CC BY
139
Н.И. Юкина, 2010
УДК 504.06:541.18:622.3
Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин, Н.И. Юкина
ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ В КУЗБАССЕ
Угледобывающая промышленность в процессе хозяйственной деятельности оказывает существенное негативное воздействие на водный и на гидрохимический режимы территорий бассейнов рек Кузбасса. Происходят изменения стоковых параметров рек из-за нестабильного притока в них подземных вод за счет шахтного или карьерного водоотлива, который по Кузбассу составляет более 1 млн. м3 в сутки. С 1992 года в Кузбассе начался процесс закрытия шахт, который продолжается и в настоящее время. По данным «Кузбасского Центра мониторинга производственной и экологической безопасности» шахты закрываются методом полного (17 шахт) или частичного (20 шахт) затопления. Некоторые шахты остаются на «сухой» консервации. В последнее время принято решение о возобновлении угледобычи на 7 ранее затопленных шахтах. Начавшийся подъем промышленного производства в 21 веке стимулирует планы существенного увеличения угледобычи при происходящих процессах усугубления капитализации народного хозяйства. Эти процессы приводят к обострению гидроэкологических проблем недропользования в Кузбассе, связанных с:
- уменьшением запасов подземных вод;
- иссушение зон горных работ за счет образования депрессионных воронок, что инициирует высыхание колодцев и водозаборных скважин, исчезновение родников, ручьев и небольших речек, приводит к уменьшению запасов вод в поверхностных водоемах;
- интенсификацией процессов загрязнения подземных вод, перспективных для питьевого водоснабжения в результате угледобычи и затопления шахт. Их качество в большей своей части не отвечает гигиеническим нормативам, как по микробиологическим, так и по санитарнохимическим показателям;
- наращиванием процессов загрязнения речных вод в результате увеличения сбросов предприятий угледобычи;
- наращиванием процессов загрязнения поверхностных вод за счет оседающих из атмосферы веществ (переносимых с выбросами промпредприятий) смываемых с территорий в периоды весенних половодий и дождевых паводков;
- возникновением в районах затопления предпосылок для появления локальных процессов проседания поверхности земли и ее заболачивание;
- увеличением рисков связанных с интенсификацией подвижек горных пород и оползневых явлений в охранных целиках, по которым проложены трассы ж/д магистрали, из-за изменения прочностных свойств горных пород и угля при их обводнении;
- усыханием лесов и растительности на подработанных участках, из-за изменения гидрологического режима;
- несовершенством ведомственных систем мониторинга и отсутствием законодательно закрепленных документов, регламентирующих их согласованные совместные мероприятия особенно в периоды чрезвычайных ситуаций.
Кратко приведем характеристики этих процессов, в соответствии с [1,2]. Приток шахтных вод Кузнецкого каменноугольного бассейна колеблется в пределах 150 - 300 м /час, достигая на отдельных шахтах 1000 м3/час. Временная тенденция заключается в снижении откачки шахтнокарьерных вод практически во всех районах (Междуреченский, Новокузнецкий, Прокопьевско-Киселевкий, Ерунаковский, Кемерово-Березовский, Белово-Ленинск-Кузнецкий). Наименьший уровень забора подземных вод, в южной части Кузбасса наблюдается в Ерунаковском районе (1016 млн. м /год), а наибольший - в Белово-Ленинск-Кузнецком (около 90 млн. м /год). Остальные районы занимают промежуточное положение. Таким образом, из подземного пространства бассейна реки Томи, выше створа Крапивино в последние годы 20 столетия забиралось не более 120 млн. м шахтно-карьерных вод в год, что составляет около 1% от среднегодового стока реки
Томи в створе г. Новокузнецка, при этом соответствующий шахтно-карьерный водоотлив несколько сократился от 143 в 1989 г. до 86 млн. м3 в 1999 г.
Интенсивный шахтный водоотлив инициирует образование депрессионных воронок, стимулирующих пересыхание родников, малых рек и снижение удельных дебитов скважин в районах комплексов каменноугольных отложений. Динамика наращивания спада угледобычи сопровождается аналогичными процессами водоотведения, а отношение добычи воды к углю, изменявшееся в диапазоне 1,5 -3,0 до 1960 года, в 90-е годы 20 столетия колеблется между 1,5 и 2,0. В среднем один разрез сбрасывает в 1,5 раза воды больше, чем шахта, однако по удельным показателям (сбросы/добыча) разрезы значительно (примерно в 4 раза) отстают от шахт.
Закрытие угольных шахт методом затопления приводит к свертыванию их депрессионных воронок и изменению направлений разгрузки загрязненных шахтами подземных вод. При этом подземные воды, которые раньше разгружались в горные выработки, начинают стекать в поверхностные водотоки. В них попадают загрязняющие вещества с нарушенных территорий и свалок различных отходов (включая опасные химические отходы), сток с которых ранее осуществлялся в горные выработки шахт. Влияние сточных вод закрытых шахт (СВЗШ) на качество поверхностных вод наблюдается в створах сбросов следующих шахт: «Пионерка» - р. Б. Бачат; «Имени Шевякова» - р. Ольжерас; «Шушталепская» - р. Кондома; «Байдаевская» - р. Гаршина; «Имени Вахрушева», «Бунгурская», «Димитрова», «им. Орджоникидзе» - р. Аба. Анализ СВЗШ, прошедших очистные сооружения, показывает, что практически во всех из них отмечается превышение ПДК по большинству анализируемых веществ. Так, взвешенные вещества превышают ПДК во всех проанализированных шахтных водах от 2-х до 34-х раз, БПК - в 1,6-20,8 раз, аммиак - в 1,3-18 раз. По имеющимся для всех закрытых шахт данным загрязнение вод металлами отмечается: для цинка (до 14 раз), меди (до 270 раз), свинца (до 2 раз), марганца (до 325 раз), молибдена (до 4 раз), мышьяка (до 100 раз), ванадия (до 5 раз), фтора (до 5,9 раз), алюминия (до 2,3 раз). Как показывает анализ динамики загрязнения СВЗШ, увеличение содержания соединений группы азота и нефтепродуктов происходит весной, летом и осенью и резко сокращается в зимний период. Это означает, что заметную роль в загрязнении шахтных вод этими веществами, особенно в экстремальных случаях, играет поступление загрязняющих веществ с талыми и ливневыми водами в горные выработки из скапливающихся на территории горных отводов нефтепродуктов и хозбытовых отходов. Менее загрязнены СВЗШ только нитратами и хлоридами. Установлено, что в результате влияния сточных вод закрытых шахт на воды поверхностных водотоков ПДК по целому ряду компонентов в последних превышаются в 2-7 раз.
Одним из неблагоприятных аспектов затопления шахт является возможность загрязнения подземных вод, перспективных для питьевого водоснабжения. Это потребует коррекции планов водоснабжения населения в городах Новокузнецк, Белово, Кемерово, Анжеро-Судженск. Исследования последних лет показывают (Федеральная целевая программа «Питьевая вода Кузбасса») что, качество подземных вод, в большей своей части, не отвечает гигиеническим нормативам, как по микробиологическим, так и по санитарно-химическим показателям. Одной из причин нестабильного качества подземных вод по микробиологическим показателям является их недостаточная защищенность, а также размещение многих скважин, особенно в сельской местности, в черте населенных пунктов или на территории животноводческих объектов, из-за чего они подлежат исключению из систем хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Природное состояние подземных вод региона характеризуется повышенным содержанием железа, марганца, сероводорода, жесткости, фенолов, мутности, цветности. Кроме того, в связи с антропогенным воздействием на окружающую среду, в подземных водах периодически обнаруживаются (выше ПДК) нефтепродукты, азот аммиака, на отдельных территориях -формальдегид.
Показано, что предприятия угледобычи вносят значительный вклад в загрязненность природных сред Кузбасса, занимая приоритетное место: по количеству забранной воды из природных источников (1985 г. примерно 16 %, 1989 г. примерно 19 %, 1996 г. примерно 15 %, 1999 г. примерно 13 %, проценты от общего забора воды из природных источников области) и по сбросу сточных вод (1985 г. примерно 9 %, 1989 г. примерно 15 %, 1998 г. примерно 34 %, 1999 г. примерно 51 %, (проценты от валового сброса по области). Сточные воды действующих шахт и карьеров (СВДШК) обладают чрезмерными нормализованными параметрами состава вод (НПСВ в долях ПДК > 1) по 31 ингредиенту: азот аммонийный, азот нитратный, алюминий, аммиак, БПКП0лн, ванадий, взвешенные частицы, гидрокарбонаты, железо, кадмий, кислотность (рН), литий, марганец, медь, молибден, моноэтаноламид, мышьяк, натрий, нефтепродукты, никель,
ртуть, свинец, селен, СПАВ, сульфаты, фенолы, фосфор общий, фтор, ХПК, хром, цинк. Шахтнокарьерные сбросы содержат 18 приоритетных ингредиентов (НПСВ > 2,5): взвешенные частицы, гидрокарбонаты, литий, марганец, медь, молибден, мышьяк, нефтепродукты, никель, ртуть, фтор, хром, цинк. Доминирующими (НПСВ > 10) в шахтно-карьерных сбросах являются 12 загрязнителей: аммиак, БПКП0ЛН, взвешенные частицы, литий, марганец, медь, молибден, нефтепродукты, никель, фтор, хром, цинк. Превышения ЦДКрх для 15 приоритетных ингредиентов по средним величинам за 10 летний период находятся в диапазоне 2 - 43, т.е. сточные воды по большинству ингредиентов характеризуются как загрязненные, грязные, очень грязные и чрезвычайно грязные (ГУ-УГГ классы).
Процессы межбассейнового загрязнения вод осуществляются как при перетоке поверхностных вод (из реки Кара-Чумыш в реки Аба и Ускат), так и подземных вод. Например, между 7 шахтами существует гидравлическая связь: шахта им. Вахрушева сбрасывает воды в Р. Абу и р. Ускат; шахты Суртаиха, Тайбинская, Зиминка и Черкасовская - в р. Абу; шахты Краснокаменская и № 12 - в р. Ускат. Перетоки между Томским и Чумышским бассейнами осуществляются за счет карьерных вод, разреза Листвянского (в объеме 0,5 млн. м3 за 1999 год). Аналогичный переток между бассейнами реки Уската и Ини возможен после ввода в эксплуатацию ряда шахт и разрезов, находящихся на межбассейновой границе. Подобные нарушения целостности межбассейновых границ могут привести сначала к нестабильности функционирования биогеоценозов бассейнов, а затем - к их частичному изменению.
Основным фактором, вызывающим снижение жизнестойкости насаждений, зачастую является изменение гидрологического режима. Негативное влияние на древостои проявляется на расстоянии до 5 км от разреза. Очень чувствительна к техногенному воздействию пихта. Нарушение растительного покрова при шахтной добыче менее катастрофично, чем при открытой, поскольку земная поверхность не подвергается коренному изменению. В местах локальных нарушений поверхности открытых пространств, не занятых лесом, могут развиваться процессы водной эрозии. Просадки поверхности приводят к изменению экологических условий биотопа, прежде всего из-за перераспределения атмосферной влаги, что ведет к формированию мезофитных растительных сообществ в понижениях микрорельефа. Например, при формировании внешних отвалов Бачатского угольного разреза отвальными породами была перекрыта р. Малый Бачат. Проведение обводного канала привело к изменению русловых процессов и подтоплению территории, расположенной по рельефу ниже отвала, с естественными и сельскохозяйственными ландшафтами. Такая же картина наблюдается и на других угледобывающих предприятиях, где наблюдался аналогичный перенос русел рек. По этой причине уровень грунтовых вод на прилегающей к отвалам территории, в зависимости от степени дренированности каждого конкретного участка, поднимается, возрастает степень гидроморфизма почв.
Большинство ликвидируемых, а также намеченных к ликвидации шахт совпадают по месту размещения их шахтных полей с трассами всех главных ж/д магистралей Кузбасса. Кроме того, большая часть ликвидируемых шахт располагается в сейсмоопасной зоне, а также в непосредственной близости от крупных угольных разрезов, где периодически производятся массовые взрывы, а следовательно, в недрах генерируются ударные волны, практически равные сейсмическим волнам по силе воздействия на недра. Поэтому есть реальная опасность того, что рано или поздно в охранных целиках, по которым проложены трассы ж/д магистралей, из-за изменения прочностных свойств горных пород и угля при их обводнении начнутся обширные подвижки пород, которые по мере развития их в направлении поверхности могут привести к образованию обширных зон оползневых явлений по трассам ж/д магистралей. На таких же охранных целиках размещены жилые массивы шахтерских городов Кузбасса, сети и объекты энергетических и прочих инженерных коммуникаций, которые также будут подвержены оползневым воздействиям и разрушениям.
Горные работы оказывают сильное воздействие на состояние лесной растительности. Усыхание лесов на подработанных участках объясняется следующими причинами. При обрушении покровной толщи грунта происходит разрыв корней растущих деревьев. Усыхание деревьев наблюдается сразу же после обрушения поверхности. В случаях, когда не происходит массовый разрыв корней, усыхание вызывается иссушением почвенно-грунтовой толщи. Усыханию подвержены в первую очередь старые деревья с глубоко проникающей корневой системой. Отмирание деревьев происходит в более продолжительный промежуток времени, нежели при разрушении корневой системы. К гибели леса приводит и заболачивание в бессточных мульдах проседания. Повышение грунтовых вод выше уровня, к которому деревья
приспособились в процессе роста, приводит к нарушению физиологических процессов, вода вытесняет из почвы воздух, нарушается дыхание корней, что, в конечном счёте, и приводит к усыханию деревьев. Например, влияние Бачатского угольного разреза на близлежащие земельные угодья проявляется в следующем. В зимнее время снег на этой территории интенсивно зачернен угольной пылью и в более чем 50 % случаев сублимируется еще до начала снеготаяния. Зачерненный угольной пылью снежный покров начинает таять несколько раньше, чем за пределами зоны влияния разреза («Бачатский»), талые воды стекают по поверхности мерзлой почвы и практически не впитываются ими. В результате после схода снежного покрова склоновые почвы характеризуются значительным дефицитом влаги, который не ликвидируется весенними дождями. Дефицит почвенной влаги даже при высоких потенциальных запасах питательных веществ приводит к тому, что на близлежащих пахотных массивах к углеразрезу «Бачатский» продуктивность почв крайне низка, а в отдельных случаях нулевая. На таких полях не растут даже сорняки.
Имеющийся в Кузбассе опыт ликвидации угольных шахт показывает, что до сих пор единственным критерием ликвидации шахты является ее затопление до проектной отметки. При этом контроль по физическим, гидрологическим и биогеохимическим показателям практически отсутствует. Например, ликвидация затоплением 2-го района шахты «Ягуновская» началась в 1982 году. К 1984 году закончились активные гидрологические процессы затопления шахты. Однако процесс затопления продолжается до сих пор, о чем свидетельствуют изменения уровней подземных вод в контрольных скважинах. Существенное превышение уровня затопления над проектным, стимулирует подтопление и заболачивание обширных территорий в черте г. Кемерово (около 20 га), что приводит к изменению биоценозов, а поскольку разгрузка подземных вод теперь будет происходить в реку Томь, то и к определенному изменению гидрохимической ситуации на реке. Характеристики процесса затопления никем не контролировались и дать оценку последствий затопления в настоящее время затруднительно. Тем более, что по данным гидрогеологических исследований 1960 г., радиус депрессионной воронки достигал 5000 м и выходил на берег р. Томи, а на расстоянии до 2000 м галечники ГГГ и ГУ террас реки Томи были уже полностью дренированы в шахту.
Результатами гидрогеологического мониторинга установлено, что скорости затопления зачастую значительно отличаются от проектных, особенно это проявилось для 6 шахт («Анжерская», «Судженская», «Бирюлинская», «Северная», «Ягуновская», «Лапичевская»), и превышают их в 1,5-3 раза. Как показывают исследования последних лет, водовмещающая толща с выработками представляет собой сложную, многослойную систему водоносных горизонтов, не выдержанных по площади и в разрезе, с разделяющими их слабопроницаемыми, относительно монолитными породными блоками, с несовершенной, но всё же проявляющейся взаимосвязью между собой и с поверхностными водотоками. При обследовании скипового ствола шахты Бирюлинская (отметка его 260 м) при водоотливе из горизонта отработки на глубине 260-270 м в объёме 380-760 м3/час прорывы подземных вод зафиксированы на глубине 15-20 м , 110-115 м и 125-130 м ^ - 0,8 м3/час). На поле шахты Северная (г. Кемерово) в 1,2 км от центрального ствола при глубине водоотлива 380-400 м в пробуренной ОАО КузбассТИСИЗ и сданной в эксплуатацию с дебитом 10 м3/час. водозаборной скважине глубиной 100 м уровень подземных вод находился на глубине 20 м, вместо более 100 м по расчётам. На поле шахты Пионерка при обработке в последние годы горизонтов на глубине 240-270 м уровни подземных вод на начало прекращения водоотлива в выработках и в выработанном пространстве различались на 50-100 м.
В связи с этим актуально создание мониторинговых модельных комплексов на базе ГИСтехнологий для отслеживания различных вариантов событий с целью создания действенной системы прогнозирования и предотвращения катастрофических лавинных неуправляемых процессов.
Для формализованного описания вышеперечисленных проблем и их обеспечения достоверной научно-технической информацией в ИУУ СО РАН создается ГИС геоэкологии угледобывающих районов [1-3]. В настоящее время созданы подсистемы: ГИС закрывающихся шахт Кузбасса и ГИС водных ресурсов угледобывающих районов Кузбасса. Находится в разработке геоинформационная система мониторинга, оценки и прогноза геоэкологического состояния угледобывающих районов, в состав которой должны входить расчетные модули и блоки для оценки и прогноза социально-экономической, водно-экологической, ресурсной и т.д. обстановки. Так, например, экосистемный блок работает с данными, отражающими состояние природноресурсного и природно-хозяйствен-ного потенциалов территории угледобывающего района и, в
первую очередь, всех природных ресурсов, включая их экологическое состояние. Оценивается начальное, промежуточное (как правило, с шагом один год) и конечное состояние объектов. Рассматриваются математико-картографические методы дифференциации территории при оценке экологического состояния природно-территориальных комплексов. Основой оценки и дифференциации является цифровая ландшафтная модель местности, рассматриваемая в сочетании с топографическими административно-хозяйственными единицами. А водный блок включает информационно-моделирующие комплексы, обеспечивающие изучение механизмов формирования и оценку объемов стока биогенных и загрязняющих веществ в водные объекты, оценку ресурсов и качества поверхностных и подземных вод бассейна, изучение особенностей миграции и трансформации органических загрязняющих веществ и соединений тяжелых металлов, расчет водного баланса, оценку влияния горных выработок и ликвидации угледобывающих предприятий на состояние подземных и поверхностных вод, прогноз поведения экосистем в экстремальных ситуациях.
Результаты обработки данных и расчетов с помощью модельных комплексов стыкуются с ГИС, что позволяет отображать многомерные наборы данных на картах с соответствующей горнотехнологической и гидрогеологической обстановкой по действующим и закрывающимся УДП Кузбасса. Для ее разработки была использована инструментальная ГИС на базе пакетов ARC View и MapInfo , которые являются достаточно универсальными программными системами, позволяющие решать широкий класс самых разнообразных задач, связанных с геоэкологическими процессами.
В системе мониторинга водных ресурсов используется ряд методических разработок ИУУ СО РАН [4]. Так, например, при повышенных антропогенных нагрузках с многочисленными нестабильными характеристиками сложившаяся практика оценки качества вод различного назначения (питьевого, рыбохозяйственного, хозяйственно— и культурно—бытового) по нормативным величинам - НВ (предельно допустимым концентрациям (ПДК) и ориентировочно безопасным уровням воздействия (ОБУВ)) нуждается в комплексных критериях и показателях. Простейшие показатели формируются из относительных величин (среднеарифметических концентраций ингредиентов в воде Ci, деленных на соответствующие ПДК, которые назовем нормализованными параметрами состава воды (НПСВ) или сокращенно - НП, с упоминанием, какие нормативы использовались - питьевые (n), рыбохозяйственные (рх) и т.д.) путем их сложения или усреднения. Один из стимулов введения комплексных оценок - желание уменьшить количество используемых в мониторинговых целях параметров, число которых в системе оценок по отдельным ПДК уже более тысячи. Подобные комплексные показатели должны содержать наборы специфичных ингредиентов, характерных для индивидуальных сбросов, что пока не предусмотрено нормативными и рекомендательными документами. Предлагаемая расчетная модификация заключается в следующим. Средние из N индивидуальных НП (ИНП) назовем ассоциативно- параметрическими показателями качества воды (AnKB)N или сокращенно АП№ При этом количество различных АП для одного N равно числу возможных сочетаний разных ИНП (количеством N), выбираемых из множества измеряемых величин (количеством Т). Поскольку чрезмерная комплексность нивелирует индивидуальные экстремальные параметры, то выявление списка приоритетных примесей возможно только при использовании в вычисленных АП N доминирующих ИНП. Обычно N не более 10, а Т - около 100. Имея в виду, что за процедурой выявления приоритетных загрязнителей должна осуществляться идентификация их источников с последующими оценками вкладов отдельных специфических промсбросов в загрязнение вод, затем осуществляется выявление из всего списка экспериментально определяемых ингредиентов тех из них (в количестве n), концентрации которых существенно превышают соответствующие НВ или условных НВ (НВУ). Для них вычисляются ИНП, а затем сезонные АП - САП (за четыре гидрологических сезона: весеннего половодья (П), летне-осенней межени (Л), дождевых паводков (Д), зимней межени (З) выделяемых на основе анализа ежедневных данных по расходу воды в реках в створах наблюдения). Первоочередные мероприятия по уменьшению загрязненности вод должны охватывать один или несколько ассоциаций ингредиентов с максимальными САП. Для реки Ускат данная методология приводит к следующим результатам: САП по 11 приоритетным показателям (азот аммонийный, азот нитритный, взвешенные, марганец, медь, нефтепродукты, смолы и асфальтены, углекислота, фенолы, хром, цинк, из 35 систематически определяемых ингредиентов) примерно в 3 раза превышает ИЗВ (традиционно используемый шестипараметрический показатель) и характеризует воды реки Ускат как очень грязные, а по 2 доминирующим показателям (взвешенные вещества и хром) - вода является чрезвычайно грязной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Потапов В.П. Геоэкология угледобывающих районов Кузбасса / В.П. Потапов, В.П. Мазикин, Е.Л. Счастливцев, Н.Ю. Вашлаева. - Новосибирск: Наука, 2005. - 660 с.
2. Счастливцев Е.Л. Техногенное воздействие угледобывающих предприятий на окружающую среду (на примере Кузбасса): дисс. ... д-ра техн. наук. - Кемерово. - 348 с.
3. Bykov A.A. Using of GIS-technology for long-term environmental planning in Kuzbass coal region / A.A. Bykov, S.G. Pushkin, E.L. Schastlivtsev // Proc. 26th Int. Symp. on Computer Application in the Mineral Industries. The Pennsylvania State University. - Littleton: So. Mining, Metallurgy and Exploration, Inc., 1996. - P. 497-501.
4. Счастливцев Е.Л. Инновационные решения геоэкологических проблем угледобывающих районов Кузбасса / Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин, А.А. Быков // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Кузбасс: Сб. науч. тр. - 2008. - № ОВ 7. - С. 241-249. ГіТШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Счастливцев Е.Л. - доктор технических наук, заместитель директора по научной работе,
Пушкин С.Г. - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник,
Юкина Н.И. - кандидат технических наук, мл. научный сотрудник,
Институт угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово, [email protected].
