Кучерина Е.В., Алехин В.И., Донецкий НациональныйТехнический Университет
Однимиз наиболее проблемных в экологическом отношении регионов Украины являетсяДонбасс. Природный комплекс Донбасса подвергался интенсивному техногенномувоздействию на протяжении многих десятилетий. Основной вклад в осложнениеэкологической ситуации вносили предприятия угольной промышленности. Начавшийсяв 90-е годы процесс закрытия нерентабельных шахт вызвал новые экологическиепроблемы (подтопление заселенных территорий, усиление миграции метана к дневнойповерхности и др.).
Ведениеугледобычи создает целый ряд экологических проблем:
— непрерывный выброс в атмосферу с вентиляционным потоком большого количествазагрязняющих веществ;
— сброс в природные водоемы шахтных вод, имеющих повышенную минерализацию, загрязненныхвзвешенными веществами, нефтепродуктами, фенолами, бактериальными примесями;
— складирование на поверхности склонной к самовозгоранию породной массы;
— нарушения и загрязнения компонентов окружающей среды за счет вспомогательныхтехнологических процессов и производств, без которых невозможно ведениеподготовительных и добычных работ. Это операции по выгрузке-погрузке породной иугольной массы, транспортировка и хранение в открытых складах угля, процессыобогащения и переработки угля и др [2].
Такимобразом, деятельность шахт приводят к негативному воздействию на окружающуюприродную среду (ОПС), экологическая нагрузка на ОПС постоянно увеличивается.Оценить в полном объеме воздействие на ОПС всех предприятий угольной отраслиневозможно из-за отсутствия многих показателей состояния компонентов биосферы.В данной работе исследовано влияние деятельности одной угольной шахты наотдельные компоненты окружающей среды.
Объектомисследования в данной работе является геологическая среда вблизи шахты«Южно-Донбасская» № 3. В пределах и вблизи шахтного поля расположен ряднаселенных пунктов: поселок городского типа Угледар, села: Водяное, Елизаветовка.Водоснабжение действующих на данном участке шахт, п.г.т. Угледараосуществляется из водовода Северский Донец — Мариуполь, водоснабжение сел — сместных водозаборов за счет верхнемелового водоносного горизонта.
Деятельностьшахты «Южно-Донбасская» № 3 сопровождается следующими отрицательными моментами:
— при вскрытии, подготовке и в процессе добычи угля на поверхность выдаетсязначительное количество породы, которая складируется на поверхности в отвалах.Этот процесс приводят к загрязнению атмосферы пылью и вредными газами, повышениюконцентрации хлоридов и сульфатов в почвах;
— выбросы из вентиляционных стволов больших концентрациях сопровождается выносомиз горных выработок в атмосферу больших объемов углекислого газа, метана, угольнойи породной пыли;
— заметный вклад в загрязнение атмосферы вносят неорганизованныe источники, связанныес отгрузкой угля, а также отгрузкой и складированием породы;
— в шахтных водах, углях и вмещающих породах находится целый ряд элементов, содержаниекоторых превышает предельно допустимые концентрации.
Цельюработы являлась детальная оценка совокупности природных и техногенных факторовгеологической среды, влияющих на распределение химических элементов наисследуемой площади.
Длядостижения цели работы были реализованы такие задачи:
— изучено распределение химических элементов в почвах на исследуемой площади;
— выделены участки с повышенным содержанием химических элементов и построеныэколого-геохимические карты для оценки загрязнения исследуемой площади;
— оценено состояние геологической среды и влияние протекающих в ней природныхпроцессов на экологическую обстановку;
— разработаны рекомендации по ограничению и предупреждению неблагоприятных иопасных процессов, связанных с деятельностью предприятия.
Фактическийматериал, использованный для исследования, представлен даннымиполуколичественного спектрального анализа проб почвогрунтов по 25 химическимэлементам. Количество проб – 291.
Приобработке геохимических данных нами решалось несколько задач. Во-первых, былиопределены основные статистические показатели (мода, среднее, стандартноеотклонение и т.д.). Затем на основе корреляционного и кластерного анализовисследованы корреляционные связи между элементами и выделены их ассоциации.Проведен также расчет мультипликативного показателя, характеризующего суммарноезагрязнение, построена карта его распределения по площади. Изучены природные итехногенные факторы, создающие загрязнение и влияющие на интенсивность иплощадное распределение аномалий на шахтном поле [1].
Проведеннаястатистическая обработка данных с дальнейшим нормированием полученныхстатистических показателей по ПДК (фону) позволила выявить на исследуемомучастке целый ряд элементов, содержания которых в почвогрунтах превышаютпредельно допустимые концентрации. Это такие элементы, как Pb (10ПДК –единичные пробы); Zn (1, 5ПДК); Be (3Сф) – I класс опасности; Nb, Mo (1, 06Сф и1, 4Сф); Со и В (2 фона) — II класс; Sn, Zr и Mg (превышают фон в 2 раза) – IIIкласс опасности.
Дляболее детальной обработки выделены элементы, превышения которых относительноПДК (фона) наиболее опасны. Для анализа взаимосвязей элементов между собой былапостроена матрица корреляций с помощью программы SPSS (см. табл.1), по которойбыл сформирован комплекс показателей, связанных значимыми положительнымисвязями. Это позволило решить задачи поиска общей геохимической природы междуэлементами и их возникновения в больших концентрациях на исследуемом участке.
Таблица1 Матрица корреляционных связейЭлементы цирконий барий цинк бериллий бор Кобальт цирконий 1, 000 / 0, 000 0, 112 / 0, 057 0, 096 / 0, 102 0, 050 / 0, 395 0, 125 / 0, 034 0, 053 / 0, 367 барий 0, 112 / 0, 057 1, 000 / 0, 000 0, 321 / 0, 000 0, 140 / 0, 017 0, 061 / 0, 303 0, 459 / 0, 000 цинк 0, 096 / 0, 102 0, 321 / 0, 000 1, 000 / 0, 000 0, 103 / 0, 078 0, 113 / 0, 054 0, 511 / 0, 000 бериллий 0, 050 / 0, 395 0, 140 / 0, 017 0, 103 / 0, 078 1, 000 / 0, 000 0, 070 / 0, 232 0, 269 / 0, 000 бор 0, 125 / 0, 034 0, 061 / 0, 303 0, 113 / 0, 054 0, 070 / 0, 232 1, 000 / 0, 000 0, 181 / 0, 002 кобальт 0, 053 / 0, 367 0, 459 / 0, 000 0, 511 / 0, 000 0, 269 / 0, 000 0, 181 / 0, 002 1, 000 / 0, 000
-коэффициент Пирсона/уровень значимости
Итак,исходя из матрицы корреляций, были сформулированы выводы о том, что значимыесвязи существуют между Zn и Bа, Ва и Со, Zn и Со, Ве и Со, В и Со, а такжемежду Ве и Ba, Ва-Zr, но с меньшим уровнем значимости. Связи между показателямиявляются значимыми положительными, связи между остальными элементами можносчитать незначимыми.
Одногокорреляционного анализа недостаточно для выделения ассоциации элементов, поэтомуна данном этапе был использован метод построения дендрограммы, основанный напроверке степени значимости и объединения в ассоциацию элементов, связанныхнаиболее тесными положительными связями. Дендрограмма построена также с помощьюпрограммы SPSS (см. рис. 1). Она является составляющей метода кластерногоанализа. Кластеры, получающиеся в результате слияния, отображаютсягоризонтальными линиями. При этом каждый шаг на шкале равен 0, 2 коэффициентакорреляции.
/>
Рисунок1 — Горизонтальная дендрограмма
Такимобразом, данный метод кластерного анализа подтвердил полученные значимыеположительные связи Zn и Со, Zn и Ba с помощью матрицы корреляций. То естьвыделена ассоциация элементов Со-Ba-Zn. Но, картирование совместногораспределения ассоциации показателей должно обуславливать большую контрастностькарт, поэтому необходимо было включить в ассоциацию и Be, учитывая, что егокоэффициент корреляции удовлетворяет критическому уровню, и связи подендрограмме найдены с Co и Ве.
Пополученной ассоциации элементов был рассчитан мультипликативный показатель (МП)по следующей формуле: Ba•Ве•Со•Zn. Перед расчетом значения элементовнормировались относительно ПДК (фона). Далее был определен фоновый уровень длятерритории, соответствующий значению МП — 0, 5 у.е.
Длякомплексной оценки с помощью программы Surfer была построена карта суммарногозагрязнения по рассчитанному МП, и с помощью программы MapInfo изолиниизначений МП были наложены на топографическую основу изучаемой территории.
Анализируяполученную карту распределения МП, отмечено, что максимальный показательсосредоточен в центре, на юге и юго-востоке территории. Аномалии приходятся наместо расположения центральной промплощадки, породного отвала ипруда-отстойника. Восточный часть аномалии скорее всего связана с веткойжелезной дороги, проходящей прямо через ее центр, а высокое содержание наюго-востоке приурочено к массивам застройки г.Угледар (район гаражей личногоавтотранспорта).
Основныерезультаты геоэкологических исследований на поле шахты «Южно-Донбасская» № 3сводятся к следующему:
1.Геологическая среда в районе проведенных работ, исключая атмосферный и шахтныйвоздух, частично загрязнена органическими веществами и химическими элементами.
2.В водной среде наблюдается превышение нормативов элементами I класса опасности(свинец — единичные пробы), II класса опасности (литий — 3 ПДК). Элементами IIIкласса опасности загрязнена лишь поверхностная и шахтная вода (марганец и барийв концентрациях до 12 и 26 ПДК соответственно).
3.Почвогрунты загрязнены токсичными и вредными химическими элементами всехклассов опасности, значения которых превышают фон более, чем в 2 раза.
Такимобразом, загрязнение площади исследуемого объекта охватывает все среды и вбольшей степени связано с деятельностью предприятия. Это несет в себе массунегативных последствий как для природы в целом, так и для человека.
Решенияэкологических проблем, связанных с деятельностью предприятий угольнойпромышленности Донецкой области в целом и конкретного исследуемого объекта, требуеткомплексного подхода. Основные направления решения этих проблем, на наш взглядследующие:
1.Внедрение процессов добычи угля без выдачи пустой породы на поверхность ивосстановление системы профилактики от самовозгорания породных отвалов.
2.Максимальное использование газа-метана, который выделяется из угольных пластов;переход автотранспорта на газообразное топливо.
3.Предупреждение фильтрации вредных веществ из действующих шахтных отстойников, какв подземные водоносные горизонты, так и поверхностные водотоки. При этом особоевнимание следует уделять активным в современную эпоху тектоническим структурам,которые являются проводниками фильтрирующихся веществ в недрах.
4.Снижение объемов образования вредных отходов, их последующая утилизация;ликвидация хранилищ высокотоксичных отходов; упорядочение полигонов или местхранения производственных отходов.
5.Рекультивация нарушенных земель с восстановлением сельскохозяйственной, рекреационнойили селитебной их ценности, например, глубинная вспашка (до 1 м).
Выполнениевышеизложенных направлений является одной из важнейших задач в сфере защитыокружающей природной среды.
Список литературы
АлексеенкоВ.А. Экологическая геохимия. Учебник, Москва, Логос, 2000, 627с.
Землятривоги нашої. За матеріалами доповіді про стан навколишнього природного середовищав Донецькій області у 2003 році, Під ред. С.В.Третьякова, Донецьк, Новый мир, 2003,158с.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта masters.donntu.edu.ua