Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В последнее столетие окружающая среда Восточного Донбасса подвергалась интенсивному антропогенному влиянию, которое существенно нарушает природный энерго-массоперенос, что связано преимущественно с деятельностью угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов. Интенсивные потоки загрязнения формируются в природных водах, например в 60-е годы из угольных шахт региона откачивалось 75 млн м3 /год вод, с которыми на поверхность поступало 270 тыс. т растворенных веществ (в том числе сульфат-иона 131 и железа 0,1 тыс. т). В 2010 г. объем шахтных вод, несмотря на закрытие большинства шахт, составил 78 млн м3 /год и вынос растворенных веществ составил 411 тыс. т (SO4 – 211 и Fe – 6,5).

Предыдущими исследованиями [4–6] установлены четыре главных направления в формировании химического состава шахтных вод. Первое направление связано с образованием кислых сульфатных вод (рН до 3.0) с высокими содержаниями Fe, MN, Al, Cu и других металлов и обусловлено интенсивным развитием процессов окисления серы, содержащейся в углях и вмещающих породах.

Второе геохимическое направление характеризуется формированием хлоридно-сульфатных нейтральных вод, в незначительной степени обогащенных Fe и MN. Теперь, наряду с процессами окисления серы, приблизительно равную роль начинают играть процессы увеличения концентраций хлор-иона при углублении угольных шахт.

Третье геохимическое направление изменения состава шахтных вод фиксирует преобразование гидрокарбонатно-сульфатных вод в сульфатно-хлоридные, так как на первое место выходит процесс роста концентрации Cl– за счет притока хлоридных подземных вод. По четвертому геохимическому направлению формирования химического состава шахтных вод образуются оригинальные содовые гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды. Типоморфными компонентами четвертого направления являются содержания и Cl– (высокие содержания), а также Ca2+ и Mg2+ (низкие содержания).

В настоящей работе изучены основные закономерности и факторы формирования химического состава и загрязнения подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском (южном) угленосном районе Восточного Донбасса по результатам опробования источников и колодцев за 60-летний период. Оценка выполнена по результатам опробования в 50–60-е годы 20-го столетия, когда угледобывающая промышленность интенсивно развивалась (количество действующих шахт в отдельные годы доходило до 100) и по результатам анализов вод, выполненных в 2007–2009 гг., когда большинство угольных шахт было ликвидировано.

Анализ и количественное описание гидрогеохимических закономерностей выполнено с применением классических методов математической статистики и компьютерной технологии AGAT-2, реализующей G-метод многомерного классификационного моделирования (выделение однородных совокупностей), который основан на оригинальном критерии Z2 – Гавришина [1–3].

G-метод широко использован для построения классификаций и описания пространственно-временных закономерностей формирования объектов и систем на Земле, Луне, Марсе, Сатурне, астероидах и в дальнем космосе [2, 3]. G-метод характеризуется следующими важными свойствами: построение классификации многомерных наблюдений при отсутствии априорных сведений о таксономической структуре наблюдений (задача без учителя); использование зависимых признаков; выделение таксонов различного уровня детальности; оценка сходства-различия между однородными таксонами; определение информативности признаков.

В название вод ионы включаются при содержании более 25 % молей и компоненты располагаются в порядке возрастания содержаний. Типы вод приведены по классификации природных вод О.А. Алекина.

Изменение химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе

Шахтинский район является наиболее старой угледобывающей частью Восточного Донбасса, в которой в период опробования находилось значительное количество заброшенных шахт и отработанных угольных горизонтов. Большинство шахт района имеет незначительную глубину (до 400–500 м), и только отдельные шахты вели отработку глубоких угольных горизонтов на глубине более 600 м (например, шахты Глубокая, Артема, Степановская и др.). В геологическом отношении район приурочен к Несветаевской синклинальной структуре.

Параметры распределения содержаний компонентов химического состава подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района в рассматриваемые периоды приведены в табл. 1 и 2. В 50–60 гг. обобщение выполнено по результатам анализов вод 180 источников и колодцев и в 2007–2009 гг. по результатам 233 анализов вод. Изменения наглядно видны при сравнении средних значений: минерализация (М) увеличилась в 1,5 раза за счет роста содержаний большинства компонентов, что свидетельствует о существенном развитии процессов загрязнения грунтовых вод в Шахтинском угленосном районе.

Таблица 1

Химический состав подземных вод Шахтинского района (50–60-е годы)

Примечания: Хср – среднее значение; Ме – медиана; Xmin – минимальное значение; Хmax – максимальное значение; S – стандартное отклонение.

Таблица 2

Химический состав подземных вод Шахтинского района (2007–2009 гг.)

Но наиболее детальные и интересные результаты получены после выделения и анализа однородных гидрогеохимических видов с помощью многомерного классификационного G-метода по компьютерной программе AGAT-2 [2, 3] (табл. 3, 4).

Расположение однородных гидрогеохимических видов по мере возрастания минерализации и анализ графиков в координатах: «минерализация – содержание компонентов» позволили выделить три основных варианта закономерных изменений содержаний ионов, которые довольно существенно отличаются по своим параметрам и происхождению (к четвертому варианту отнесена одна проба А.4 содового состава).

Таблица 3

Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (50–60-е годы)

По первому гидрогеохимическому варианту под влиянием природных факторов наиболее существенный вклад в минерализацию вод вносят сульфат-ион, натрий и магний. На фоне общих природных закономерностей формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата за счет нарастания содержаний SO4 незначительную роль в составе подземных вод начинают играть сульфатные шахтные воды. Во второй гидрогеохимический вариант вошли виды 1.13, 1.16, 1.06, 3.01 и А.3 (табл. 3), которые представляют собой по составу шахтные воды с пониженным значением рН (у вида А.3 – слабокислая среда) и очень высокими концентрациями SO4 (до 4,2 г/л).

В третьем гидрогеохимическом варианте отмечается влияние не только сульфатных шахтных вод, но также и хлоридных; содержания Cl достигают нескольких сотен миллиграмм на литр. Гидрогеохимические виды 1.09, 2.01, А.1, А.2 по составу приближаются к шахтным водам второго и третьего направлений изменения состава шахтных вод (подробное описание направлений во введении). Среди грунтовых вод района обнаружена только одна проба содового состава, которая классифицирована как аномальное наблюдение А.4 (табл. 3) и выделена в четвертый вариант.

Для Шахтинского угленосного района четко фиксируется роль сульфатных и частично хлоридных шахтных вод в формировании химического состава подземных вод каменноугольных отложений и распространении потоков загрязнения на обширные территории. К потокам загрязнения подземных вод шахтными водами в Шахтинском районе в 50–60 гг. отнесено 55 % проб из источников и колодцев.

Анализ данных опробования 2007–2009 гг. (табл. 4) показал, что по первому гидрогеохимическому варианту наиболее существенный вклад в минерализацию вносят сульфат-ион, гидрокарбонат-ион и натрий. Следовательно, гидрогеохимические виды 1.04, А1, 3.01 соответствуют общей природной закономерности формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата. Во втором гидрогеохимическом варианте существенную роль начинает играть хлор-ион, за счет притока в шахты со значительных глубин подземных вод хлоридного состава. Эти шахтные воды в свою очередь оказывают влияние на состав подземных вод и повышают содержание Cl до 1,6 г/л.

В третьем варианте существенную роль в составе подземных вод играют сульфатные шахтные воды. Теперь по составу это практически шахтные воды с очень высокими концентрациями SО4, которые сформировались после массовой ликвидации угольных шахт (табл. 4). Анализ данных убедительно свидетельствует, что образуются интенсивные потоки загрязнения, к которым отнесено 90 % наблюдений.

Таблица 4

Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (2007–2009 гг.)

Заключение

Анализ формирования химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе Восточного Донбасса с помощью G-метода классификационного моделирования позволил выявить важные пространственно-временные закономерности. В связи с ликвидацией шахт процесс загрязнения подземных водоносных горизонтов значительно усилился. За период с 1950 по 2009 год минерализация вод в среднем увеличилась с 1,6 до 2,3 г/л, прежде всего за счет роста содержаний SО4 (до 2,8), Cl (до 1,7) и Na (до 1,3 г/л).

Массовая ликвидация угольных шахт привела в 2007–2009 гг. к тому, что доля вод, отнесенных к потокам загрязнения, повысилась с 55 до 90 %. Стала очевидной неотложность решения проблем охраны водных объектов от загрязнения, необходимость проведения широких реабилитационных мероприятий и строительства очистных сооружений в регионе [5, 6].