ІНСТИТУТ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

НАН та МНС УКРАЇНИ

Сляднєв Валерій Олександрович

УДК 504.05:556.388:(622.012.2:622.245)](477.6)

ОЦІНКА ВПЛИВУ УРАЗЛИВОСТІ ПІДЗЕМНИХ ВОД НА ЕКОЛОГІЧНУ БЕЗПЕКУ ЦЕНТРАЛЬНОГО ДОНБАСУ В УМОВАХ ЗАКРИТТЯ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геологічних наук НАН України

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук, професор

Галецький Леонід Станіславович, Інститут геологічних наук НАН України, завідуючий відділом геології корисних копалин

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук

Коржнєв Михайло Миколайович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, геологічний факультет, професор

доктор геолого-мінералогічних наук, доктор географічних наук, доктор технічних наук, професор

Рудько Георгій Ілліч, Державна комісія України по запасах корисних копалин, голова

Провідна установа: Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України,

м. Київ

Захист відбудеться " 11 " квітня 2006 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 26.192.01 при Інституті геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України за адресою: 03680, м. Київ-142, просп. Палладіна, 34-а

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, просп. Палладіна, 34

Автореферат розісланий " 3 " березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

СРД 26.192.01,

кандидат геологічних наук К. І. Жебровська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Загострення екологічних проблем Донбасу у зв’язку із закриттям вугільних шахт призводить до необхідності випереджаючого розроблення науково обґрунтованих підходів до оцінки та прогнозу негативних наслідків, пов’язаних з реструктуризацією вугільної галузі України. Для прогнозування впливу закриття вугільних шахт на екологічну безпеку геологічного середовища (ГС) пропонується оцінювати уразливість підземних вод (УПВ) як чинник екологічної безпеки систем господарсько-питного водопостачання і безпечного функціонування житлово-комунальних, промислових об'єктів і сільськогосподарських територій в умовах реструктуризації вугільної галузі, що в сукупності визначає екологічну безпеку умов життєдіяльності людини.

Останнім часом як українськими, так і зарубіжними вченими у процесі вивчення УПВ напрацьовано значний матеріал. Проте комплексних досліджень, спрямованих на оцінку і запобігання погіршення регіональних еколого-геологічних умов у районах масового закриття шахт, ще не проводилося. Жоден з існуючих підходів не враховував локальних (техногенне навантаження на підземну гідросферу) та регіональних (автореабілітаційний підйом рівнів підземних вод) чинників зміни стану ГС, під впливом яких формуються негативні наслідки закриття шахт і погіршується якість підземних вод. Це, у свою чергу, істотно знижує рівень екологічної безпеки та перспективу розвитку густонаселених та економічно розвинутих територій вуглепромислових районів (ВПР) Центрального Донбасу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота узагальнює результати наукових досліджень автора, отримані ним під час виконання такого: комплексного наукового проекту Інституту геологічних наук НАН України "Зміцнення мінерально-ресурсної бази України та покращення ефективності її використання" за тематикою відділу "Стратегія розвитку мінеральних ресурсів України", що здійснюється згідно з розпорядженням Президії НАН України (ДР № 01002004672); науково-технічної програми українсько-канадського співробітництва "Розвиток екологічного менеджменту в Україні (басейн Дніпра)"; і спільного датсько-українського проекту "Охорона і відновлення якості підземних вод у районі Донбасу, Україна". Крім того, в роботі використовувалися матеріали авторських звітів за результатами вивчення якості та рівневого режиму підземних вод на території досліджень за 1966-2001 рр., звітів регіональних підрозділів колишнього Мінгео України та Державного комітету природних ресурсів, інститутів НАН України, Мінпаливенерго та Мінприроди України.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є регіональна оцінка і прогноз УПВ Центрального Донбасу як основного чинника екологічної безпеки ГС при закритті вугільних шахт і принципових змінах механізмів підземного водообміну в умовах регіонального порушення водотривів, параметрів поверхневого стоку, геохімічних показників ландшафтів.

Завдання дослідження полягали у такому:

1.

2.

3.

4.

5.

Об’єктом дослідження є ГС зон впливу вугільних шахт, що закриваються на території ВПР Центрального Донбасу.

Предмет дослідження – сучасні гідрогеодинамічні процеси, що відбуваються на території ВПР Центрального Донбасу та зумовлюють рівень екологічної безпеки регіону.

Методи дослідження. Для реалізації мети і завдань дослідження використовувався комплекс сучасних загальнонаукових методів і підходів, а саме: системний аналіз як інструмент для узагальнення матеріалів з еколого-геологічної характеристики району досліджень; статистичний аналіз даних, які характеризують еколого-геологічний стан техногенних об’єктів, вивчення якісних характеристик підземних вод, для обґрунтування параметрів УПВ; структурно-функціональний аналіз з використанням ГІС-технологій для створення баз геологічних, гідрогеологічних, гідрологічних даних і показників техногенного навантаження на ГС, оцінки рівня техногенного навантаження та його впливу на зміни якості підземних вод, оцінки і прогнозування змін УПВ при експлуатації і закритті вугільних шахт.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше запропоновано систему оцінки рівня і виду техногенного навантаження на підземні води, за якою встановлено основні техногенні чинники, що характеризують рівень УПВ при експлуатації й закритті вугільних шахт. Вперше розроблено концепцію і модель оцінки та прогнозування УПВ з використанням ГІС-технологій на прикладі Донецько-Макіївського та Центрального ВПР в умовах експлуатації та закриття вугільних шахт. Визначено методологічні принципи та запропоновано напрями вдосконалення системи моніторингу ГС з метою оцінки рівня екологічної безпеки в умовах закриття шахт.

Основні наукові положення, що захищаються:

1. Техногенне навантаження на ГС Донецько-Макіївського та Центрального ВПР визначається екзогенною й ендогенною складовими впливу на стан підземних вод. Екзогенна складова має локальний характер та зумовлена надходженням забруднення з накопичувачів переважно шахтних і промислових стічних вод, накопичувачів твердих відходів вуглевидобування (териконів), ландшафтів, які забруднені повітряними викидами промислових підприємств та шкідливими залишками агрохімічних заходів. Дія ендогенної складової під час закриття шахт характеризується регіональним комплексним впливом на рівневий та якісний стан підземних вод та зумовлена надходженням вод високої мінералізації глибоких горизонтів у зону активного водообміну (ЗАВ).

2. Під час експлуатації вугільних шахт УПВ визначається природними і екзогенними техногенними чинниками, вплив яких проявляється у кардинальній зміні хімічного складу підземних вод з сульфатно-гідрокарбонатного кальцієвого на гідрокарбонатно-сульфатний натрієвий та у підвищенні мінералізації з 0,6-1,0 до 3,0-5,0 г/дм3.

3. Через закриття вугільних шахт відбувається автореабілітаційний (за сталими природними механізмами) регіональний підйомом рівнів підземних вод до природно-історичних абсолютних відміток у межах водоформуючих систем “вододіл – річкова мережа”, що зумовлює зростання УПВ, яка визначається погіршенням якості підземних вод та інженерно-геологічних умов освоєних територій.

4. При закритті шахт методологія удосконалення моніторингу ГС забезпечується системним використанням принципів цілеспрямованості та оптимізації проведення спостережень. Основні напрямки удосконалення системи моніторингу ГС такі: моніторинг еколого-геохімічного стану техногенних і природних ландшафтів; моніторинг режиму рівнів і хімічного складу підземних вод; моніторинг небезпечних екзогенних геологічних процесів; моніторинг стану природно-техногенних газогеохімічних полів; моніторинг геодинамічного стану породного масиву.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена модель оцінки та прогнозування УПВ дозволяє отримати оптимальні екологічно збалансовані варіанти закриття вугільних шахт і стабілізувати рівень екологічної безпеки умов життєдіяльності густонаселених районів Центрального Донбасу в процесі реструктуризації вугільної галузі. Результати проведених досліджень були використані, зокрема:

1. Державним управлінням екології та природних ресурсів у Донецькій області (лист від 18.12.2000 р. за № 12-2794):

1.1. При удосконаленні систем моніторингу підземних вод і небезпечних геологічних процесів при закритті шахт.

1.2 При розробці захисних заходів щодо запобігання надзвичайних екологічних ситуацій.

2. Управлінням ресурсів Донецької обласної державної адміністрації при розробці природоохоронних заходів під час закриття вугільних шахт (лист від 31.08.2000 р. за № 11-1/91).

3. Інститутом проблем національної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України під час підготовки аналітичного матеріалу з водно-екологічних ризиків при регіональному техногенному зниженні природної захищеності водоносних горизонтів (довідка від 15.02.2005 р. за № 12/4-4/а).

Особистий внесок здобувача. Запропоновано методологію оцінки рівня і виду техногенного навантаження на підземні води, встановлено основні техногенні чинники, що характеризують рівень УПВ в умовах експлуатації масового закриття вугільних шахт. Розроблено структуру інформаційного забезпечення та створено базу даних просторово розподілених природних і техногенних об'єктів на прикладі Донецько-Макіївського та Центрального ВПР. Проведено статистичну обробку даних і розроблено модель оцінки та прогнозування УПВ з використанням ГІС-технологій на прикладі Донецько-Макіївського та Центрального ВПР під час експлуатації і під впливом закриття вугільних шахт. Визначено методологічні принципи та запропоновано напрями вдосконалення системи моніторингу ГС в умовах закриття шахт.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідались: на міжнародній науковій конференції “Fifth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe September 12-14, 2000, Prague, Czech Republic; на науково-практичних конференціях з міжнародною участю – “Принципи і методи картографування геологічного середовища для екологічних оцінок”, 27-29 вересня 1994 р. м. Київ; “Сучасні проблеми екологічного стану геологічного середовища України”, 27-29 червня 1995 р. Київ; “Екологічні аспекти забруднення навколишнього середовища”, 26-28 березня 1996 р., Київ; “Проблеми техноприродних аварій і катастроф у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів”, 28-30 жовтня 1997 р., м. Київ; "Донбас–2020: Охорона довкілля та екологічна безпека”, 21-22 листопада 2001 р., Донецьк; "Проблемні питання розвідки, видобутку, використання, вивчення та охорони природних лікувальних ресурсів", 23-25 вересня 2003 р. м. Хмільник; "Нагальні питання вирішення проблеми підтоплення ґрунтовими водами територій міст та селищ міського типу" 28-31 жовтня 2003 р., м. Харків; "Сучасний стан навколишнього середовища промислових та гірничопромислових регіонів. Проблеми та шляхи вирішення", 17-21 травня 2004 р., м. Алушта та на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні економічні можливості розвитку та реалізації мінерально-сировинної бази України і Росії в умовах глобалізації ринку мінеральної сировини”, 22-23 червня 2005 р., м. Київ.

Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковано у 18 статтях фахових наукових видань України, у тому числі чотири одноосібних. Серед публікацій, що додатково відображають наукові результати дисертації, дві колективні монографії, 10 статей у наукових журналах і 25 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури і додатків. Обсяг дисертації 171 сторінок, у тому числі 135 сторінок тексту, чотири сторінки таблиць і список використаних джерел з 157 найменувань на 16 сторінках, 13 додатків на 16 сторінках.

Автор щиро вдячний М. І. Бєсєді, В. П. Бухарєву, Б. О. Горлицькому, А. М. Дудику, Г. В. Лисиченку, А. В. Лущику, А. Я. Радзівіллу, В. М. Шестопалову, за конструктивні поради, рекомендації та критичні зауваження. Особливу подяку висловлюю д-ру техн. наук Є. О. Яковлєву та чл.-кор. НАН України П. Ф. Гожику, які сприяли появі даної роботи, та всім співробітникам відділу геології корисних копалин Інституту геологічних наук НАН України за допомогу, отриману в процесі роботи над дисертацією. Автор вдячний своєму науковому керівнику проф. Л. С. Галецькому за постійну допомогу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Розділі 1 “ВПЛИВ ЗАКРИТТЯ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ НА ТЕХНОГЕННО-ЕКОЛОГІЧНУ БЕЗПЕКУ ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА, СТАН ПРОБЛЕМИ ТА ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ” розглядаються питання оцінки і прогнозування зміни стану екологічних параметрів ГС у процесі масового закриття шахт.

Донбас є одним з найбільших вугільних басейнів у світі, геолого-промислове освоєння якого перевищує 200 років. З цим пов'язаний комплекс накопичених техногенних змін ГС (структурно-геологічних, гідрогеологічних, геохімічних та ін.), що ускладнюють закриття вугільних шахт. Через збільшення глибини ведення гірничих робіт (до 900-1300 м), зниження рівня підземних вод і вилучення великих обсягів вугілля і порід зростало регіональне порушення рівноваги в системі "гірські породи – підземні води".

Реструктуризація вугільної промисловості Донбасу (масове закриття шахт) вимагає термінового вивчення впливу змін гідрогеологічних, гідрогеохімічних, геохімічних умов на прояв широкого спектра еколого-геологічних процесів, що зумовлюють екологічну безпеку регіону.

Вивчення проблем, пов’язаних з впливом закриття вугільних шахт на стан ГС, проводяться в Росії, Польщі, Німеччині та інших країнах, але вуглепромислові райони Донбасу мають значно більші масштаби розвитку гірничих робіт по глибині і площі. На відміну від країн далекого зарубіжжя для України характерна еколого-технологічна недосконалість вугледобувних робіт, в результаті чого при закритті шахт спостерігаються прояви негативних екологічних наслідків, що істотно впливають на погіршення стану ГС, насамперед підземних вод, а це, у свою чергу, призводить до зниження рівня умов життєдіяльності.

Актуальні наукові пошуки різних складових частин досліджуваної проблеми містять роботи сучасних дослідників В. Д. Бабушкина, М. І. Бєсєди, В. М. Гольдберга, Л. С. Галецького, Г. А. Голодковської, М. І. Дробнохода, А. М. Дудика, І. С. Зекцера, В. Н. Єрмакова, М. М. Коржнєва, В. С. Ковалевського, Є. П. Котелевця, В. І. Лялька, В. А. Мироненка, В. С. Міщенка, Л. Ф. Миронова, М. С. Огняника, І. С. Пашковського, А. Я. Радзівілла, В. Г. Руминіна, Е. В. Соботовича, О. А. Улицького, В. М. Шестопалова, В. М. Шестакова, Є. О. Яковлева, Л. С. Язвіна та ін.

Цікавими та оригінальними для дослідження різноманітних проблем еколого-геологічного характеру та адаптації їх до умов реструктуризації вугільної галузі є публікації І. Д. Багрія, Б. О. Горлицького, С. І. Дорогунцова, Є. Я. Жовінського, Г. Л. Коффа, Г. В. Лисиченка, А. В. Лущика, Г. І. Рудька та ін.

На підставі зробленого автором аналізу значної кількості робіт, зокрема зарубіжних авторів, присвячених УПВ і оцінці прояву основних чинників, що зумовлюють погіршення стану ГС було розширено комплекс досліджень щодо оцінок техногенно-геологічної системи (ТГС) “шахта – ГС” та зон їх впливу. Серед них варто особливо відзначити таких вчених як: L.ersen, Th. Dracos, М. Civita, H.S. S. Foster, R. E. Jackson, L.J. H. Lehr, E. Gosk, A. C. Skinner, H.J. Vrba, A. Zaporozec та ін.

Підвищений інтерес до даної проблематики викликаний як її новизною, так і прискореним розвитком перш за все принципово нового комплексу еколого-геологічних процесів, що активно впливають на погіршення екологічної безпеки територій, які знаходяться під впливом закриття шахт:

підйом рівнів підземних вод кам'яновугільного водоносного комплексу в зонах впливу шахт, закритих методом "мокрої” консервації (повне затоплення), у зв’язку з розвитком процесів підтоплення і затоплення (насамперед площ денної поверхні, що підроблені гірничими виробками);

додаткові переміщення масивів гірських порід і просідання денної поверхні над гірничими виробками, у тому числі в зонах давно закритих шахт;

посилення гідрогеохімічної міграцій забруднень при підтопленні місць складування відходів, територій з відстійниками і ставками-накопичувачами шахтних вод та промислових стоків, геохімічно забруднених територій та ін., а також зростання внаслідок цього хімічної (електрохімічної) агресивності ґрунтів і ґрунтових вод відносно залізобетонних і металевих конструкцій;

•

•

Головними чинниками, що вивчаються при оцінках наслідків закриття шахт, є параметри ГС і показники техногенного навантаження на нього, а основним результатом їх взаємодії є погіршення якості підземних вод.

Таким чином, для оцінки впливу закриття шахт на еколого-гідрогеологічний стан ГС можна використовувати УПВ, що характеризує чутливість підземних вод до прояву тієї чи іншої техногенної дії. За значенням і змістом УПВ протилежна захищеності і може слугувати об'єктивним критерієм для розроблення різних заходів щодо охорони підземних вод. Тобто поняття УПВ включає природні параметри ГС, взаємозв'язок (взаємодія) яких між собою і з техногенними чинниками дає можливість виконувати цільові (функціональні) та інтегральні (адитивні) еколого-геологічні оцінки.

У Розділі 2 “КОНЦЕПТУАЛЬНІ, ТЕОРЕТИЧНІ І МЕТОДОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ УРАЗЛИВОСТІ ПІДЗЕМНИХ ВОД” розглядаються концептуальні положення УПВ, формулюються основні понятійні визначення проблеми. Пропонується загальна структура картографічної моделі, що здатна відобразити зміни екологічного стану підземної гідросфери в процесі масового закриття вугільних шахт.

Концепція УПВ широко розробляється у світі, починаючи з 50-х років минулого століття, перш за все виходячи із задач оцінки схильності водоносних горизонтів і окремих водозаборів до дії радіоактивного забруднення. Успіхи, досягнуті передусім у таких передових країнах, як США, Росія, Україна, Франція, Великобританія, Данія, Швеція, Нідерланди та ін., створили базу для розробок новітніх поглядів на інші джерела забруднення підземних вод, способи захисту водоносних горизонтів від забруднень різної природи (промислове, аграрне, побутове та ін.), що вимагає деталізації проблем, пов’язаних із захищеністю підземних вод.

Сама ідея, яка закладена в понятті “захищеність”, виходить переважно з оцінки ступеня благополуччя стану об'єкта, який досліджується. Тобто акцент робиться на тих чинниках, які забезпечують надійність ізоляції водоносного горизонту від забруднення, що впливає на балансовий і якісний стан підземних вод (їх хімічний і газовий склад, величину ресурсів та ін.).

Оцінка УПВ базується на більшій кількості чинників, ніж захищеність; значна частина їх з часом змінюється, що істотно розширює можливості використання УПВ при вивченні наслідків техногенного впливу на підземні води. Уразливість водоносного горизонту залежить як від статичних параметрів (потужності порід зони аерації, фільтраційних та сорбційних властивостей захисних шарів), так і від розподілу поля напору в межах досліджуваної території, інтенсивності і характеру техногенного навантаження та ін. Отже ми можемо стверджувати, що уразливість + існуюче зовнішнє і внутрішнє техногенне навантаження = ризик забруднення.

Ступінь УПВ визначається не тільки природними, на й техногенними чинниками. Ми розглядаємо три основних природних чинники, які контролюють вплив ГС на ступінь УПВ:

1.

2.

3.

Техногенні чинники, що впливають на ступінь УПВ, ми поділяємо на екзогенні та ендогенні. Основними екзогенними техногенними чинниками ми вважаємо такі об'єкти інженерного освоєння території:

•

•

Ендогенні техногенні чинники виявляються при закритті шахт і зумовлюються:

•

•

Урахування автореабілітаційного підйому рівнів підземних вод при оцінці УПВ виконується при формуванні такої фізичної структури гідрогеофільтраційних і гідрогеодинамічних умов:

•

•

•

Природні і техногенні чинники УПВ, що картографуються, відображаються на монофакторних картах, а їх сумарна дія – на інтегральних (у балах). Доведено, що карту інтегрального показника УПВ доцільно базувати на різних варіаціях підсумку (адитивності) результатів картографічного відображення монофакторних показників УПВ. Арифметичний підсумок балів природних і техногенних факторів УПВ нами приймається з огляду на лінійний характер рівнянь, що описують рух і гідрогеохімічні зміни підземних вод.

При обґрунтуванні концептуальних положень структури карт УПВ ми враховуємо таке:

•

•

Схема побудови інтегральної карти УПВ прийнята з урахуванням масштабу відображення даних і включає такі етапи:

•

•

•

•

•

Практичне значення цих оцінок пов'язане з тим, що підземні води є не тільки головним природним ресурсом підвищення екологічної безпеки господарсько-питного водопостачання, але й найважливішим елементом формування екологічних параметрів ГС в умовах активного техногенезу. Особливо важлива оцінка УПВ для Донецько-Макіївського та Центрального ВПР, територія яких відноситься до регіонів з комплексними і масштабними проявами наслідків інтенсивної інженерно-господарської діяльності.

У Розділі. 3 “ПРИРОДНІ ЧИННИКИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА УРАЗЛИВІСТЬ ПІДЗЕМНИХ ВОД” розглядаються гідрологічні, геологічні і гідрогеологічні особливості території досліджень, що зумовлюють ступінь УПВ.

Район дослідження розташований на південному схилі Головного Донецького вододілу, що розділяє водні системи річок, які впадають у р. Сіверський Донець і Азовське море. Це степова рівнина, з численними річками і балками. Русла рік та їх долини, як правило, формуються вздовж системи розломів, зон дроблення та підвищеної тріщинуватості. Це зумовлює підвищення водоприпливів у шахти, особливо в разі підпрацювання гірничими виробками річкової мережі.

Врахування щільності річкової мережі на одиницю площі досліджуваної території дозволяє одержати додаткову кількісну характеристику тектонічних порушень.

Залежно від потужності і наявності покривних відкладів кам'яновугільних утворень, які визначають активність гідродинамічного режиму регіону та глибину розвитку ЗАВ у природному стані, територія досліджень належить до відкритого чи напівзакритого типу. На площі відкритих районів кам'яновугільні утворення виходять на денну поверхню, покривні відклади потужністю до 10,0 м поширені спорадично на вододілах і в заплавах рік. Для цих районів характерний тісний гідродинамічний взаємозв'язок поверхневих й підземних вод, а також інтенсивне інфільтраційне живлення водоносних горизонтів ЗАВ (Донецько-Макіївський та Центральний ВПР). Для напівзакритого типу також характерним є широкий розвиток покривних відкладів, представлених на вододілах слабопроникними важкими суглинками та глинами потужністю до 25,0-30,0 м, а в долинах річок – алювіальними пісками, потужність яких не перевищує 15,0-20,0 м. Такий тип геологічного розрізу сприяє зменшенню УПВ.

У структурному відношенні територія досліджень охоплює західну частину Донецького басейну, де вугленосна товща середнього карбону занурюється під більш молоді безвугільні відклади карбону та нижньої пермі. До району входять усі відомі в Донецькому басейні типи складчастих та розривних структур. Розривні структури суттєво впливають на підвищення показників УПВ району. На території шахтних полів, межі яких, як правило, є тектонічними порушеннями, додаткове розкриття тектонічних зон при зрушенні підпрацьованих (порушених гірничими виробками) блоків може призвести до прискорення міграції по них техногенного забруднення в підземні води ЗАВ, збільшуючи у такий спосіб природну та техногенну складові УПВ.

У гідрогеологічній будові району беруть участь водоносні горизонти четвертинних (піщані пористі різновиди) і кам'яновугільних відкладів (порово-тріщинуваті пісковики і вапняки). У товщі порід карбону спостерігається близько 100 напірних шарів пісковиків, витриманих по простяганню, які мають відносно постійну товщину, тобто формують складно побудований кам'яновугільний водоносний комплекс. Живлення водоносних горизонтів покривних і кам'яновугільних відкладів відбувається в основному внаслідок інфільтрації атмосферних опадів. Розвантаження здійснюється переважно гірничими виробками шахт та місцевою гідрографічною мережею, що в цілому формує умови техногенної активізації водообміну і сприяє збільшенню УПВ.

Загалом у розглянутому районі через незначну потужність четвертинного покриву, а на окремих ділянках за повної його відсутності спостерігається високий ступінь гідравлічної взаємодії між підземними і поверхневими водами, що сприяє збільшенню УПВ.

У Розділі 4 “ТЕХНОГЕННІ ЧИННИКИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА УРАЗЛИВІСТЬ ПІДЗЕМНИХ ВОД” показано, що в умовах масового закриття шахт зменшення водовідливу і скорочення площ депресій рівнів підземних вод збільшує невпорядкованість ГС, підвищує її ентропію в зоні стохастично організованих геофільтраційних шахтних систем та істотно впливає на зростання УПВ.

Головна роль у зміні режиму та трансформації якості підземних вод і екологічних параметрів ГС регіону належить вугільній і вуглепереробній, хімічній і машинобудівній промисловості, а також агропромисловому комплексу.

Скорочення кількості діючих шахт із подальшим закриттям значної їх частини (до 30-50% їх загальної кількості) методом "мокрої" консервації зумовлює як зміну депресійної поверхні підземних вод, так і початок процесу довгострокового просторово-часового перетворення еколого-гідрогеологічних параметрів ГС, насамперед підземних вод.

Виходячи з загальної схеми формування еколого-гідрогеологічних умов, нами встановлені такі об'єкти потенційного забруднення підземних вод з поверхні:

•

•

•

Одночасно із зовнішнім впливом на ГС поверхневих техногенних об'єктів зміни еколого-гідрогеологічних умов районів закриття шахт зумовлюються також ендогенними факторами, що пов'язані з вертикальним (інжекційним) надходженням мінералізованих шахтних вод глибокого залягання у верхні гідрогеохімічні зони з подальшою активізацією їх впливу на водно-сольовий баланс поверхневих і підземних водних об'єктів ЗАВ. Автореабілітаційний характер підйому рівнів у межах територій "вододіл – річкова мережа" спричиняє розвиток підтоплення геохімічно забруднених територій і вторинне забруднення підземних вод.

У Розділі 5 “ЗАСТОСУВАННЯ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ОЦІНКИ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ПІДЗЕМНИХ ВОД І РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ВЕДЕННЯ МОНІТОРИНГУ ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА” розглядаються принципово нові питання удосконалення методики використання ГІС-технологій і створених на їх основі баз даних для оцінки і прогнозу УПВ в умовах впливу масового закриття шахт. Уразливість оцінюється як функція зв’язку природної захищеності підземних вод та техногенного навантаження на ГС в умовах автореабілітаційного підйому рівнів підземних вод через закриття численних вугільних шахт.

Оцінка УПВ для Донецько-Макіївського і Центрального ВПР виконувалась картографічним методом з використанням просторово орієнтованих баз даних. Це дозволило проводити аналіз і автоматизовану картографічну обробку основних параметрів ГС, що знайшли відображення на окремих інформаційних шарах (монокартах). Карту УПВ побудовано шляхом синтезу, тобто комплексного аналізу окремих монокарт.

Для регіональної оцінки УПВ за допомогою програмного ГІС-забезпечення територію досліджень було поділено на просторові ділянки певного розміру (крок розбиття 2?2 км, відповідно до вибраного масштабу відображення результатів дослідження) і виконано просторовий розподіл природних і техногенних чинників, що характеризують захисні властивості ГС, на кожній ділянці. Іншими словами, була реалізована технологія автоматичного наповнення бази даних географічно розподіленою інформацією, що дозволило створити тематичні карти районування території за техногенними і природними чинниками, які є критеріями оцінки УПВ.

Щоб ліквідувати залежність факторів від формальних розбіжностей в одиницях виміру, вихідні показники були трансформовані в нову форму з однаковою шкалою й одиницею виміру. Для цього якісні показники були перетворені в умовно-кількісні (у балах). З огляду на регіональний характер оцінок, які виконуються, і значну диференціацію природних чинників УПВ, що в основному зумовлюють процеси гідрогеофільтрації, нами прийнято для них однаковий масштаб призначення балів – від 1 до 5.

Виконаний комплекс контрольних розрахунків для оцінки можливого надходження забруднень у підземні води в зонах впливу типових техногенних об'єктів (шахт, ставків-накопичувачів, ставків-відстійників, териконів, територій ПМА та ін.) показав також доцільність застосування п’яти бальної системи їх ранжування, що представлена нами в такому вигляді: 1 бал – фоновий рівень непорушених і слабопорушених аграрних ландшафтів з практично не порушеним станом ЗАВ; 2 бали – території ПМА з відносно однорідним забрудненням ґрунтів; 3 бали – території, зайняті териконами, і геохімічно забруднені території проммайданчиків; 4 бали – території розміщення ставків-накопичувачів шахтних і промислових стічних вод з переважним розвитком техногенної інфільтрації забруднених вод; 5 балів – території розміщення діючих і закритих шахт, а також шахт, що закриваються, де спостерігається практично нове переформування ЗАВ і поширення техногенної радіальної і латеральної гідрогеофільтрації.

На підставі площового розподілу бальних значень було складено монопараметрічні карти кожного з чинників УПВ.

У наступних оцінках підсумкову (інтегральну) карту, враховуючи її оціночний характер та регіональний масштаб було побудовано з урахуванням три бальної градації значень УПВ:

1 бал – незначна (з перевагою впливу аграрно-господарської діяльності);

2 бали – підвищена (з домінуванням стійких техногенних змін широкого спектра параметрів і властивостей ГС – геохімічних, гідрогеологічних, тектонічних та ін.);

3 бали – висока (практично повна зміна параметрів ГС під впливом комплексної сукупної дії техногенних факторів).

Проведені картографічні оцінки свідчать, що екзогенне техногенне навантаження є локальним чинником (в межах дії техногенного об’єкта) зниження захисної здатності ГС, який зумовлює незначний вплив його на формування УПВ.

Ендогенне техногенне навантаження, що має регіональний характер прояву в умовах закриття шахт внаслідок впливу автореабілітаційного підйому рівнів та активізації техногенного водообміну глибоких горизонтів зони повільного водообміну з прісноводними горизонтами ЗАВ, є головним чинником зростання УПВ та погіршення якісного стану підземних вод. Виконане з використанням ГІС-технологій поінтервальне зіставлення положення сучасної денної поверхні і глибин залягання “ретрорівнів” із кроком ітерації 0,25 м показало, що площі з критичним заляганням рівня (до глибини менше 3,0 м) і високим рівнем УПВ будуть становити додатково близько 30-50% територій практично всіх великих промислових міст Донецько-Макіївського і Центрального ВПР (міста Донецьк, Горлівка, Єнакієве та ін.) (дивись рисунок).

Прогноз глибин залягання рівнів підземних вод під час закриття шахт.

1 – менше 3,0 м; 2 – від 3,0 до 5,0 м; 3 – від 5,0 до 10,0 м; 4 – понад 10,0 м.

Таким чином, розроблена методика оцінки УПВ в умовах закриття й експлуатації шахт є одним з напрямів ефективної оцінки змін еколого-гідрогеологічних умов техногенно навантажених регіонів і може бути рекомендована як один з методів прогнозування зміни еколого-гідрогеологічних умов, а також виду картографічного моделювання для випереджуючого обґрунтування схем захисту територій під час закриття шахт.

Враховуючи значний вплив підйому рівнів підземних вод на зміни їх хімічного складу, техногенне формування еколого-геологічних умов і зростання УПВ при закритті шахт, варто проводити таки заходи:

•

•

В умовах масового закриття шахт принципово новим завданням моніторингу є комплексна оцінка змін екологічного стану ГС (формування зон підтоплення і затоплення, забруднення підземних вод, просідання денної поверхні над гірничими виробками, формування нових шляхів міграції вибухонебезпечних газів та ін.). Межі територій проведення режимних спостережень рекомендується координувати в основному з техногенними змінами ГС, зумовленими гідрогеологічним чи геохімічним впливом шахт, що закриваються (межи депресій рівнів підземних вод, атмогеохімічного перенесення забруднень та ін.). Враховуючи широкий комплекс змін екологічних параметрів ГС у зонах впливу закриття шахт, нами було запропоновано методологію створення та удосконалення системи моніторингу ГС на прикладі Донецько-Макіївського і Центрального ВПР за такими напрямами: моніторинг еколого-геохімічного стану техногенних і природних ландшафтів; моніторинг режиму рівнів і хімічного складу підземних вод; моніторинг небезпечних екзогенних геологічних процесів; моніторинг стану газогеохімічних полів; моніторинг геодинамічного стану породного масиву.

Таким чином, з огляду на провідну роль техногенних змін рівнів і хімічного складу підземних вод у перетворенні еколого-геологічних умов, вважаємо доцільним на основі даних моніторингу виконувати в подальшому попереднє комплексне прогнозування змін еколого-геологічного стану ГС, зокрема УПВ територій Донецько-Макіївського, Центрального і інших ВПР у процесі закриття шахт. На основі отриманих даних варто проводити вибір найбільш безпечних у просторово-часовому відношенні схем реструктуризації шахтного фонду в межах ВПР. Використання з цією метою оцінок УПВ дозволить підвищити соціально-екологічну ефективність природоохоронних заходів під час закриття шахт, а також виділити території, довгостроковий захист яких є недоцільним.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено методологію оцінки рівня і виду техногенного навантаження на підземні води. Встановлено основні природні і техногенні чинники, що характеризують рівень УПВ як показника екологічної безпеки під час експлуатації та закриття вугільних шахт. Вперше розроблено концепцію і картографічну модель регіональної оцінки та прогнозування УПВ з використанням ГІС-технологій на прикладі Донецько-Макіївського та Центрального ВПР в умовах експлуатації та закриття вугільних шахт. Визначено методологічні принципи та запропоновано напрями вдосконалення системи моніторингу ГС в умовах закриття шахт.

2. Техногенне навантаження на ГС Донецько-Макіївського та Центрального ВПР визначається екзогенною та ендогенною складовими впливу на стан підземних вод. Екзогенна складова має локальний характер і зумовлена надходженням забруднення з накопичувачів переважно шахтних, а також промислових стічних вод, накопичувачів твердих відходів вуглевидобування (териконів), ландшафтів, які забруднені повітряними викидами промислових підприємств та шкідливими залишками агрохімічних заходів. Дія ендогенної складової під час закриття шахт характеризується регіональним комплексним впливом на рівневий та якісний стан підземних вод і обумовлена надходженням вод високої мінералізації глибоких горизонтів у ЗАВ.

Закриття вугільних шахт призвело до суттєвої зміни в межах ВПР більш-менш врівноважених природно-техногенних умов, які сформувалися внаслідок впливу на ГС розробки вугільних родовищ. Тобто почали формуватись нові еколого-геологічні умови, що зумовлюють суттєвий негативний вплив на ГС.

Стійке додаткове погіршення еколого-гідрогеологічних умов та зростання екологічної небезпеки буде проявлятися у міру збільшення кількості закритих шахт, насамперед методом "мокрої" консервації, яка супроводжується накопиченням у гірничих виробках і зонах техногенної тріщинуватості великих обсягів високомінералізованих вод, що значно підвищує УПВ від дії внутрішнього чинника.

3. Під час експлуатації вугільних шахт УПВ визначається дією природних і екзогенних техногенних чинників, вплив яких проявляється у кардинальній зміні хімічного складу підземних вод з сульфатно-гідрокарбонатного кальцієвого на гідрокарбонатно-сульфатний натрієвий і підвищенні мінералізації з 0,6-1,0 до 3,0-5,0 г/дм3.

Відзначені регіональні зміни хімічного складу і мінералізації підземних вод дають можливість оцінити основний напрям перебудови еколого-гідрогеологічних умов під впливом техногенних факторів.

4. Через закриття вугільних шахт відбувається автореабілітаційний (за сталими природними механізмами) регіональний підйом рівнів підземних вод до природно-історичних абсолютних відміток у межах водоформуючих систем “вододіл – річкова мережа”, що зумовлює зростання УПВ, яка визначається погіршенням якості підземних вод та інженерно-геологічних умов освоєних територій.

Автореабілітаційний підйом рівнів підземних вод проявляє себе як головне порушення водно-балансової рівноваги в системі "вода – породний масив" і провідний регіональний ендогенний чинник, що зумовлює зростання УПВ і призводить до широкого комплексу змін структури гідрогеофільтраційних потоків, якості підземних вод та ін.

Додатковим негативним проявом автореабілітаційного підйому рівнів підземних вод є підтоплення, яке зумовлює зниження міцності ґрунтів у підвалинах будинків і споруд, осідання ґрунтів з подальшими деформаціями будівельних конструкцій.

5. Методологія удосконалення моніторингу ГС при закритті шахт забезпечується системним використанням принципів цілеспрямованості та оптимізації проведення спостережень. Основні напрями удосконалення системи моніторингу ГС у Донецько-Макіївському і Центральному ВПР такі: моніторинг еколого-геохімічного стану техногенних і природних ландшафтів; моніторинг режиму рівнів і хімічного складу підземних вод; моніторинг небезпечних екзогенних геологічних процесів; моніторинг стану газогеохімічних полів; моніторинг геодинамічного стану породного масиву.

Принцип цілеспрямованості спостережень орієнтований на одержання розрахункових параметрів, що визначають характер