МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Долгова Тетяна Іванівна
УДК 504.53.001:622(477.63)
КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА СТАНУ ГРУНТІВ
В ГІРНИЧОДОБУВНИХ РАЙОНАХ ТА ПРОГНОЗ НАСЛІДКІВ
ЇХ ТЕХНОГЕННОЇ ТРАНСФОРМАЦІЇ
Спеціальність 21.06.01 – “Екологічна безпека”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дніпропетровськ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті проблем природокористування та екології НАН України та на кафедрі екології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).
Науковий консультант:
ШАПАР
Аркадій Григорович
доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, директор Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м.Дніпропетровськ).
Офіційні опоненти:
Коробочка
Олександр
Миколайович
доктор технічних наук, професор, проректор Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України;
Швидкий
Микола
Іванович
доктор технічних наук, професор, директор Українського державного науково-дослідного інституту безпеки праці і екології в гірничорудній і металургійній промисловості Міністерства промислової політики України (м. Кривий Ріг);
Зверковський
Василь
Миколайович
доктор біологічних наук, доцент, професор кафедри геоботаніки, грунтознавства та екології Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти і науки України.
Провідна установа – Східноукраїнський національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра екології (м. Луганськ).
Захист дисертації відбудеться “24” лютого 2005 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).
Автореферат розісланий “20” січня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 08.080.02,
кандидат технічних наук, доцент
В.В. Панченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. До основних напрямків політики нашої держави в області охорони довкілля та використання природних ресурсів відноситься створення умов для екологічно безпечного існування навколишнього середовища, зокрема, його екологічної рівноваги. Між тим теперішню екологічну ситуацію в Україні можна охарактеризувати як незадовільну через те, що вона формувалася протягом тривалого часу при недостатній увазі до об’єктивних законів розвитку і відтворення природно-ресурсних комплексів країни.
Особливо багато екологічних проблем пов’язують з техногенною перебудовою грунтів, від яких залежить рівень стійкості всієї біосфери. Проте деградація цих екосистем є найпоширенішим наслідком функціонування гірничодобувних підприємств. Тому питаня екологічної безпеки грунтів під час видобування й переробки корисних копалин постають найбільш гостро і потребують вирішення багатьох задач. Це викликано не тільки відмінністю грунтів від інших природних об’єктів рівнем організації та кількістю здійснюваних функцій, а також їх унікальною здатністю акумулювати зміни за весь період існування антропогенного навантаження і відображати процеси геохімічних перебудов в біосфері, але й масштабами і специфікою дії на них гірничих комплексів. В гірничопромислових районах грунти потрапляють під трансформуючий вплив надзвичайно широкого спектра різноманітних за механізмом та кінцевими результатами факторів техногенезу, взаємне накладення яких призводить до виникнення складної екологічної ситуації за рахунок розвитку прямих, а також повторних та комбінованих ефектів, які спричиняють деградацію грунтів, а з ними й інших ценотичних компонентів. Через це екологічна безпека грунтів, що межують з об’єктами гірничого виробництва, потребує особливої уваги.
Тому питання, що стосуються різних галузей досліджень з екологічної безпеки природних об’єктів, в тому числі грунтів, завжди привертали увагу вчених України та іншіх країн світу. Їм присвячено роботи Дорогунцова С.І., Гродзинського М.Д., Ізраєля Ю.А., Шапара А.Г., Биченка М.М., Трофімчука О.М., Травлєєва А.П., Дриженко А.Ю., Зверковського В.М., Рижової І.М., Добровольського Г.В., Нікітіна Є.Д., Таргул’яна В.О., Алексеєнко В.А., Саєта Ю.В., Геннадієва А.Н., Малахова С.Г., Орлова Д.С., Карпачевського Л.О., Урсу А.Ф., Розанова Б.Г., Арманд А.Д., Глазовської М.А., Хазієва Ф.Х., Авєріна Г.В., Bjorklund A., Swarbrick G., Williams N., Riley S. та ін.
Але до цього часу питання, що пов’язані з визначенням сумарного та пофакторного рівня вливу на грунти гірничих об’єктів, комплексною оцінкою стану грунтів, які потрапили під дію гірничодобувних підприємств, прогнозом наслідків їх деградації та вибором екологічно доцільних методів реабілітації залишаються невирішеними або ж вирішеними лише частково. У зв’язку з цим, науково-прикладна проблема підвищення ефективності контролю екологічної безпеки в гірничопромислових районах за станом техногенно трансформованих ґрунтів та наслідками їх зміни є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до затвердженого Постановою Верховної Ради України документа “Основні напрямки державної політики України в області охорони навколишнього середовища, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки” за № 188/98-ВР від 5 березня 1998 р., а також “Концепції поліпшення екологічного становища гірничодобувних регіонів України”, узгодженої Постановою Кабінету Міністрів України за № 1606 від 31 липня 1999 р.
Теоретичні розробки та експериментальні дослідження за темою дисертації були проведені в 1992-2003 рр. в Інституті проблем природокористування та екології НАН України, а також на кафедрі екології Національного гірничого університету. Поставлені в дисертаційній роботі задачі були вирішені при виконанні держбюджетних і госпдоговірних тем, у яких автор приймала участь як виконавець: “Розробити методологію вибору стратегії раціонального використання природних ресурсів і стійкого еколого-економічного розвитку регіонів з високим техногенним навантаженням” № ДР 0193U009455, “Здійснити аналіз екологічної обстановки в регіоні і розробити пропозиції щодо розвитку науково-технічних досягнень, спрямованих на поліпшення екологічної ситуації” № ДР 0193U009456, “Перспективи розвитку і освоєння мінерально-сировинного комплексу Придніпровського регіону” № ДР 0194U001537, “Проблеми моніторингу довкілля в області” № ДР 0194U001538, “Комплексна оцінка екологічної ситуації в області, прогноз її зміни, розробка і поетапна реалізація моніторингу” № ДР 0195U001470, “Проведення додаткових досліджень з екологічного моніторингу території області” № ДР 0195U006543, “Розробка і впровадження системи управління СЕМ “Місто” № ДР 0195U018435.
Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у розробці ефективних методів оцінки процесів техногенної перебудови грунтів в гірничопромислових районах та прогнозу наслідків їх трансформації за ступенем стійкості.
Для досягнення сформульованої мети необхідно було розв’язати такі задачі:
1.
Визначити наукові принципи, згідно з якими необхідно проводити систематизацію екологічно небезпечних для грунтів факторів техногенезу гірничих об’єктів, систематизувати їх та проаналізувати механізм дії.
2.
Обгрунтувати раціональні підходи до створення методів комплексної оцінки грунтів, трансформованих під дією факторів техногенезу гірничодобувних підприємств, та розробити ці методи.
3.
Встановити закономірності впливу гірничих підприємств на межу стійкості грунтів, яка є умовою стабільного існування біосфери, та створити метод прогнозної оцінки наслідків такого впливу, виходячи з виявлених закономірностей.
4.
Теоретично обгрунтувати та розробити метод визначення рівня техногенної дії гірничодобувних підприємств на грунти.
5.
Розробити принципи визначення екологічної небезпеки техногенної трансформації грунтів для їх власної родючості, а також пов’язаних з грунтами ценотичних компонентів.
6.
Забезпечити екологічну доцільність підходів до розробки способа вибору методів реабілітації грунтів, що відповідають певній екологічній ситуації.
7.
Створити систему екологічного моніторинга грунтів в гірничопромислових районах з формуванням відповідних науково-методичних основ контроля за екологічною небезпекою їх техногенної трансформації.
Об’єкт досліджень – екологічна небезпека трансформації грунтів в умовах підвищеного техногенного навантаження.
Предмет досліджень – трансформація ґрунтів під техногенним впливом гірничих підприємств, їх стійкість до деградації та критерії їх відновлення.
Методи досліджень. При проведенні досліджень використані наступні методи: системного аналізу – для вивчення екологічного стану грунтів; математичної статистики – для первинної обробки експериментальних даних, вивчення повторних та комбінованих ефектів та перевірки теоретичних гіпотез на адекватність; математичного моделювання – при визначенні залежності ступеня мінливості грунтів від їх екологічної стійкості та рівня техногенної дії на них, а також екологічної стійкості грунтів від рівня техногенної дії на них гірничих об’єктів, при дослідженні параметрів екологічного впливу на довкілля масових вибухів; оцінки впливу виробничої діяльності на навколишнє середовище – при розробці методу визначення рівня техногенної дії гірничих підприємств на грунти (Тk); аналізу об’єктів за критеріями експертних оцінок – при розробці способу вибора екологічно доцільних методів реабілітації грунтів; ГІС-технології – для оконтурювання екологічно небезпечних районів; визначення рівня хімічного складу грунтів, їх біологічної активності та показників забруднення – спектрофотометричні (для аналізу важких металів), аналітичні (для визначення рівня гуматів, органічного вуглецю, поверхнево-активних сполук, зольних елементів живлення, ємкості катіонного обміну, аніонів рідкої та твердої фази грунтів), потенціометричні (для встановлення активної кислотності та концентрації мінеральних форм азоту), газохроматографічні (для розрахунку вмісту нафти та нафтопродуктів), ензиматичні (для оцінки активності оксидаз).
Наукова новизна отриманих результатів:
1.
Обгрунтований новий підхід до методу визначення екологічного стану грунтів в умовах техногенного навантаження будь-якої природи, який, на відміну від традиційних аналогів, базується не на якісній та/чи кількісній оцінці компонентів забруднення, а на реакції грунтів у відповідь на всю сукупність діючих антропотехногенних факторів та їх сполучень в конкретних умовах їх реалізації.
2.
Дороблений відомий метод оцінки параметрів родючості грунтів, який дозволяє виявляти її в умовах техногенного навантаження, що складає так звану “екологічну” або реальну родючість, а не її потенційну форму, яку враховують традиційно.
3.
Створений метод визначення екологічної стійкості грунтів, який використовує, на відміну від існуючих пропозицій, не рівень ентропії цих екосистем, який складно визначити, і не параметри грунтів, від яких залежить їх стійкість тільки до хімічного забруднення, а співвідношення їх здатності до самовідновлення та рівня дестабілізації процесів грунтоутворення, що дозволяє оцінити стійкість грунтів до всіх факторів техногенезу та їх сполучень.
4.
Розроблений метод діагностування рівня техногенного впливу гірничодобувних підприємств на грунти, який, не маючи на цей час аналогів, базується на обліку спектра ініційованих ними факторів техногенезу, викликаних цими факторами видів деградації грунтів, а також специфіці реалізації виявлених видів деградації в конкретних грунтово-кліматичних умовах.
5.
Встановлено, що весь спектр деградаційних змін грунтів в районах функціонування гірничодобувних підприємств є наслідком реалізації не тільки традиційно враховуємого техногенного навантаження, але й безпосередньої дії всіх факторів техногенезу гірничих об’єктів, а також сполучень цих факторів з розвитком мультиплікативних ефектів різного характеру, які здійснюються в конкретних грунтово-кліматичних умовах та умовах фонового техногенного навантаження.
6.
Доведено, що гірничодобувні підприємства в 2-3 рази швидше інших виробництв виснажують екологічний потенціал грунтів за рахунок реалізації факторів техногенезу, які перебільшують всі інші промислові об’єкти з набору та характеру проявляємих ефектів, їх глибини та різноманіття, тривалості дії та інтенсивності впливу, що спричиняє в районах їх розміщення зниження продуктивності рослин на 10-15% та збільшення захворюваності людей на 15-20%.
7.
Вперше запропонований спосіб вибору екологічно доцільних методів реабілітації грунтів, в основу якого покладно двопараметричну залежність між ступенем мінливості цих грунтів, їх екологічною стійкістю та рівнем техногенної дії на них гірничодобувних підприємств.
8.
Розроблена нова система екологічного моніторингу грунтів з використанням відомих принципів її побудови, що забезпечило створення науково-методичних основ ефективного контроля екологічної безпеки цих екосистем в районах розміщення гірничодобувних підприємств.
Отримані результати дозволили обгрунтувати наступні наукові положення.
1.
Ступінь техногенної трансформації грунтів в гірничодобувних районах визначається їх реакцією на техногенний вплив (К), яка прямо залежить від рівня дії гірничих підприємств на ці ґрунти та зворотно від інтегрованого показника їх екологічної стійкості. Побудована на цій закономірності двопараметричнна модель враховує вплив прямих, повторних і комбінованих ефектів діючих техногенних факторів вказаних підприємств в певних грунтово-кліматичних умовах та умовах фонового техногенного навантаження, а також визначає характер екологічної небезпеки цих процесів: при збільшенні К (значення якого змінюється в діапазоні [0; 1]) її оцінюють як низьку (0,00 К 0,20), помірну (0,20 К 0,40), середню (0,40 К 0,60), високу (0,60 К 0,80) та критичну (К 0,80).
2.
При порівняльних параметрах техногенної дії гірничодобувних підприємств на грунти і тотожньому спектрі ініційованих при цьому факторів техногенезу ступінь негативної трансформації цих екосистем залежить від рівня їх екологічної стійкості. Ця закономірність забезпечує принципово новий підхід до вибору екологічно доцільних методів реабілітації деградованих грунтів, відповідно до якого більш низькому рівню їх екологічної стійкості об’єктивно відповідають більш радикальні методи рекультивації (50%Ер Еа 75%Ер – стимуляція самовідновлення, 25%Ер Еа 50%Ер – відновлення, Еа 25%Ер – реконструкція).
3.
При розробці скельних порід і руд відкритим способом техногенну трансформацію грунтів спричиняють, в основному, фактори, що зумовлюють аерогенне та фільтраційне розповсюдження речовин-забруднювачів, коефіцієнти техногенної дії яких складають в середньому 30-40 та 40-50% відповідно від загального рівня впливу цих промислових об’єктів на грунти, які межують з ними. Проведення кількісної оцінки вказаних факторів об’єктивно виділяє зниження пиловиділення, удосконалення буровибухових робіт та водовідведення у пріоритетні напрямки поліпшення екологічної обстановки в гірничопромислових районах цього типу. Під час розробки м’яких порід відкритим способом основну втрату грунтів викликають їх вилучення та деформація, а також фільтраційне забруднення, на долю яких припадає до 20 та 40% відповідно від рівня техногенної дії на грунти цих гірничих підприємств.
4.
При підземній розробці вугілля з горизонтальним та похилим заляганням пластів деградація грунтів здійснюється, в основному, за рахунок дії факторів техногенезу, пов’язаних з втратами цих грунтів при деформації земної поверхні з порушенням її суцільності, підтопленням території і скиданням високомінералізованих та стічних вод без очищення, коефіцієнти техногенної дії яких складають в середньому 15-20, 20-25 та 10-15% відповідно від загального рівня впливу підприємств цього профіля на грунти. Перехід на технології із закладенням виробленого простору зменшує техногенні наслідки видобування вугілля на 50-80%.
Обгрунтованість і достовірність наукових положень і рекомендацій підтверджується застосуванням сучасних методів системного аналізу, математичного моделювання, математичної статистики та ГІС-технологій для аналізу грунтів; високим рівнем показників адекватності отриманих математичних моделей; обсягом проведених досліджень, що забезпечують відхилення отриманих даних не більше 10% з імовірністю 0,95, а також непротиріччям результатів зіставлення практичних та теоретичних досліджень.
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному. Розроблена науково-методична база для ефективного контроля екологічної безпеки техногенної трансформації грунтів в умовах функціонування підприємств гірничого профілю в межах сформованої системи їх екологічного моніторингу. До використання рекомендовані методи комплексної оцінки стану грунтів в районах локалізації підприємств різного профілю, визначення екологічної стійкості грунтів, здатності їх до самоочищення, ступеня трансформації при дії на них гірничих підприємств, родючості в умовах певної екологічної обстановки та визначення рівня техногенного впливу гірничих підприємств на грунти, а також спосіб вибору екологічно доцільних методів їх реабілітації.
Розроблені методи використовували при створенні регіональної системи екологічного моніторинга в Дніпропетровській області (СЕМ “Придніпров’є”), а також проекту системи моніторинга території міста Жовті Води.
Крім того, метод визначення негативної дії гірничого виробництва на родючість грунтів, що забезпечує можливість оцінки ступеня її зниження в конкретній екологічній ситуації, знайшов застосування під час обробки інформації при створенні екологічної карти Дніпропетровської області.
Результати науково-дослідних робіт за темою дисертації впроваджені також в навчальний процес кафедри екології Національного гірничого університету при підготовці фахівців за спеціальністю 7.07801 – “Екологія і охорона навколишнього середовища” шляхом їх використання в навчально-методичній літературі, яка застосовується при викладанні лекційних курсів: “Основи загальної екології”, “Основи екології”, “Основи екологічного інспектування”, “Грунтознавство”, “Моніторинг навколишнього середовища”, “Стійкість екосистем”, “Основи екологічної токсикології” та ін., при проведенні практичних занять, а також при виконанні дипломних робіт спеціалістами і магістрами.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці методів комплексної оцінки рівня техногенної дії гірничих об’єктів на грунти; в обгрунтуванні екологічного підходу до розрахунку рівня родючості грунтів і розробці методу його визначення; у розробці принципів визначення наслідків зниження стійкості грунтів гірничодобувними підприємствами і методу його визначення; у створенні системи екологічного моніторингу грунтів в районах функціонування підприємств гірничодобувної промисловості та її реалізації із застосуванням розроблених методів; у розробці структури бази даних для грунтів в районах функціонування гірничих підприємств; у систематизації й аналізі механізму дії екологічно негативних для грунтів факторів техногенезу об’єктів гірничого виробництва; у розробці способа вибору екологічно доцільних в кожному конкретному випадку методів реабілітації грунтів.
Апробація результатів дисертації. Основний зміст і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Міжнародній конференції “Проблемы землепользования в условиях реформирования экономики” (Кацівелі, Крим, 1993), IV Міжнародній конференції “Франція та Україна, науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур” (Дніпропетровськ, 1997), Міждержавній конференції “Современные проблемы охраны земель” (Київ, 1997), Міжнародній конференції “Екологія кризових регіонів України” (Дніпропетровськ, 2001), Міжнародній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки” (Дніпропетровськ, 2001), II Міжнародному симпозіумі “Безопасность жизнедеятельности в XXI веке” (Дніпропетровськ, 2002), Науковому симпозіумі “Неделя горняка-2003” (Москва, 2003), Міжнародній конференції “Оптимізація агроландшафтів: раціональне використання, рекультивація, охорона” (Дніпропетровськ, 2003), II Міжнародній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (Дніпропетровськ, 2003). Крім того, матеріали дисертації доповідались на нарадах, що проводились Придніпровською секцією наукової Ради НАН України з проблем біосфери, Дніпропетровською обласною адміністрацією та Дніпропетровською міською радою народних депутатів, а також на засіданнях Вченої ради та семінарах в Інституті проблем природокористування та екології НАН України.
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 39 роботах (30 з яких написано одноосібно), у тому числі в 1 монографії, 22 статтях у фахових виданнях, 2 препринтах, 5 депонованих рукописах і 9 доповідях і тезах конференцій і симпозіумів.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списка використаних джерел з 335 найменувань на 30 сторінках і 4 додатків на 4 сторінках. Загальний обсяг дисертації – 354 сторінки, з них рисунків – 48 (з яких 32 на 28 окремих сторінках), таблиць – 75 (з яких 17 на окремих сторінках), основний текст – 275 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі визначена науково-прикладна проблема та обгрунтована її актуальність, сформульовані мета, задачі, предмет і об’єкт досліджень, наведена наукова новизна отриманих результатів та їх практичні значення, представлені наукові положення, що виносяться на захист, а також інформація про апробацію результатів дисертації та публікації за її темою.
У першому розділі проаналізовані питання щодо специфіки дослідження грунтів в умовах впливу на них гірничодобувних підприємств. Цей аналіз проводили на прикладі грунтів Дніпропетровської області, надра якої багаті корисними копалинами та експлуатуються вже понад ста років.
Виконаний порівняльний аналіз сучасних підходів до комплексної оцінки впливу виробничої діяльності на довкілля. Надана загальна картина функціонування різних типів гірничих підприємств з аналізом їх здатності до техногенної перебудови грунтів, в тому числі під впливом хімічних факторів. Наведена характеристика забруднення грунтів найбільш поширеними в промислових районах компонентами – важкими металами, нафтою та нафтопродуктами, мінеральними формами азоту, а також поверхнево-активними сполуками з аналізом екологічної небезпеки цієї форми техногенезу.
Обгрунтована необхідність комплексного (системного) підходу до вивчення грунтів в гірничопромислових районах, що вимагає їх дослідження з визначенням рівня техногенного впливу на них підприємств цього профіля, аналізом факторів техногенезу, що спричиняють перебудову грунтів, визначенням реакції цих грунтів на вплив гірничих об’єктів, оцінкою екологічних наслідків цього впливу для самих грунтів та інших компонентів біосфери, які підпорядковані їм згідно з правилами зворотного зв’язку та ін. Вказано, що ці розробки можна використовувати самостійно, а також як теоретичну базу для вирішення задач практичної спрямованості для оцінки рівня екологічної небезпеки трансформації грунтів; при визначенні екологічно обгрунтованих параметрів техногенної дії гірничих об’єктів на грунти суміжних з ними ландшафтів; для прогнозу наслідків техногенної перебудови грунтів під впливом гірничого виробнитва та ін.
Аргументована необхідність додаткової розробки методів оцінки грунтів, які межують з гірничими підприємствами. Вона викликана тим, що оцінка грунтів за традиційними методами не забезпечує її об’єктивний характер, а також формалізацію визначень через суттєві недоліки. Головні серед них – відсутність комплексного підходу, неможливість обліку повторних та комбінованих ефектів, недостатній рівень імовірності та аналіз часткових, а не загальних закономірностей. Тому розробка методів, які дозволять уникнути цих вад є однією з першочергових задач при поліпшенні контролю над екологічною безпекою грунтів в межах впливу гірничих виробництв.
На підставі аналізу відомих наукових праць, а також власного досвіду сформульовані мета і задачі наступних досліджень.
У другому розділі розроблені підходи до створення системи екологічного моніторингу грунтів в гірничих районах, а також структура відповідної бази даних. Особливість цієї системи – її науково-методична основа, яка включає методи комплексної оцінки грунтів та прогнозу наслідків їх техногенної трансформації. При її формуванні була використана також інформація, яку одержали та систематизували за традиційними методами.
Всі необхідні дослідження були проведені на грунтах Дніпропетровської області, де є практично всі основні типи гірничодобувних підприємств України. Проби грунтів відбирали з їх акумулятивного горизонту (шар 20 см) за традиційною методикою в межах створених полігонів (Дніпропетровсько-Дніпродзержинська агломерація – ДДА, Західний Донбас – ЗД, Нікополь-Марганець-Орджонікідзе – НМО, Кривий Ріг-Жовті Води – КР, Перещепіно-Магдалинівка-Царичанка – ПМЦ, фоновий полігон – контроль).
Первинний аналіз грунтів здійснювали в лабораторії фізико-хімічних досліджень Інституту проблем природокористування та екології НАН України за існуючими методами (потенціометричними, спектрофотометричними, ензиматичними, газохроматографічними та аналітичними). З їх допомогою визначали концентрацію (мг/кг грунту) важких металів (Cu, Pb, Zn, Co, Cd, Cr, Ni), нафти і нафтопродуктів, мінеральних форм азоту та синтетичних поверхнево-активних сполук, а також вміст гумуса (%), концентрацію органічних форм вуглецю (%) та елементів живлення (К, Р, N, мг/кг грунту), ємкість катіонного обміну (мг-екв./100 г грунту), активну кислотність (рН, ум. од.), вміст аніонів (Cl-, SO42, мг/кг) та активність ферментів (ум. од.) – поліфенолоксидази, пероксидази, дегідрогеназ і каталази, які за міжнародною класифікацією визначають відповідно як КФ 1.10.3.1, КФ 1.11.1.7, КФ 1.1.1, 1.2.1, 1.4.1 та КФ 1.11.1.6. Крім того, для апробації розроблених у роботі методів проводили вивчення агроландшафтів Дніпропетровської області з використанням результатів агрохімічного аналізу грунтів сільгоспугідь, який було виконано в межах обласного екологічного моніторингу.
Результати первинного аналізу грунтів за відомими методами дозволили розрахувати показники першого та другого рівня їх досліджень в межах відповідної системи екологічного моніторингу: коефіцієнти забруднення (накопичення) (СЗ) і недостатності (СН) для окремих компонентів забруднення, інтегральні (або приведені) коефіцієнти забруднення (СЗ) і недостатності (СН), коефіцієнти дисбалансу (СD), інтегральні показники забруднення (ІПЗ), інтегральні показники екологічної напруги (ІПЕН), коефіцієнти аномалії концентрації забруднювачів (Ка), глибину гуміфікації (Кг), сумарні показники забруднення (ZC), а також питому кількість пилу пилогазової хмари під час масових вибухів при буропідривних роботах.
Всі роботи з первинного аналізу грунтів проводили в 5-7-кратній повторності, а їх результати оброблювали з використанням методів математичної статистики при 95% рівні імовірності. Крім того, в роботі були використані методи ГІС-технології (Surfer for Windows ver. 5,0), експертних оцінок та системного аналізу, а також математичного моделювання, що дозволило перевести екологічний моніторинг грунтів з біоекологічного на геосистемний рівень.
Були розроблені наступні методи комплексної оцінки грунтів:
1.
Метод оцінки рівня самовідновлення грунтів (АПГ) при дії на них гірничих підприємств, що відноситься до групи адаптивних. На відміну від існуючих аналогів, враховує не тільки рівень оксидазної активності цих природних об’єктів, але й екологічні фактори, що викликають її дестабілізацію, тому співвідношення цих параметрів характеризує питому біохімічну активність грунтів, яка обумовлює потенційну здатність вказаних екосистем до самоочищення. Доведено, що АПГ доцільно визначати за допомогою рівняння, яке має наступний вигляд:
(1)
де Пеi – активність пероксидази техногенних грунтів; Пфi – активність поліфенолоксидази техногенних грунтів; Кi – активність каталази техногенних грунтів; Дгi – активність дегідрогеназ техногенних грунтів; Сi – вміст елементів живлення (N, P, К) в техногенних грунтах; Сф – вміст елементів живлення (N, P, К) в грунтах регіонального фону; Пi – вміст пріоритетних важких металів в техногенних грунтах; Пф – вміст пріоритетних важких металів в грунтах регіонального фону; Пк – вміст пріоритетних важких металів в грунтах фонового полігону (в контролі); n – кількість досліджуваних проб грунтів.
2.
Метод комплексної оцінки ступеня мінливості грунтів (К) визначає не параметри забруднення цих екосистем, які контролюють традиційно, а їх реакцію на сумарний техногенний вплив, що дозволяє абстрагуватися від кількості діючих факторів техногенеза, їх спектра, сполучень та специфіки реалізації. Встановлено, що К необхідно розраховувати за допомогою наступного рівняння:
(2)
де АПГЗ адаптивний потенціал грунтів при забрудненні (в умовах техногенного навантаження); АПГk адаптивний потенціал грунтів в умовах контролю.
3.
Метод прогнозної оцінки наслідків дії гірничого виробництва на грунти (Е) слід віднести до методів адаптивних оцінок. Він використовується для визначення екологічної стійкості грунтів, вибору напрямку реабілітації трансформованих грунтів та екологічно доцільних методів їх відновлення. Розраховується цей показник наступним чином:
(3)
де АПГЗ – адаптивний потенціал грунтів при забрудненні; СiрН – активна кислотність техногенних грунтів; СфрН – активна кислотність грунтів регіонального фону; СiСо – вміст органічного вуглецю в техногенних грунтах; СфСо – вміст органічного вуглецю в грунтах регіонального фону; Сiгг – глибина гуміфікації техногенних грунтів; Сфгг – глибина гуміфікацї грунтів регіонального фону; n – кількість досліджуваних проб грунтів.
4.
Метод визначення екологічного бонітету грунтів (Бе), на відміну від традиційних розробок, дозволяє визначати не потеційну, а реальну родючість грунтів в умовах конкретного техногенного навантаження за рахунок аналіза екологічної дестабілізації параметрів, що беруть участь у формуванні їх потенційної родючості. Доведено, що Бе доцільно визначати за допомогою наступного рівняння:
(4)
де Хi – вміст гумуса в техногенних грунтах; Хопт – вміст гумуса, оптимальний для цього типу грунтів; Yi – співвідношення поглинутих катіонів (Ca2++Mg2+/Na+) в техногенних грунтах; Yопт – співвідношення поглинутих катіонів (Ca2++Mg2+/Na+), оптимальне для цього типу грунтів; Сi – вміст елементів живлення (N, P, К) в техногенних грунтах; Сф – вміст елементів живлення (N, P, К) в грунтах регіонального фону; Пi – вміст пріоритетних важких металів в техногенних грунтах; Пф – вміст пріоритетних важких металів в грунтах регіонального фону; Пк – вміст пріоритетних важких металів в грунтах фонового полігона (у контролі); n – кількість досліджуваних проб грунтів.
Наприкінці розділу наведена блок-схема екологічного моніторингу техногенно-трансформованих грунтів, яка дозволила систематизувати всі етапи їх дослідження від одержання первинної інформації до прийняття рішень з управління якістю грунтів, що забезпечило не тільки контроль за проведенням необхідних вимірів, але й ефективність наступного використання одержаної інформації.
Таким чином, в другому розділі були вирішені друга та третя задачі досліджень, що забезпечило можливість формулювання першого та другого наукових положень.
У третьому розділі розроблені наукові принципи, згідно з якими необхідно проводити вивчення екологічно небезпечних для грунтів факторів техногенеза гірничих об’єктів, проведена відповідна систематизація цих факторів (рис. 1) та проаналізований механізм їх дії.
Встановлений множинний характер наслідків дії факторів техногенезу гірничих підприємств на грунти. Визначений спектр цих наслідків наведено як систематизований перелік видів деградації цих грунтів:
1. Негативні зміни основних параметрів грунтів, а саме:
1.1. Деструкція грунтів на різних рівнях їх організації.
1.2. Перебудова режимів (повітряного, водного, температурного та ін.).
1.3. Пригнічення ензиматичної активності.
1.4. Зменшення кількості та перебудова спектру біоти грунтів.
1.5. Трансформація гуматів різного рівня та характера.
1.6. Перебудова іонного обміну з декомпозицією грунтово-поглинаючого комплексу.
2. Модифікація геохімічних та геофізичних характеристик грунтів:
2.1. Зміна окислювально-відновлювального та кислотно-лужного режимів.
2.2. Збільшення міграційної активності забруднюючих речовин.
2.3. Хімічне забруднення грунтів.
2.4. Радіоактивне забруднення грунтів.
2.5. Формування геохімічних бар’єрів різного типу.
3. Деструктивна трансформація загальнобіосферних функцій грунтів:
3.1. Порушення біогеохімічних кругообігів (N, S, C та ін.).
4. Індукція процесів регресивної еволюції з розвитком явищ:
4.1. Оглеєння.
4.2. Льосиважу.
4.3. Опідзолювання.
4.4. Сульфатредукції.
4.5. Повторного засолення (в т.ч. содового).
4.6. Повторного осолонцювання.
4.7. Повторного гідроморфізму.
4.8. Водної та повітряної ерозії.
Для раціонального використання цієї інформації отримані результати наведені у вигляді матриці залежності видів деградації грунтів від факторів техногенезу гірничодобувних підприємств (табл. 1), для чого були застосовані їх цифрові визначення (див. рис. 1 та перелік видів деградації, котрий наведений вище).
Таблиця 1
Матриця залежності видів деградації грунтів від факторів техногенезу
Вид
деградації | Фактор техногенезу
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11
1.1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1.2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1
1.3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1.4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1.5 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
1.6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
2.1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
2.2 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
2.3 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
2.4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
2.5 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1
3.1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
4.1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
4.2 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
4.3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
4.4 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1
4.5 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1
4.6 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1
4.7 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
4.8 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0
Елементи цієї таблиці (aij) складають “1” у випадку, коли i-й фактор техногенезу реалізує j-й вид деградації, та дорівнюють “0”, якщо для досліджуваного фактора цей вид деградації відсутній. Користуючись нею, можна зробити опис процесу трансформації будь-яких грунтів, які опинилися під дією різного виду, кількості та сполучень техногенних факторів.
Таким чином, в третьому розділі була вирішена перша задача досліджень, що стала основою третього та четвертого наукових положень.
У четвертому розділі апробовані методи комплексної оцінки грунтів на прикладі Дніпропетровської області. Проведений аналіз хімічного забруднення цих грунтів, а також розвиток повторних та комбінованих ефектів, здатність грунтів до самоочищення, ступінь їх мінливості при техногенезі, а також екологічний бонітет та рівень екологічної стійкості.
Дослідження грунтів за допомогою цих методів дозволило довести, що об’єктивну картину їх екологічного стану не можна одержати при вивченні спектру забруднювачив та їх кількості через розвиток in situ повторних та комбінованих ефектів, які суттєво трансформують очікувані результати досліджень. Це обумовлює доцільність аналізу грунтів за допомогою комплексних критеріїв, які дозволяють уникнути вказаних недоліків через системний підхід до оцінки грунтів. Слід підкреслити, що розроблені методи є комплексними не через те, що їх використання забезпечує дослідження грунтів як комплекса параметрів, а тому, що вони оцінюють ці грунти як систему, що функціонує в комплексі з іншими компонентами біосфери.
Аналіз екологічної небезпеки гірничих підприємств для грунтів шляхом визначення рівня їх родючості з ураховуванням стану довкілля (4) з наступним групуванням отриманих результатів дозволив виділити три категорії грунтів згідно з їх реальною (“екологічною”) родючістю: з високим (Бе 10,99), середнім (11 Бе 20,99) та низьким (Бе 21,00) рівнем родючості, що може також свідчити про високий, середній та низький рівень впливу екологічних факторів на якість цих грунтів. Так, наприклад, було встановлено, що згідно з цією градацією грунти Дніпропетровської області в цілому можна віднести до другої категорії. А це означає, що в межах області, особливо в її гірничопромислових районах, родючих і одночасно екологічно якісних грунтів менше, чим потенційно родючих не тільки через їх вилучення та деформацію, але й за рахунок прямого та/чи опосередкового зменшення якості.
Апробація методу визначення адаптивного потенціалу грунтів (1) забезпечила також можливість якісної характеристики їх здатності до самоочищення: в залежності від меж розкиду АПГ її можна оцінити як мінімальну (АПГ 1,00), низьку (1,00 АПГ 2,00), помірну (2,00 АПГ 3,00), середню (3,00 АПГ 4,00) та високу (АПГ 4,00). Так, наприклад, за цєю градацією грунти Кривбасу та Нікопольського басейну мають мінімальну здатність до самоочищення, а Західного Донбасу та центральних районів області – середню. І тільки на півночі області вона висока.
Доведено також, що використання коефіцієнта реакції грунтів на техногенний вплив “К” (2) дозволяє оцінювати ступінь їх мінливості при техногенезі. А ранжування К (який змінюється в діапазоні [0; 1]) за ступенем мінливості його показників (0,00 К 0,20 – низький, 0,20 К 0,40 – помірний, 0,40 К 0,60 – середній, 0,60 К 0,80 – високий та К 0,80 – критичний) забезпечує визначення діапазону цих змін. Відповідно до цього грунти Кривбасу та Нікопольського басейну слід віднести до категорії з критичною мінливістю, а в Західному Донбасі – до категорії з високою мінливістю.
Останній з розроблених методів, котрий присвячений визначенню екологічного потенціалу грунтів “Е” (3), дозволяє оцінювати їх екологічну стійкість. Доведено також, що від Е безпосередньо залежить реакція грунтів на техногенний вплив, тому К можна використовувати не тільки для визначення ступеня їх мінливості, але й для оцінки екологічної небезпеки спрямованості процесів техногенної перебудови грунтів як реалізації їх мінливості, виходячи з того, що К є функцією від Е (R=0,84):
(5)
Проведене ранжування можливих значень Е показало, що грунти в залежності від їх екологічного потенціалу можна поділити на категорії згідно з межою їх розкиду: екологічно нестійкі (Е 1), з низькою (1 Е 2), середньою (2 Е 3) та високою (Е 3) екологічною стійкістю. За цією градацією грунти Кривбасу та Нікопольського марганцеворудного басейну вже перейшли межу екологічної стійкості і стали нестійкими, в той час як в Західному Донбасі та центральних районах Дніпропетровської області стійкість грунтів низька.
Таким чином, в четвертому розділі була проведена апробація коректності постановки другої та третьої задач досліджень та розроблені підходи до вирішення четвертої, п’ятої, шостої та сьомої задач, що є основою для формулювання першого та другого наукового положень.
У п’ятому розділі проаналізована дія гірничого виробництва на грунти на прикладі Дніпропетровської області, для якої найбільш впливовими факторами техногенезу є зниження рівня водоносних горизонтів, пиловиділення, комплексне пилогазовиділення при буропідривних роботах та порушення технологій водовідведення. Цей аналіз забезпечив розробку метода визначення рівня техногенного впливу гірничодобувних підприємств на грунти, в якому використана інформація щодо спектра ініційованих ними факторів техногенезу, викликаних цими факторами видів деградації грунтів, а також характера реалізації виявлених видів деградації в конкретних грунтово-кліматичних умовах.
Доведено, що практично всі фактори техногенезу, джерелом яких є гірничі об’єкти, викликають однотипні за кінцевими результатами наслідки трансформації грунтів, які межують з цими промисловими підприємствами. Це зниження іх здатності до самовідновлення, зростання мінливості, зменшення стійкості та падіння родючості, що призводить (при збереженні негативних тенденцій) до зубожіння біологічного різноманіття та спустелення території з наступною дестабілізацією біосфери в цілому. Різниця полягає в спектрі видів деградації грунтів, механізмі їх реалізації,
