Шолоховский угленосный район является наиболее молодой частью Восточного Донбасса, но и для него характерно проявление большинства негативных явлений, связанных с угольной промышленностью. Формируются такие отрицательные последствия, как техногенная трещиноватость пород, осушение массивов пород, проседание земной поверхности и т.п. А после ликвидации угольных шахт (преимущественно путем затопления) добавились новые негативные явления [1, 2]: образование мощных потоков загрязнения воздушной, водной и геологической сред, выделение «мертвого воздуха», подтопление территорий, деформация зданий и сооружений [3, 4]. Аналогичные негативные последствия характерны для всего Восточного Донбасса [5] и многих угольных бассейнов мира [6–8]. В данной работе выполнена оценка реального качества шахтных и грунтовых вод Шолоховского угленосного района относительно требований к ПДК по нормативам США, ЕС, ВОЗ и РФ [9, 10], которые приведены в табл. 1.
Цель исследования: оценить роль угольной промышленности в формировании загрязнения шахтных и грунтовых вод относительно российских и зарубежных нормативов в Шолоховском, наиболее молодом угленосном районе Восточного Донбасса. Предыдущие исследования показали, что воды всего Восточного Донбасса и особенно в наиболее старой части бассейна (Шахтинский угленосный район) характеризуются очень высокой степенью загрязнения [1, 3, 4].
Материалы и методы исследования
Для характеристики химического состава шахтных и грунтовых вод применены методы математико-статистического анализа данных (оценка среднего арифметического, медианы, минимального и максимального значений, среднеквадратического случайного отклонения). В качестве основного метода оценки загрязненности воды использована широко применяемая в геохимии и геоэкологии оценка степени загрязнения вод, почв, грунтов, донных осадков и т.п. по коэффициенту концентрации и суммарному показателю загрязненности (СПЗ) [1, 3]. Выделены категории степени загрязненности воды и окружающей среды (табл. 2). Так как шахтные воды оказались очень мощным загрязнителем, то помимо обычных категорий загрязненности (норма, риск, кризис и бедствие) дополнительно введена категория «катастрофа». Для категории «норма», когда концентрации загрязняющих компонентов ниже ПДК, значение суммарного показателя должно быть меньше 2; далее границы категорий установлены с кратностью 8: 2*8 = 16, 16*8 = 128 и т.д. (табл. 2).
Коэффициент концентрации i-го компонента рассчитывается по следующей формуле:
KiC = Ci/CПДК,
где Ci – концентрация компонента, CПДК – предельно допустимая или фоновая концентрация компонента.
Таблица 1
Требования к ПДК
|
Компонент |
ПДК СШA питьевые |
ПДК ЕС питьевые |
ПДК ВОЗ питьевые |
ПДК РФ питьевые |
ПДК РФ рыбхоз. |
|
pH |
6,5–8,5 |
6,5–8,5 |
– |
6–9 |
6–8,5 |
|
SO4-2 |
250 |
250 |
250 |
500 |
100 |
|
Cl-1 |
250 |
250 |
250 |
350 |
300 |
|
Na+1 |
– |
– |
200 |
200 |
120 |
|
Mg+2 |
– |
50 |
– |
50 |
40 |
|
М |
500 |
1500 |
1000 |
1000 |
1000 |
|
Al |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,04 |
|
Be |
0,004 |
– |
– |
0,0002 |
0,0002 |
|
Fe |
0,3 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,1 |
|
Cd |
0,005 |
0,005 |
0,003 |
0,001 |
0,005 |
|
K |
– |
12 |
– |
30 |
50 |
|
Co |
– |
– |
– |
0,1 |
0,01 |
|
Li |
– |
– |
– |
0,03 |
0,03 |
|
Cu |
1,3 |
2,0 |
1,0 |
1,0 |
0,001 |
|
Mn |
0,05 |
0,05 |
0,5 |
0,1 |
0,01 |
|
Ni |
– |
– |
0,02 |
0,02 |
0,01 |
|
Pb |
0,015 |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
0,006 |
|
Se |
0,05 |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
0,002 |
|
Sr |
– |
– |
3 |
7 |
2 |
|
Cr |
0,1 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
|
Zn |
5 |
5 |
3 |
1 |
0,01 |
Примечание. Знак «–» обозначает отсутствие норматива по ПДК; М – минерализация вод.
Степень загрязненности воды и окружающей среды по n компонентам оценивается по суммарному показателю загрязненности (СПЗ):
ZC = ∑i KiC – (n – 1).
Категории загрязненности воды и окружающей среды приведены в табл. 2.
Суммарный показатель загрязненности дает возможность оценивать качество химического состава любых типов вод (атмосферные, поверхностные, подземные, техногенные) относительно любых нормативных показателей (питьевые, рыбохозяйственные, требования СанПиН, СНиП, ВОЗ, США, ЕС и др.), по набору любых компонентов. В табл. 2 приведены значения предельно допустимых концентраций (ПДК) по различным нормативам, которые использованы в настоящей работе: ПДК к питьевым водам по нормам Агентства по охране окружающей среды США (U.S.EPA); ПДК по Директиве Европейского Союза (ЕС) по качеству питьевой воды, предназначенной для потребления человеком; по ПДК Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), по нормативу к ПДК питьевых вод РФ [9] и рыбохозяйственных [10].
Качество шахтных вод
В Шолоховском, наиболее молодом угленосном районе Восточного Донбасса, находятся десятки работающих и ликвидированных угольных шахт, обогатительных предприятий, терриконов, прудов-отстойников и очистных сооружений, которые оказывают довольно существенное негативное влияние на состояние окружающей среды, особенно на загрязнение вод. Шахтные воды района в среднем по составу сульфатные магниево-натриевые (табл. 3), с минерализацией 5 г/л и концентрацией сульфат-иона 2,2 г/л.
Оценка качества шахтных вод по величине суммарного показателя загрязненности (СПЗ) приведена в табл. 4. Наиболее высокое загрязнение отмечено для концентраций Fe и Mn, а также для SO4-2, M, Na+1, Mg+2 и Cl-1. Следовательно, при разработке очистных технологий необходимо добиться прежде всего снижения концентраций указанных компонентов.
Относительно требований к водам питьевого назначения по нормативам США, ВОЗ и РФ шахтные воды района относятся к категории «кризис», а по нормативам ЕС к категории «бедствие». Относительно требований к водам рыбохозяйственного водопользования качество шахтных вод принадлежит к категории «бедствие».
Необходимо отметить, что шахтные воды Шолоховского угленосного района характеризуются относительно невысоким уровнем загрязнения по сравнению с другими районами Восточного Донбасса, например в Шахтинском угленосном районе величина СПЗ соответствует категории «катастрофа».
Качество грунтовых вод
При завершении процесса массовой ликвидации угольных шахт в Восточном Донбассе началось формирование потока вод из горных выработок во вмещающие породы и образование мощных ореолов загрязнения грунтовых вод. В табл. 5 приведены параметры распределения концентраций макрокомпонентов грунтовых вод Шолоховского района. В среднем по составу это сульфатные магниево-натриево-кальциевые воды (табл. 3), минерализация которых может достигать 4,6, а концентрация сульфат-иона – 2,4 г/л.
Таблица 2
Категории загрязненности воды и окружающей среды
|
Суммарный показатель |
Категории загрязненности воды и окружающей среды |
|
< 2 |
Норма (удовлетворительная) |
|
≥ 2 – 16 |
Риск (напряженная) |
|
≥ 16 – 128 |
Кризис (чрезвычайная) |
|
≥ 128 – 1024 |
Бедствие |
|
≥ 1024 |
Катастрофа |
Таблица 3
Средний состав шахтных и грунтовых вод ( %-моль)
|
Тип вод |
HCO3-1 |
SO4-2 |
Cl-1 |
Ca+2 |
Mg+2 |
Na+1 |
|
Шахтные |
16 |
60 |
24 |
18 |
25 |
57 |
|
Грунтовые |
20 |
57 |
23 |
39 |
24 |
37 |
Таблица 4
Оценка качества шахтных вод Шолоховского угленосного района
|
Компонент |
Х |
Кi по ПДК США |
Кi по ПДК ЕС |
Кi по ПДК ВОЗ |
Кi по ПДК РФП |
Кi по ПДК РФР |
|
pH |
7,0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
SO4-2 |
2208 |
8,8 |
8,8 |
8,8 |
4,4 |
22,1 |
|
Cl-1 |
649 |
2,6 |
2,6 |
2,6 |
1,85 |
2,2 |
|
Na+1 |
933 |
н |
н |
4,7 |
4,7 |
7,8 |
|
Mg+2 |
211 |
н |
4,2 |
н |
4,2 |
5,3 |
|
M |
4992 |
9,98 |
3,3 |
5,0 |
5,0 |
5,0 |
|
Al |
0,05 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
1,5 |
|
Be |
0,0005 |
0,13 |
н |
н |
2,5 |
2,5 |
|
Fe |
21 |
70 |
105 |
70 |
70 |
210 |
|
Cd |
0,0001 |
0,02 |
0,02 |
0,03 |
0,1 |
0,02 |
|
K |
60 |
н |
5 |
н |
2 |
1,2 |
|
Co |
0,001 |
н |
н |
н |
0,01 |
0,1 |
|
Li |
0,1 |
н |
н |
н |
13 |
13 |
|
Cu |
0,003 |
0,02 |
0,002 |
0,003 |
0,003 |
3 |
|
Mn |
1,6 |
32 |
32 |
3,2 |
16 |
160 |
|
Ni |
0,001 |
н |
н |
0,05 |
0,05 |
0,1 |
|
Pb |
0,001 |
0,07 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
|
Se |
0,01 |
0,2 |
1 |
1 |
1 |
5 |
|
Sr |
5,0 |
н |
н |
1,7 |
0,7 |
2,5 |
|
Cr |
0,004 |
0,04 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
|
Zn |
0,01 |
0,002 |
0,002 |
0,003 |
0,01 |
1 |
|
ZC |
111 |
149 |
82 |
107 |
423 |
Примечание. Х – значение компонента в шахтных водах в мг/л; ПДК РФП и РФР – значения ПДК по нормативам РФ для питьевых и рыбохозяйственных вод.
Таблица 5
Химический состав грунтовых вод (макрокомпоненты, мг/л)
|
Элементы |
Х |
Ме |
Max |
Min |
S |
|
pH |
7,4 |
7,4 |
8,7 |
6,7 |
0,4 |
|
HCO3-1 |
332 |
306 |
640 |
67 |
124 |
|
SO4-2 |
753 |
436 |
2367 |
65 |
666 |
|
Cl-1 |
220 |
194 |
686 |
17 |
162 |
|
Ca+2 |
210 |
155 |
571 |
14 |
154 |
|
Mg+2 |
78 |
147 |
255 |
23 |
57 |
|
Na+1 |
240 |
141 |
688 |
15 |
164 |
|
M |
1767 |
1199 |
4616 |
271 |
1214 |
Примечание. X – среднее арифметическое, Me – медиана, Max и Min – максимальное и минимальное значения, S – стандартное отклонение.
Оценка степени загрязненности грунтовых вод Шолоховского угленосного района приведена в табл. 6. По требованиям к питьевым водам грунтовые воды отнесены к категории «риск» по нормативам США, ВОЗ и РФ, а по требованиям ЕС – к категории «кризис». Относительно рыбохозяйственных вод грунтовые воды принадлежат к категории «кризис».
Наиболее интенсивное загрязнение грунтовых вод установлено для Fe и Mn, а также для SO4-2, Na+1, Mg+2 и M. Все эти компоненты отмечены в повышенных концентрациях в шахтных водах, и это свидетельствует о том, что шахтные воды являются главным загрязнителем грунтовых.
Таблица 6
Оценка качества грунтовых вод Шолоховского угленосного района
|
Компонент |
Х |
Кi по ПДК США |
Кi по ПДК ЕС |
Кi по ПДК ВОЗ |
Кi по ПДК РФП |
Кi по ПДК РФР |
|
pH |
7,4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
SO4-2 |
753 |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
1,5 |
7,53 |
|
Cl-1 |
220 |
0,9 |
0,9 |
0,9 |
0,63 |
0,73 |
|
Na+1 |
240 |
н |
н |
1,2 |
1,2 |
2,0 |
|
Mg+2 |
78 |
н |
1,56 |
н |
1,56 |
1,95 |
|
M |
1767 |
3,53 |
1,2 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
|
Al |
0,17 |
0,85 |
0,85 |
0,85 |
0,85 |
4,25 |
|
Be |
0,001 |
0,25 |
н |
н |
5,0 |
5,0 |
|
Fe |
3,1 |
10,3 |
15,5 |
10,3 |
10,3 |
31 |
|
Cd |
0,001 |
0,2 |
0,2 |
0,33 |
1,0 |
0,2 |
|
K |
9,2 |
н |
0,77 |
н |
0,31 |
0,18 |
|
Co |
0,01 |
н |
н |
н |
0,1 |
1,0 |
|
Li |
0,026 |
н |
н |
н |
0,9 |
0,9 |
|
Cu |
0,0043 |
0,0033 |
0,0022 |
0,0043 |
0,0043 |
4,3 |
|
Mn |
0,26 |
5,2 |
5,2 |
0,52 |
2,6 |
26 |
|
Ni |
0,001 |
н |
н |
0,05 |
0,05 |
0,1 |
|
Pb |
0,001 |
0,07 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,17 |
|
Se |
0,0134 |
0,27 |
1,3 |
1,3 |
1,3 |
6,7 |
|
Sr |
3,0 |
н |
н |
1,0 |
0,43 |
1,5 |
|
Cr |
0,0024 |
0,024 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
|
Zn |
0,1 |
0,02 |
0,02 |
0,033 |
0,1 |
10 |
|
ZC |
11,6 |
17,7 |
7,4 |
10,8 |
86,4 |
Заключение
Выполнен анализ степени загрязненности шахтных и грунтовых вод в наиболее молодом Шолоховском угленосном районе Восточного Донбасса. При функционировании и ликвидации угольных шахт интенсивно развиваются процессы выщелачивания, окисления и растворения горных пород и особенно серы и сульфидов, содержание которых в углях и породах достигает 4–5 % [2]. В этих условиях начинается формирование высокоминерализованных шахтных вод, в которых отмечены наиболее высокие коэффициенты концентрации для Fe и Mn, для ПДК питьевых вод они составляют десятки раз. Именно эти компоненты выводят качество шахтных вод по суммарному показателю в разряд «бедствие». Далее следует отметить высокие превышения ПДК для концентраций SO4-2 , Mg+2 , Na+1, Cl-1 и величины минерализации.
Наиболее интенсивными загрязнителями грунтовых вод в районе являются Fe и Mn, по которым коэффициенты концентрирования достигают десятков раз (табл. 6); превышают ПДК концентрации SO4-2, Cl-1 , Mg+2, Na+1 и величина M. В изученном Шолоховском угленосном районе началось формирование потоков загрязнения грунтовых вод, среди которых встречаются воды с минерализацией до 4,6 и концентрацией сульфат-иона 2,4 г/л (табл. 5). Аналогия основных компонентов загрязнения шахтных и грунтовых вод убедительно свидетельствует, что именно шахтные воды являются главным источником загрязнения грунтовых. Уровень загрязненности шахтных и грунтовых вод Шолоховского угленосного района свидетельствует о необходимости выполнения мониторинговых наблюдений, принятия мер по реабилитации состояний окружающей среды и совершенствования очистных технологий. При разработке очистных технологий для шахтных вод необходимо, прежде всего, добиваться снижения концентраций Fe и Mn, а также SO4-2, Mg+2, Na+1 и величины минерализации (M).