Автореферат

         ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

          Згідно з постановою Кабміну України від 28 березня 1997 р. у Донбасі потрібно вивести з експлуатації 64 шахти. Закриття шахт в такої кількості приводить до негативних явищ - порушення гідродинамічного та гідрогеохімічного режимів підземної гідросфери, забрудненню підземних вод, активізації процесів деформації та підтоплення земної поверхні, інтенсифікації газовиділення. Тому актуальними питаннями реструктуризації є  вивчення ситуації на конкретних площах і запобігання шкідливих для довкілля і населення наслідків закриття шахт. Цій проблемі присвячена дана робота

          Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, виконання роботи за заявкою наукової установи або виробничої організації 

          Робота пов'язана з науково-дослідною роботою кафедри КК і ЕГ Н8-07 «Дослідження геологічних особливостей та будови зон екологічного ризику Донецької області та розробка методики їх прогнозування»       

Мета і завдання дослідження (об’єкт, предмет, методи досліджень)          

Мета дослідження - встановити фактори, які викликають гідрогеологічні, інженерно-геологічні та екологічні проблеми при закритті шахт міста Донецька           .

Задачі дослідження:
1. Розрахувати статистичні показники хімічного складу підземних вод.
2. Побудувати карти розподілу показників у просторі та встановити закономірності їх розподілу.           
3. Визначити ділянки підвищеного забруднення  у межах шахтних полів.
4. Встановити головні фактори які впливають на формування негативних явищ.  
5. Зробити кількісну оцінку забруднення підземних вод.       
6. Порівняти існуючу ситуацію на площі досліджень з  об’єктом, що має подібні умови
7. Розробити рекомендації для покращення ситуації на площі досліджень.

Об'єкт  дослідження - будова надр та гідросфера на площі шахт міста Донецька.

Предмет дослідження -хімічний склад вод та динаміка його зміни

Рис. 1. Хімічні компоненти підземних вод, що вивчаються. GIF-анімація, 16 кадрів, зациклене повторення, 83 кб.

Методи дослідження:

- аналіз картографічного матеріалу  для визначення особливостей будови площі досліджень;
складання вибірок вихідних даних для порівняльної характеристики й оцінки неоднорідності будови об'єкта;
- статистична обробка вихідних даних з використанням сучасних програм на ПЕОМ;
- геохімічне картування площі досліджень та просторовий аналіз розподілу компонентів на досліджуваній площі;
- кількісна оцінка забруднення підземних вод у межах шахтних полів;
- застосування методу аналогій для розробки моделі мінливості властивостей хімічного складу підземних вод при закритті шахт м. Донецька.

Наукова новизна одержаних результатів

          Вперше здійснені систематизація та узагальнення  даних вмісту у підземних водах катіонів (Na, K, Ca)та аніонів (Cl, SO4, НСО3) на площі досліджень.
          З’ясовано, що певні хімічні елементи мігрують спільно.
          Встановлені просторові закономірності розповсюдження кожного з хімічних компонентів підземних вод у межах обраних шахтних полів м. Донецька.
          Встановлено зв'язок між зміною хімічного складу підземних вод та геологічним середовищем на площі, що вивчається.

Практичне значення одержаних результатів

          Отримані результати можуть бути  використані в науково-дослідних і проектних організаціях:
- при плануванні й розробці водоохоронних заходів в Донецькій області;
- у процесі створення мережі гідроекологічного моніторингу;
- для прогнозування гідроекологічних наслідків ліквідації шахт в інших районах (з урахуванням геологічних особливостей,  схожості й відмінності районів);
- при вивченні особливостей формування гідрохімічного режиму природних вод м. Донецька.

Особистий внесок магістра

          Особистий внесок полягає  у наступних діях:
          обрання та обробка вихідних даних;
          інтерпретація результатів на основі комплексних досліджень;
          створення спеціалізованих карт.
:
Апробація результатів

          Результати досліджень доповідалися на наступних конференціях:
- ІІ Всеукраїнська молодіжна конференція-школа «Сучасні проблеми геологічних наук», Київ, КНУ ім. Тараса Шевченко, 12-15 квітня 2010р.
- Всеукраїнська студентська науково-практична конференція «Географічна освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування», Донецьк, ДІСО, 26 березня 2008р.


Публікації

          Основні результати за темою магістерської роботи були надруковані у наступних виданнях:
          Тарасенко А. С. «Закономерности изменения химсостава подземных вод в пределах шахтных полей» - тези доповіді ІІ Всеукраїнської молодіжної конференціі-школи «Сучасні проблеми геологічних наук», Київ, КНУ ім. Тараса Шевченко, 2010 р.
          Тарасенко А. С. «Проблеми підтоплення територій грунтовими водами в межах Донецької області» - тези доповіді  Всеукраїнської студентської науково-практичної конференціі «Географічна освіта і національна самосвідомість: актуальні проблеми їх формування», Донецьк, ДІСО, 2008р.
Тарасенко А. С. «Экологическая и гидрогеологическая оценка факторов, влияющих на окружающую среду при закрытии шахт Донбасса» - стаття; VII Міжнародна наукова конференція «Географія, геоекологія, геологія: досвід  наукових досліджень», Дніпропетровськ, 2010 р.


ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Огляд наукових публікацій (стан проблеми в цей час)

          Програма реструктуризації вугільної промисловості та, у зв'язку з нею,  закриття шахт у Донбасі є джерелом непередбачених екологічних проблем, які за своєю важливістю вийшли на один рівень із соціально-економічними питаннями регіону.
          Необхідно відзначити, що ліквідації значної кількості шахт не передувала комплексна науково-прогнозна оцінка можливих наслідків її впливу на навколишнє середовище. Разом з тим, виведення шахт із експлуатації супроводжують як негативні, так і позитивні зміни стану компонентів навколишнього середовища.
          В останні роки відзначається стрімкий розвиток вивчення проблем, що виникають при реструктуризації гірничо-промислових підприємств. Варто відзначити, що ці дослідження мають нетривалу історію. У процесі нагромадження інформації з даного питання кількість статей у спеціальних періодичних виданнях збільшувалася.
          Перші наукові публікації відносяться до 1997 року. Статті, присвячені цій проблемі, публікуються в журналах з екологічною спрямованістю, а також у журналах, присвячених вугільної промисловості, таких як "Вугілля України", "Вугілля" і т.п.  Тематика публікацій різноманітна - статті присвячені розробці конкретних методик по визначенню строків затоплення породного масиву, розмірів зон підтоплення, зміні хімічного складу шахтних вод, визначенню масштабів рухів гірського масиву, обумовлених затопленням виробленого простору, дослідженням проблем зміни сейсмічності територій при закритті шахт, розробці мережі шпар за спостереженням зміни гідродинамічного й гідрохімічного режимів підземних вод, а також для контролю за динамікою процесів газовиділення.
          У цей час у дослідженнях з даної теми склалася наступна ситуація.
          Розробкою найважливіших нормативних документів і  інструкцій з даної тематики займаються такі організації, як УКРНИИЕП, м. Харків; УКРНІМІ, ПО "Укруглегеология", м. Донецьк;  Дніпропетровське відділенні УКРГГРІ. У ході створення рекомендацій ними розробляються такі питання, як оптимізація спостережної мережі в системі моніторингу підземних вод, оцінка можливих змін шахтних водопритоків і гідродинамічних обставин в зонах впливу шахт, які закриваються, затоплюються тощо.
          Сучасні подання про  вплив масового закриття шахт на еколого-геологічний стан Донбасу пов'язані з іменами таких дослідників, як  Єрмаков В.Н., Улицький О.А., Котелевець Е.П., Гомовський С.В., Гавриленко Ю.Н., Сляднєв В.А., Яковлєв Е.А.,  Юркова Н.А., Тарахкало А.В. і інших авторів.
          У своїх роботах Улицький О.А. відзначає, що закриття шахт призведе до розвитку цілого ряду несприятливих процесів, у зв'язку із чим у проекті ліквідації необхідно передбачити відповідні заходи щодо інженерного захисту територій. Крім того, на вже ліквідованих шахтах необхідна постановка моніторингових досліджень динаміки й хімічний склад підземних вод, а також деформацій денної поверхні прилягаючих територій.
          Єрмаков В.Н. також вважає наявною необхідність проведення робіт з моніторингу забруднення підземної гідросфери на виділеній ділянці. Це дозволить вчасно оцінювати характер і масштаби забруднень, тенденцію його зміни, і, як наслідок, оперативну реалізацію необхідного комплексу водоохоронних мір. У його  статтях  дається оцінка змін у підземній гідросфері внаслідок «мокрої» консервації шахт, розроблені заходи щодо мінімізації впливу цих процесів на якість підземних вод.
          Сляднєв В.А., Яковлєв Е.А., Юркова Н.А. підкреслюють, що провідним процесом формування сучасних еколого-гідрогеологичних умов району досліджень є довгострокова дестабілізація режиму рівнів і хімічного складу підземних вод через закриття значного числа шахт. Принципово новим гірничо-геологічним фактором закриття шахт є те, що стрибок водонасичення підроблених порід сприяє нагромадженню потенційної енергії в затоплених виробках і росту гідромеханічних напруг з одночасним зниженням стійкості породних масивів. Такі процеси обумовлюють підвищену ймовірність руйнування важливих промислових об'єктів при струсі від 4 балів і вище. Останнє пов'язане з підвищеною чутливістю зруйнованих водонасичених порід зони впливу гірських робіт до сотрясіння.
          У монографії за редакцією Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Єрмакова «Техногенні наслідки закриття вугільних шахт України» узагальнені результати досліджень, пов'язаних з рішенням технічних проблем при ліквідації вугільних шахт, забезпеченням охорони навколишнього середовища, безпеки сусідніх діючих шахт, нормального функціонування шахтарських міст і селищ після закриття шахт. У монографії велика увага приділена розділу моніторингу територій шахт, що закриваються.
          Варто відзначити, що дослідження з даної теми ведуться й на світовому рівні. Питання реструктуризації вугільної промисловості Східного Донбасу представлені в роботах російських вчених Мірошниченко И.М., Меньшеніной Е.А., Єфімова А.М.. У статтях узагальнені позитивні й негативні моменти, що виникають при реструктуризації вугільної промисловості, сформульовані вимоги до бажаного стану системи, намічені шляхи його досягнення.
          Незважаючи на те, що гідроекологічна  обстановка регіону вивчена досить добре, деякі питання, зокрема  - гідрогеологічні й геохімічні проблеми при ліквідації вугільних шахт, залишаються актуальними.
          До числа найважливіших невирішених питань відноситься відсутність методичних рекомендацій з обґрунтування заходів керування гідродинамічним режимом підземних вод і по забезпеченню екологічної безпеки при ліквідації шахт,  нерозв'язаність проблеми забезпечення еколого-гідрогеологічної безпеки проживання людей на територіях  шахт, що закриваються. Погано вивчені питання зміни рівня підземних вод  у період масового закриття шахт, а також зміна хімічного складу вод і забруднення ґрунту внаслідок збільшення числа техногенних джерел забруднення, а також відновлення якості ресурсів підземних вод на територіях, що прилягають до зон впливу закритих шахт.
          Для рішення деяких з поставлених питань була проведена робота, метою якої  є вивчення особливостей хімічного складу й динаміки підземних вод м. Донецька. Завданням досліджень є встановлення факторів, що впливають на хімічний склад підземних вод першого від поверхні  водоносного горизонту й розподіл кожного елемента окремо  в межах границь полів експлуатованих і ліквідованих шахт.

Методика досліджень

          Дослідження хімічного складу й динаміки підземних вод здійснюється в кілька етапів:
1.         Проведення аналізу графічного матеріалу. У результаті вивчення геологічної карти району, карти фактичного матеріалу, гіпсометричних планів вугільних шарів, стратиграфических колонок і інших даних виявлені особливості геологічної й гідрогеологічної  будови досліджуваної площі.
2.         Виконання статистичного аналізу. Для визначення деяких особливостей хімічного складу підземних вод, на підставі проб, відібраних в 2006 р. ПО "Укрвуглегеологія", проведена стандартна обробка даних по змісту  катіонів калію, натрію, кальцію й аніонів гідрокарбонату, сульфату, хлору. Відбір проб робився в джерелах, колодязях, свердловинах полів  діючих шахт ім. А.А. Скочинского, № 17-17біс, ім. М. Горького,  "Петровська", "Лідієвка". Аналізи проб води виконані ЦХЛ ПО "Укрвуглегеологія", оцінка хімічного складу вод зроблена відповідно до діючих документів. Обробка даних здійснена засобами програмного забезпечення SPSS 15.0 for Wіndows. При подальшому дослідженні планується збільшення кількості проб до 60 для проведення більш детального аналізу.
3.         Проведення просторового аналізу. Побудова спеціалізованих гідрогеохімічних монокомпонентных карт за допомогою засобів програмного забезпечення Surfer 8.0, проведення їхнього аналізу, виявлення закономірностей розподілу компонентів підземних вод на досліджуваній території.
4.         Виконання кількісної оцінки забруднення підземних вод у межах шахтних полів. Побудова гістограм і визначення перевищення рівня ГДК.
5.         Застосування методу аналогій для розробки моделі мінливості властивостей химсостава підземних вод. Порівняння досліджуваного об'єкта з об'єктом - аналогом для виявлення загальних закономірностей і розходжень.
6.         Розробка рекомендацій для поліпшення ситуації на площі досліджень на підставі виконаної роботи.

Результати

          Для оцінки діапазону варіювання змісту кожного з показників розраховані статистичні параметри розподілу основних компонентів підземних вод.
          Встановлено, що зміст калію в підземних водах описуваної ділянки змінюється в інтервалі 0 - 7 мг/дм3, середній зміст 2,85 мг/дм3, характерний мінімальний розкид значень змісту елемента
          Коливання значень змісту кальцію й хлору порівняно невелике в порівнянні з більшістю інших елементів. Зміст кальцію в підземних водах описуваної ділянки коливається від 54,5 до 254,5 мг/дм3, середній зміст 163,2 мг/дм3. Зміст хлору  в підземних водах описуваної ділянки коливається в інтервалі 17, 0-425,4 мг/дм3, середній зміст 123,2 мг/дм3.
          Відзначається досить відчутний розкид значень натрію й гідрокарбонату. Зміст натрію в підземних водах описуваної ділянки коливається в межах 11- 572 мг/дм3, середнє 192,1 мг/дм3.           Зміст  гідрокарбонату  змінюється в межах 177- 610 мг/дм3, середній його зміст 431,05 мг/дм3.
          Для сульфату характерно найбільш сильне коливання значень змісту компонента,  зміст міняється від 146,4 до 1374,4 мг/дм3, середнє - 600,0 мг/дм3. Зміст у підземних водах всіх перерахованих вище компонентів перевищує ПДК, найбільше перевищення характерно для Na і SO4.
          При дослідженні можливої спільної міграції окремих компонентів підземних вод  встановлено, що існує ряд елементів, які перебувають у тісному зв'язку між собою. Виділено асоціацію аніонів Cl і SO4 з катіонами Na, а також аніонів HCO3 з катіонами Ca. Це дозволяє зробити висновок, що для цих елементів характерна спільна міграція.
          Для вивчення просторового розподілу кожного з елементів побудовані карти ізоліній змісту елементів у межах границь шахтних полів.
          Аналізуючи отримані карти, можна зробити наступні висновки.
          На описуваній ділянці головними факторами, що впливають на формування хімічного складу підземних вод, є:
1)         місцеве зниження рельєфу й, як наслідок, наявність площ сезонного підтоплення.   Вода, що тут скупчується, у більшості випадків і забезпечує локальну зміну хімічного складу підземних вод.           Варто відзначити, що на досліджуваній території досить чітко простежується кілька груп таких площ. Для першої групи, що поєднує ділянки в центральній і південній частинах досліджуваної площі,  характерне   комплексне підвищення змістів Na, SO4, Cl, HCO3, Ca. Для другої групи ділянок підтоплення, розташованих у південній і північно - західній частині, характерна присутність підвищених змістів  Na, SO4, HCO3, Ca. За рахунок підвищеного змісту компонентів  відбувається збільшення мінералізації підземних вод;
2)         сільськогосподарська діяльність людини. У південно - східній й північно - західній частинах ділянки виявлене локальне підвищення калію. Імовірно, зміна хімічного складу пов'язана із  проведенням с/г робіт і  використанням калієвих добрив.
          Підземні води в досліджених джерелах, колодязях і свердловинах відрізняються широким діапазоном складу на досліджуваній площі; їх можна віднести до гідрокарбонатно - сульфатним або сульфатним за аніонним складом й змішаним за катіонним.                             

Висновки

          Дана робота розкриває проблеми, пов'язані з реструктуризацією вугільної промисловості Донбасу й відсутністю комплексного підходу до проблеми закриття шахт.
          У процесі дослідження гідрохімічних особливостей підземних водних ресурсів виділені деякі закономірності зміни їх хімічного складу:

1)         до знижень рельєфу (до місць скупчення води) присвячене підвищення змістів компонентів підземних вод. Перша група таких ділянок характеризується   комплексним підвищенням змістів Na, SO4, Cl, HCO3, Ca; для другої  характерно присутність підвищених змістів  Na, SO4, HCO3, Ca;
2)         за рахунок підвищених змістів Na, SO4, Ca на досліджуваній території відбувається збільшення мінералізації підземних вод;
3)         локальне підвищення калію пов'язане із сільськогосподарською діяльністю людини (зокрема , із застосуванням спеціалізованих калієвих добрив).

          Отримані результати можуть застосовуватися для можливого прогнозування екологічних наслідків в інших районах, з огляду на  схожість, геологічні особливості й відмінності районів.
          Висновки, зроблені на підставі проведеної роботи, варто враховувати при розробці комплексної науково-прогнозної оцінки можливих наслідків впливу масової ліквідації шахт на навколишнє середовище, виконанні об'єктивного гідрогеологічного нагляду й розробці найбільш ефективних захисних рішень по охороні навколишнього природного й техногенного середовища.

          Дослідницька робота ще не завершена. Остаточне завершення передбачається в грудні 2010 р. Повний текст роботи й матеріал по темі можуть бути отримані в автора або його наукового керівника після зазначеної дати.

ЛIТЕРАТУРА

  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.