Автореферат

         ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

          Согласно  постановлению Кабмина Украины от 28 марта 1997 г. в Донбассе нужно вывести из эксплуатации 64 шахты. Закрытие шахт в таком количестве приводит к отрицательным явлениям - нарушению гидродинамического и гидрогеохимического режимов подземной гидросферы, загрязнению подземных вод, активизации процессов деформации и подтопления земной поверхности, интенсификации газовыделения. Поэтому актуальными вопросами реструктуризации являются изучение ситуации на конкретных площадях и предотвращение вредных для окружающей среды и населения последствий закрытия шахт. Этой проблеме посвящена данная работа

          Связь работы с научными программами, планами, выполнение работы по заявке научного учреждения или производственной организации 

          Работа связана с научно-исследовательской работой кафедры ПИ и ЭГ Н 8-07 "Исследование геологических особенностей и строения зон экологического риска Донецкой области и разработка методики их прогнозирования"   

Цель и задачи исследования (объект, предмет, методы исследований)     

          Цель исследования - установить факторы, которые вызывают гидрогеологические, инженерно-геологические и экологические проблемы при закрытии шахт города Донецка.

Задачи исследования:
1.Рассчитать статистические показатели химического состава подземных вод.
2.Построить карты распределения показателей в пространстве и установить закономерности их распределения.       
3.Определить участки повышенного загрязнения  в пределах шахтных полей.
4.Установить главные факторы, влияющие на формирование негативных явлений.
5.Сделать количественную оценку загрязнения подземных вод.      
6.Сравнить существующую ситуацию на площади исследований с  объектом, имеющим  подобные условия.
7.Разработать рекомендации для улучшения ситуации на площади исследований.

Объект  исследования - строение недр и гидросфера на площади шахт города Донецка.

Предмет исследования - химический состав вод и динамика его изменения. 

  

Рис. 1. Изучаемые химические компоненты подземных вод. GIF-анимация, 16 кадров, зацикленное повторение, 83 кб.

   Методы исследований:

- анализ картографического материала  для определения особенностей строения площади исследований;
- составление выборок исходных данных для сравнительной характеристики и оценки неоднородности строения объекта;
- статистическая обработка исходных данных с использованием современных программ на ПЭВМ;
геохимическое картирование площади исследований и пространственный анализ распределения компонентов на исследуемой площади;
- количественная оценка загрязнения подземных вод в пределах шахтных полей;
- применение метода аналогий для разработки модели изменчивости свойств химсостава подземных вод при закрытии шахт г. Донецка.

Научная новизна полученных результатов

          Впервые систематизированы и обобщены  данные по содержанию в подземных водах катионов (Na, K, Ca) и анионов (Cl, SO4, НСО3) на площади исследований.
          Выявлена совместная миграция определенных химических компонентов.
          Установлены пространственные закономерности распространения каждого из компонентов подземных вод в пределах шахтных полей действующих и ликвидированных шахт г. Донецка.
          Установлена связь между изменением химического состава подземных вод и геологической средой на исследуемой территории.

Практическое значение полученных результатов

          Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях:
- при планировании и разработке водоохранных мероприятий в Донецкой области;
- для создания сети гидроэкологического мониторинга;
- для прогнозирования гидроэкологических последствий ликвидации шахт в других  районах (с учетом - геологических особенностей,  схожести и отличия районов);
- при изучении особенностей формирования гидрохимического режима природных вод г. Донецка.

Личный вклад магистра

          Личный вклад состоит  в следующем:
- отбор и  обработка исходных данных;
- интерпретация результатов на основе комплексных исследований;
- построение специализированных карт.

Апробация результатов

          Результаты исследований докладывались на:

- ІІ Всеукраинской молодежной конференции - школе "Современные проблемы геологических наук", Киев, КНУ им. Тараса Шевченко, 12- 15 апреля 2010г.
- Всеукраинской студенческой научно-практической конференции "Географическое образование и национальное самосознание: актуальные проблемы их формирования", Донецк, ДИСО, 26 марта 2008г.

Публикации

          Основные результаты по теме магистерской работы опубликованы в следующих работах:
Тарасенко А. С. "Экологическая и гидрогеологическая оценка факторов, влияющих на окружающую среду при закрытии шахт Донбасса" - статья; VІІ Международная научная конференция "География, геоэкология, геология: опыт  научных исследований", Днепропетровск, 2010 г.
          Тарасенко А. С. "Закономерности изменения химсостава подземных вод в пределах шахтных полей" - тезисы доклада ІІ Всеукраинской молодежной конференции - школы "Современные проблемы геологических наук", Киев, КНУ им. Тараса Шевченко, 2010 г.
          Тарасенко А. С. «Проблеми підтоплення територій грунтовими водами в межах Донецької області» - тезисы доклада  Всеукраинской студенческой научно-практической конференции «Географічна освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування», Донецк, ДИСО, 2008г.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Обзор научных публикаций по проблеме исследований

          Программа реструктуризации угольной промышленности и, в связи с ней,  закрытие шахт в Донбассе явились источником непредвиденных экологических проблем, которые по своей значимости вышли на один уровень с социально-экономическими вопросами региона.
          Необходимо отметить, что ликвидации значительного количества шахт не предшествовала комплексная научно-прогнозная оценка возможных последствий ее влияния на окружающую среду. Вместе с тем, выводу шахт из эксплуатации сопутствуют как отрицательные, так и положительные изменения состояния компонентов окружающей среды.
          В последние годы отмечается стремительное развитие изучения проблем, возникающих при реструктуризации горно-промышленных предприятий. Стоит отметить, что эти исследования имеют непродолжительную историю. В процессе накопления информации по данному вопросу количество статей в специальных периодических изданиях увеличивалось.
          Первые научные публикации относятся к 1997 году. Статьи, посвященные этой проблеме, публикуются в журналах с экологической направленностью, а также в журналах, посвященных угольной промышленности, таких как «Уголь Украины», «Уголь» и т. п. Тематика публикаций разнообразна - статьи посвящены разработке конкретных методик по определению сроков затопления породного массива, размеров зон подтопления, изменению химического состава шахтных вод, определению масштабов подвижек горного массива, обусловленных затоплением выработанного пространства, исследованиям проблем изменения сейсмичности территорий при закрытии шахт, разработке сети скважин за наблюдением изменения гидродинамического и гидрохимического режимов подземных вод, а также для контроля за динамикой процессов газовыделения.
          В настоящее время в исследованиях по данной теме сложилась следующая ситуация.
          Разработкой важнейших нормативных документов и  инструкций по данной тематике занимаются такие организации, как УкрНИИЭП, г. Харьков; УкрНИМИ, ПО «Укруглегеология», г. Донецк;  Днепропетровское отделении УкрГГРИ. В ходе создания рекомендаций ими разрабатываются такие вопросы, как оптимизация наблюдательной сети в системе мониторинга подземных вод, оценка возможных изменений шахтных водопритоков и гидродинамической обстановки в зонах влияния закрываемых и затапливаемых шахт и т. п.
          Современные представления о  влиянии массового закрытия шахт на эколого-геологическое состояние Донбасса связаны с именами таких исследователей, как  Ермаков В.Н., Улицкий О.А., Котелевец Е.П., Гомовский С.В., Гавриленко Ю.Н., Сляднев В.А., Яковлев Е.А., Юркова Н.А., Тарахкало А.В. и других авторов.
          В своих работах Улицкий О.А. отмечает, что закрытие шахт вызовет развитие целого ряда неблагоприятных процессов, в связи с чем в проекте ликвидации необходимо предусмотреть соответствующие мероприятия по инженерной защиты территорий. Кроме того, на уже ликвидированных шахтах необходима постановка мониторинговых исследований динамики и химического состава подземных вод, а также деформаций дневной поверхности прилегающих территорий.
          Ермаков В.Н. также считает очевидной необходимость проведения работ по мониторингу загрязнения подземной гидросферы, на выделенном участке. Это позволит своевременно оценивать характер и масштабы загрязнений, тенденцию его изменения, и, как следствие, оперативную реализацию необходимого комплекса водоохранных мер. В его  статьях  дается оценка изменений в подземной гидросфере вследствие «мокрой» консервации шахт, разработаны мероприятия по минимизации влияния этих процессов на качество подземных вод.
          Сляднев В.А., Яковлев Е.А., Юркова Н.А. подчеркивают, что ведущим процессом формирования современных эколого-гидрогеологических условий района исследований является долговременная дестабилизация режима уровней и химического состава подземных вод из-за закрытия значительного числа шахт. Принципиально новым горно-геологическим фактором закрытия шахт является то, что скачок водонасыщения подработанных пород способствует накоплению потенциальной энергии в затопленных выработках и росту гидромеханических напряжений с одновременным снижением стойкости породных массивов. Такие процессы обусловливают повышенную вероятность разрушения важных промышленных объектов при сотрясении от 4 баллов и выше. Последнее связано с повышенной чувствительностью разрушенных водонасыщенных пород зоны влияния горных работ к сотрясаемости.
          В монографии под редакцией Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермакова «Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины» обобщены результаты исследований, связанных с решением технических проблем при ликвидации угольных шахт, обеспечением охраны окружающей среды, безопасности соседних действующих шахт, нормального функционирования шахтерских городов и поселков после закрытия шахт. В монографии большое внимание уделено разделу мониторинга территорий закрываемых шахт.
          Стоит отметить, что исследования по данной теме ведутся и на мировом уровне. Вопросы реструктуризации угольной промышленности Восточного Донбасса представлены в работах российских ученых Мирошниченко И.М., Меньшениной Е.А., Ефимова А.М.. В статьях обобщены положительные и отрицательные моменты имеющие место при реструктуризации угольной промышленности, сформулированы требования к желательному состоянию системы, намечены пути его достижения.
          Несмотря на то, что гидроэкологическая  обстановка региона изучена достаточно хорошо, некоторые вопросы, в частности - гидрогеологические и геохимические проблемы при ликвидации угольных шахт, остаются весьма актуальными.
          К числу важнейших нерешенных вопросов относится отсутствие методических рекомендаций по обоснованию мероприятий управления гидродинамическим режимом подземных вод и по обеспечению экологической безопасности при ликвидации шахт,  нерешенность проблемы обеспечения эколого-гидрогеологической безопасности проживания людей на территориях закрываемых шахт. Слабо изучены вопросы изменения уровня подземных вод  в период массового закрытия шахт, а также изменение химического состава вод и загрязнения почвы вследствие увеличения числа техногенных источников загрязнения, а также восстановления качества ресурсов подземных вод на территориях, прилегающих к зонам влияния закрытых шахт.
          Решению некоторых из поставленных вопросов посвящена данная работа. Основной целью работы  является изучение особенностей химического состава и динамики подземных вод г. Донецка, факторов, влияющих на химсостав подземных вод первого от поверхности  водоносного горизонта, а также характера  распределения элементов в пределах границ полей эксплуатируемых и ликвидированных шахт.

Методика исследований

          Исследование химического состава и динамики подземных вод осуществляется в несколько этапов:
          Проведение анализа графического материала. В результате изучения геологической карты района, карты фактического материала, гипсометрических планов угольных пластов, стратиграфических колонок и прочих данных выявлены особенности геологического и гидрогеологического  строения исследуемой площади.
          Выполнение статистического анализа. Для определения некоторых особенностей химического состава подземных вод, на основании проб, отобранных в 2006 г. ПО «Укруглегеология», проведена стандартная обработка данных по содержанию  катионов калия, натрия, кальция и анионов гидрокарбоната, сульфата, хлора. Отбор проб производился в родниках, колодцах, скважинах полей  действующих шахт им. А.А. Скочинского, №17-17бис, им. М. Горького,  «Петровская», «Лидиевка». Анализы проб воды выполнены ЦХЛ ПО «Укруглегеология», оценка химического состава вод произведена согласно действующим документам. Обработка данных осуществлена средствами программного обеспечения SPSS 15.0 for Windows. При дальнейшем исследовании планируется увеличение количества проб до 60 для проведения более детального анализа.
          Проведение пространственного анализа. Построение специализированных гидрогеохимических монокомпонентных карт с помощью средств программного обеспечения Surfer 8.0, проведение их анализа, выявление закономерностей распределения компонентов подземных вод на исследуемой территории.
          Выполнение количественной оценки загрязнения подземных вод в пределах шахтных полей. Построение гистограмм и определение превышения уровня ПДК.
          Применение метода аналогий для разработки модели изменчивости свойств химсостава подземных вод. Сравнение исследуемого объекта с объектом – аналогом для выявления общих закономерностей и различий.
          Разработка рекомендаций для улучшения ситуации на площади исследований на основании проделанной работы.

Результаты

          Для оценки диапазона варьирования содержания каждого из показателей рассчитаны статистические параметры распределения основных компонентов подземных вод.
          Установлено, что содержание калия в подземных водах описываемого участка изменяется в интервале 0-7 мг/дм3, среднее содержание 2,85 мг/дм3, характерен минимальный разброс значений содержания элемента
          Колебание значений содержания кальция и хлора сравнительно невелико по сравнению с большинством других элементов. Содержание кальция в подземных водах описываемого участка колеблется от 54,5 до 254,5 мг/дм3, среднее содержание 163,2 мг/дм3. Содержание хлора  в подземных водах описываемого участка колеблется в интервале 17,0-425,4 мг/дм3, среднее содержание 123,2 мг/дм3.
          Отмечается довольно ощутимый разброс значений натрия и гидрокарбоната. Содержание натрия в подземных водах описываемого участка колеблется в пределах 11-572 мг/дм3, среднее 192,1 мг/дм3. Содержание  гидрокарбоната  изменяется в пределах 177-610 мг/дм3, среднее его содержание 431,05 мг/дм3.
          Для сульфата характерно наиболее сильное колебание значений содержания компонента,  содержание меняется от 146,4 до 1374,4 мг/дм3, среднее - 600,0 мг/дм3 Содержание в подземных водах всех вышеперечисленных компонентов превышает ПДК, наибольшее превышение характерно для Na и SO4.
          При исследовании возможной совместной миграции отдельных компонентов подземных вод  установлено, что существует ряд элементов, находящихся в тесной связи между собой. Выделена ассоциация анионов Cl и SO4 с катионами Na, а также анионов HCO3 с катионами Ca.           Это позволяет сделать вывод, что для этих элементов характерна совместная миграция.
          Для изучения пространственного распределения каждого из элементов построены карты изолиний содержания элементов в пределах границ шахтных полей.
          Анализируя полученные карты, можно сделать следующие выводы.
          На описываемом участке главными факторами, влияющими на формирование химического состава подземных вод, являются:
- местное понижение рельефа и, как следствие, наличие площадей сезонного подтопления.           Скапливающаяся здесь вода в большинстве случаев и обеспечивает локальное изменение химсостава подземных вод. Стоит отметить, что на исследуемой территории довольно четко прослеживается несколько групп таких площадей. Для первой группы, объединяющей участки в центральной и южной частях изучаемой площади,  характерно   комплексное повышение содержаний Na, SO4, Cl, HCO3, Ca. Для второй группы участков подтопления, расположенных в южной и северо – западной части, характерно присутствие повышенных содержаний  Na, SO4, HCO3, Ca. За счет повышенного содержания компонентов  происходит увеличение минерализации подземных вод;
- сельскохозяйственная деятельность человека. В юго – восточной и северо – западной частях участка выявлено локальное повышение калия. Вероятно, изменение химсостава связано с  проведением с/х работ и  использованием калиевых удобрений.
          Подземные воды в исследованных родниках, колодцах и скважинах отличаются широким диапазоном состава на изучаемой площади; их можно отнести к гидрокарбонатно – сульфатным или сульфатным по анионному составу и смешанным по катионному.                            

Выводы

          Данная работа раскрывает проблемы, связанные с реструктуризацией угольной промышленности Донбасса и отсутствием комплексного подхода к проблеме закрытия шахт.
          В процессе исследования гидрохимических особенностей подземных водных ресурсов выделены некоторые закономерности изменения их химсостава:
- к понижениям рельефа (к местам скопления воды) приурочено повышение содержаний компонентов подземных вод. Первая группа таких участков характеризуется   комплексным повышением содержаний Na, SO4, Cl, HCO3, Ca; для второй  характерно присутствие повышенных содержаний  Na, SO4, HCO3, Ca;
- за счет повышенных содержаний Na, SO4, Ca на исследуемой территории происходит увеличение минерализации подземных вод;
- локальное повышение калия связано с сельскохозяйственной деятельностью человека (в частности, с применением специализированных калиевых удобрений).
          Полученные результаты могут применяться для возможного прогнозирования экологических последствий в других районах, учитывая  схожесть, геологические особенности и отличия районов.
          Выводы, сделанные на основании проведенной работы, стоит учитывать при разработке комплексной научно-прогнозной оценки возможных последствий влияния массовой ликвидации шахт на окружающую среду, выполнении объективного гидрогеологического надзора и разработке наиболее эффективных защитных решений по охране окружающей природной и техногенной среды.

          Исследовательская работа еще не завершена. Окончательное завершение предполагается в декабре 2010 г. Полный текст работы и материал по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: учебник / В.А. Алексеенко. – М.: Логос, 2000. – 627с.
  2. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР: учебник / М.А. Глазовская. -  Москва, 1988, - 338с.
  3. Гонтаревский В.П. Обеспечение эколого- и гидробезопасности при ликвидации шахт /Гонтаревский, В.П., Кулешов В.М./ Уголь Украины. – 1999. - №11.- С. 36-44.
  4. Ермаков В.Н. Изменение гидродинамического режима шахт при затоплении шахт Стахановского региона. /Ермаков В.Н., Улицкий О.А., Спожакин А.И./ Уголь Украины. - 1998. - №6. - С. 31-33.
  5. Котелевец, Е.П., Развитие процессов подтопления земной поверхности под влиянием закрывающихся шахт /Ермаков В.Н., Семенов А.П., Улицкий О.А., Котелевец Е.П., Тарахкало А.В./ Уголь Украины. - 2001. - №6. – С. 24-29.
  6. Семенов А.П. Обеспечение нормальной эксплуатации объектов поверхности в пределах горных отводов ликвидируемых шахт /Семенов А.П., Ермаков В.Н., Озеров И.Ф., Шнеер В.Р./ Уголь Украины. – 2000. - №12. – С. 17 – 20.
  7. Сляднев В.А. Региональный прогноз влияния закрытия шахт на изменение качества подземных вод  /Юркова Н.А., Сляднев В.А., Яковлев Е.А./ Уголь Украины – 2003. - №12.-С.24-28.
  8. Улицкий О.А. Обеспечение гидрогеологической безопасности на действующих шахтах / Семенов А.П., Ермаков В.Н., Улицкий О.А./ Уголь Украины - 2000. - №8. – С 31-35.
  9. Фомин Г.Н. Контроль загрязнений по международным стандартам: справочник / Г.Н. Фомин, О.Н. Фомина.  - М.: Протектор,2002. – 432 с.