном Донбассе являются мощным источником загрязнения окружающей среды и наносят серьезный экологический ущерб территории. Средние концентрации большинства компонентов шахтных вод превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в сотни, а максимальные концентрации – в тысячи раз. Анализ качества поверхностных вод в регионе выполнен по результатам опробования мелких рек и водотоков. Расчет загрязнения поверхностных вод по 20-ти компонентам показал, что суммарный показатель загрязнения равен 108 и соответствует чрезвычайной кризисной категории. Превышают ПДК 65% компонентов. По цифровой компьютерной технологии АГАТ-2 выделены однородные по содержаниям 15-ти металлов классы поверхностных вод. Суммарный показатель загрязнения изменяется в классах от 27 до 65, что соответствует напряженной и чрезвычайной кризисной ситуации. Шахтные воды существенно загрязняют поверхностные воды в Восточном Донбассе. Делается вывод о необходимости проведения реабилитационных мер по улучшению качества поверхностных вод в регионе.
Ключевые слова
Полный текст
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 (Kc) и суммарному показателю загрязнения (Zc). Коэффициент концентрации i-го компонента (Kci) рассчитывается по формуле:
Kci=Ci /CПДК ,
где Ci – концентрация компонента, CПДК – предельно допустимая или фоновая концентрация компонента.
Степень загрязнения окружающей среды по n компонентам оценивается по суммарному показателю загрязнения:
.
Категории загрязнения окружающей среды приведены в табл. 1.
Таблица 1. Категории загрязнения окружающей среды
Суммарный показатель | Экологическая ситуация |
< 16 | Норма (удовлетворительная) |
16-32 | Риск (напряженная) |
32-128 | Кризис (чрезвычайная) |
> 128 | Бедствие |
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
Дата | Объем | Компоненты шахтных вод (тыс. т/год) | рН | |||||
Растворенные вещества | SO4 | Cl | Ca | Mg | Fe | |||
1966 | 75 | 270 | 131 | 34 | 7.3 | 16 | 0.1 | 6.7 |
1992 | 90 | 395 | 155 | 63 | 18 | 13 | 0.3 | 7.5 |
1999 | 45 | 160 | 66 | 17 | 7 | 6 | 0.3 | 7.6 |
2002 | 72 | 380 | 170 | 32 | 16 | 18 | 3.3 | 7.1 |
2006 | 73 | 386 | 204 | 23 | 22 | 19 | 6.0 | 6.9 |
2010 | 78 | 411 | 211 | 33 | 28 | 20 | 2.7 | 7.2 |
2015 | 79 | 413 | 222 | 27 | 23 | 21 | 2.7 | 6.9 |
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)
Элемент | Среднее | Медиана | Минимум | Максимум | Стандарт |
Si | 7.5 | 7.3 | 1.75 | 15 | 4.0 |
Al | 0.86 | 0.6 | 0.1 | 2.7 | 0.78 |
Fe | 142.5 | 4.4 | 0.2 | 1065 | 312 |
Mn | 10.5 | 2.4 | 0.009 | 75 | 20.2 |
Ni | 0.114 | 0.06 | 0.01 | 0.6 | 0.153 |
Co | 0.05 | 0.01 | 0.004 | 0.25 | 0.082 |
Ti | 0.11 | 0.027 | 0.007 | 0.4 | 0.153 |
Cr | 0.14 | 0.013 | 0.005 | 0.7 | 0.23 |
Cu | 0.043 | 0.02 | 0.006 | 0.2 | 0.055 |
Sr | 6.2 | 4.3 | 1.05 | 18 | 5.6 |
M | 4978 | 3670 | 2310 | 15000 | 3176 |
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)
Вариант | рН | HCO3 | SO4 | Cl | Ca | Mg | Na | M |
1 | 7.98 | 303/30 | 304/37 | 200/33 | 153/45 | 85/42 | 50/12 | 1095 |
2 | 7.90 | 400/16 | 1300/73 | 130/11 | 240/32 | 100/22 | 391/46 | 2561 |
3 | 7.90 | 500/14 | 2035/74 | 250/12 | 300/21 | 205/44 | 460/35 | 3795 |
4 | 8.35 | 285/13 | 1074/58 | 406/29 | 146/18 | 116/26 | 483/55 | 2510 |
5 | 7.99 | 660/11 | 3210/74 | 516/15 | 324/18 | 248/23 | 1250/59 | 6208 |
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
Компонент | Среднее | Ксr | Pr | Kcp | Pp |
Al | 0.34 | 8.5 | + | 1.7 | + |
Be | 0.0008 | 4 | + | 4 | + |
Cd | 0.0005 | 0.1 | 0.5 | ||
K | 13.0 | 0.3 | 0.43 | ||
Fe | 0.45 | 1.5 | + | 0.9 | |
Co | 0.002 | 0.2 | 0.02 | ||
Li | 0.16 | 5.3 | + | 5.3 | + |
Cu | 0.003 | 3 | + | 0.003 | |
Mn | 0.61 | 61 | + | 6.1 | + |
Ni | 0.009 | 0.9 | 0.5 | ||
Pb | 0.0010 | 0.2 | 0.1 | ||
Se | 0.019 | 9.5 | + | 1.9 | + |
Sr | 3.92 | 2 | + | 2 | + |
Cr | 0.0018 | 0.04 | 0.04 | ||
Zn | 0.014 | 1.4 | + | 0.014 | |
SO4 | 1773 | 17.7 | + | 3.5 | + |
Cl | 212 | 0.7 | 0.6 | ||
Mg | 146 | 3.65 | + | 2.9 | + |
Na | 575 | 4.8 | + | 2.87 | + |
M | 3401 | 3.4 | + | 3.4 | + |
Zc | 108 | + | 18 | + |
Примечание. Kcr – коэффициент концентрации для рыбохозяйственных вод, Kcp – коэффициент концентрации для питьевых вод, Zc - 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
Элемент | Однородные классы поверхностных вод | |||||||
1.01 | 2.01 | 3.01 | 4.01 | |||||
C | Kcr | C | Kcr | C | Kcr | C | Kcr | |
Al | 0.126 | 3.15 | 0.06 | 1.5 | 0.825 | 20.6 | 0.721 | 18.0 |
Be | 0.0008 | 4.0 | 0.0004 | 2.0 | 0.001 | 5.0 | 0.0009 | 4.5 |
Cd | 0.0001 | 0.02 | 0.001 | 0.2 | 0.004 | 0.8 | 0.0004 | 0.1 |
K | 8.65 | 0.13 | 28.7 | 0.57 | 47.3 | 0.95 | 14.5 | 0.09 |
Fe | 0.3 | 1.0 | 0.2 | 0.7 | 0.35 | 1.2 | 0.33 | 1.1 |
Co | 0.001 | 0.1 | 0.001 | 0.1 | 0.0015 | 0.15 | 0.0011 | 0.1 |
Li | 0.098 | 3.3 | 0.458 | 15.3 | 0.415 | 13.8 | 0.218 | 7.3 |
Cu | 0.0026 | 2.6 | 0.001 | 1.0 | 0.0035 | 3.5 | 0.0047 | 4.7 |
Mn | 0.45 | 4.4 | 0.636 | 6.36 | 0.614 | 6.14 | 0.813 | 8.13 |
Ni | 0.001 | 0.1 | 0.001 | 0.1 | 0.001 | 0.1 | 0.002 | 0.2 |
Pb | 0.001 | 0.17 | 0.001 | 0.17 | 0.001 | 0.17 | 0.001 | 0.17 |
Se | 0.0182 | 9.1 | 0.058 | 29.0 | 0.005 | 4.5 | 0.0197 | 9.85 |
Sr | 3.35 | 1.67 | 8.21 | 4.1 | 6.56 | 3.28 | 4.21 | 2.1 |
Cr | 0.0018 | 0.04 | 0.001 | 0.02 | 0.001 | 0.02 | 0.0025 | 0.05 |
Zn | 0.0086 | 0.85 | 0.007 | 0.7 | 0.005 | 0.5 | 0.0198 | 1.98 |
Zc | 27 | 53 | 57 | 65 |
Примечание. С – среднее содержание, Kcr – коэффициент концентрации для рыбохозяйственных вод, Zc – 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.
Об авторах
А. И. Гавришин
Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова, ЮРГПУ (НПИ)
Автор, ответственный за переписку.
Email: agavrishin@rambler.ru
Россия, ул. Просвещения, 132, г. Новочеркасск, 346428
Список литературы
- Гавришин А.И. Закономерности формирования химического состава шахтных вод и их влияние на геоэкологическую ситуацию (ш. Комиссаровская, Восточный Донбасс) // Геоэкология. 2015. № 6. С. 505-513.
- Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Родина А.О. О загрязнении подземных вод Восточного Донбасса // Современные тенденции развития науки и технологий. 2015. № 8-1. С. 47-50.
- Bazhin V. Yu., Beloglazov I. I., Feshchenko R. Yu. Deep conversion and metal content of Russian coals // Eurasian Mining. 2016. N 2. P. 28-36.
- Gavrishin A.I. Mine Waters of the Eastern Donbass and Their Effect on the Chemistry of Groundwater and Surface Water in the Region // Water Resources. 2018. V. 45. N 5. P. 785-794.
- Gavrishin A.I. Formation Patterns of the Chemical Composition of Mine Waters in Eastern Donbas // Doklady Earth Sciences. 2018. V. 481. P. 1. P. 916-917.
- Gavrishin A. I., Coradini A. The origin and the formation laws of groundwater and mine water chemistry in the eastern Donets Basin // Water Resources. 2009. V. 36. No. 5. P. 538-547.
- Gavrishin A. I., Coradini A., Cerroni P. Multivariate classification method in planetary sciences // Earth, Moon Planets. 1992. No. 59. P. 141-152.
- Reshetnyak O.S., Nikanorov A.M., Zakrutkin V.Ye., Gibkov Ye.V. The chemical composition of surface waters of technogenicalli affected geo-systems in Eastern Donbas region // European Researcher. 2014. No. 11-1 (86). P. 1978-1992.
- Sachsenhofer R. F., Privalov V. A., Panova E. A. Basin evolution and coal geology of the Donets Basin (Ukraine, Russia): An overview // International Journal of Coal Geology. 2012. V. 89. P. 26–40.
- Zakrutkin V. E., Sklyarenko G. Y. The influence of coal mining on groundwater pollution (Eastern Donbass) // International multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 15th. 2015. P. 927-932.