Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современной структуры геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт 8
1.1 Обзор и анализ патентной и научно-технической литературы в области организации геоэкологического мониторинга 8
1.2 Характеристика природных условий района исследований 16
Выводы по главе 1 29
2 Экологические аспекты состояния природных ресурсов в зоне влияния подземных выработок действующих шахт 30
2.1 Влияние техногенных факторов действующих шахт на окружающую среду 30
2.2 Оценка влияния подземных работ на истощение запасов, загрязнение подземных и поверхностных вод 33
2.3 Исследование возникновения негативных преобразований природных ресурсов земной поверхности шахтных полей, их влияния на растительный и животный мир в результате проведения подземных работ 37
2.4 Оценка существующего загрязнения приповерхностной атмосферы и его влияние на лесную растительность района исследований 42
Выводы по главе 2 57
3 Основные положения методики геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт 58
3.1 Оценка влияния техногенных факторов закрываемых шахт на окружающую среду 58
3.2 Совершенствование структуры прогноза экологических последствий изменения гидро-геологических условий аквасферы 65
3.3 Особенности прогноза деформаций породного массива и их проявления на земной поверхности шахтных полей 72
3.4 Оценка прогноза экологических последствий изменения ландшафта исследуемой территории 76
3.5 Анализ экологических последствий изменений воздушных загрязнений подземной и приповерхностной атмосферы на толерантность растительных сообществ 83
3.6 Совершенствование структуры прогноза состояния биоресурсов леса для оценки воздействия загрязнений на лесные экосистемы 99
Выводы по главе 3 105
4 Совершенсвовлние форм нейтрализации негативных последствий закрытия шахт 107
4.1 Методика разработки мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт 107
4.2 Предлагаемая оптимальная организационная структура центра геоэкологического мониторинга горнодобывающего района 111
4.3 Разработанная методика оценки ущерба окружающей среде в зоне влияния подземных выработок шахт 113
Выводы по главе 4 129
Заключение 130
Библиография 132
- Обзор и анализ патентной и научно-технической литературы в области организации геоэкологического мониторинга
- Влияние техногенных факторов действующих шахт на окружающую среду
- Оценка существующего загрязнения приповерхностной атмосферы и его влияние на лесную растительность района исследований
- Оценка влияния техногенных факторов закрываемых шахт на окружающую среду
Введение к работе
АКТУ/ІЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время согласно Постановлениям Правительства РФ в угольной отрасли проходит реструктуризация, составной частью которой является закрытие неперспективных и особо убыточных шахт и разрезов. Шахта как горное предприятие подлежит ликвидации в соответствии с Законом РФ "О недрах" в случае обьек-тивной технико-экономической нецелесообразности выемки оставшихся запасов. На 01.01.2003 уже 211 закрыто, 21 проходят стадию закрытия, а в перспективе намечено закрытие еще 27 предприятий. Так, например, в районе исследований - на Ленинградском месторождении горючих сланцев закрыты две из трех шахт, входящих в состав ОАО "Ле-иинградсланец": им.С.М.Кирова и № 3. Добычные участки шахты № 3 вошли с 01.01.1996 в состав шахты "Ленинградская" как ее III район. На шахте им. СМ. Кирова добыча сланца не производится с 01.04.1998, поверхностный комплекс законсервирован.
При закрытии шахт нейтрализация экологических последствий горного производства приобретает особую остроту. Поэтому для геоэкологического прогноза состояния окружающей среды в зоне влияния подземных выработок и принятия на его основе управленческих решений необходима организация системы геоэкологаческого мониторинга по пята предметным областям, которым отвечают пять видов мониторинга: водных объектов; воздушной среды; породного массива; ландшафта; биоресурсов леса. Однако в настоящее время типовое положение о центре геоэкологического мониторинга в горнодобывающем районе в угольной отрасли отсутствует.
В диссертационной работе автором рассмотрен наиболее актуальный этап геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды территорий закрываемых шахт: геоэкологический прогноз состояния природных ресурсов в зоне влияния подземных выработок в ликвидационный и постликвидационный периоды. Совершенствование информационного и приборного обеспечения геоэкологического мониторинга, а также методы устранения негативных экологических последствий, в диссертационной работе не рассматриваются.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка методики геоэкологического прогноза и совершенствование организационной структуры мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния подземных выработок шахт (на примере Ленинградского месторождения горючих сланцев).
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в учете техногенных факторов, возникающих при закрытии шахт "мокрым" способом и отсутствовавших при их работе, для повышения эффективности проведения геоэкологического мониторинга с принятием управленческих решений,
направленных на нейтрализацию экологических последствий горного производства с целью сохранения окружающей среды в горнодобывающих районах. ОСНОВНЫЕ ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:
- исследовать закономерности влияния действующих и закрываемых шахт, установить факторы техногенного воздействия на окружающую среду, выявить их на примере Ленинградского месторождения горючих сланцев;
- изучить уровень и динамику накопления токсикантов в лесных экосистемах на основе биоиндикации леса;
- усовершенствовать организационную структуру геоэкологического мониторинга горнодобывающего района для ее оптимального функционирования в зоне влияния подземных выработок шахт;
- установить оптимальные границы зон проведения геоэкологического мониторинга на территории горнодобывающего района;
- разработать методику оценки ущерба окружающей среде в зоне влияния подземных выработок шахт.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ включают: методы теоретического обобщения, систематизации, индексного сравнительного анализа статистических опытно-практических данных, графоаналитический и матсматико-статистические методы оценки информации, методы корреляционного моделирования, в том числе регрессионного факторного анализа.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ЗАЩИЩАЕМЫЕ АВТОРОМ:
- проявляющиеся техногенные факторы в зоне влияния закрываемых шахт "мокрым" способом вызывают необходимость совершенствования организационной структуры геоэкологического мониторинга на основе предлагаемых современных методов оценки техногенных воздействий из-за затопления подземных выработок;
- комплексное изучение геомеханических, гидродинамических и биоморфологических нарушений в окружающей среде, вызываемых затоплением подземных выработок, позволяло провести качественную и количественную оценку литосферных, гидро-сферных, атмосферных и биоценотических видов загрязнений, возникающих при "мокром" способе закрытия шахт, а также дать прогноз по выявлению зон критических техногенных нагрузок на окружающую среду с целью ее сохранения в горнодобывающих районах;
- снижение негативного влияния на природные экосистемы, обеспечение их нормального существования при закрытии шахт "мокрым" способом возникло на основе разработки комплексных экологических мероприятий на базе предлагаемых методов оценки и про пюза состояния окружающей среды от воздействия подземных работ с целью установления контроля за многообразием проявления загрязнений, ухудшающих качество окружающей среды;
- оптимизация контроля устойчивости природных экотопов к техногенным воздействиям горнодобывающего района обеспечивается предлагаемыми усовершенствованной организационной структурой геоэкологического мониторинга, методикой оценки и прогнозом негативных проявлений и ущерба окружающей среде.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что впервые для района закрытия шахт:
- разработана и предложена методика геоэкологического прогноза изменений состояния окружающей среды;
- выявлены зоны дефолиации крон хвойных деревьев, дехромации и продолжительности жизни хвои сосны, лихеноиндикации эпифитных лишайников проективного покрытия ствола сосны и лесного мохового покрова от аэротехногенных воздействий, а также суммарной плотности выпадений элементов (Са, S, Fe) и катионов тяжелых металлов (Си, Pb, Zn) в год;
- обоснована и предложена оптимальная организационная структура геоэкологического мониторинга и установлены оптимальные границы зон его проведения на территории горнодобывающего района;
- установлены закономерности аэротехногенных загрязнений различного типа (пыли неорганической, азота диоксида, серы диоксида, углерода оксида, фенола) на лесные экосистемы и разработаны корреляционные модели объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с учетом временного фактора;
- сформулированы и предложены природоохранные требования применительно к конкретным компонентам окружающей среды для их прогноза при закрытии шахт;
- разработана и предложена структура типового центра геоэкологического мониторинга горнодобывающего района;
- разработана и предложена методика оценки ущерба окружающей среды территорий от техногенного воздействия проведенных подземных работ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в предлагаемой организации системы геоэкологического мониторинга в зоне закрытия шахт, а также в разработке методики оценки и прогноза воздействия техногенных факторов на окружающую среду, возникающих при затоплении подземных выработок; обосновании размеров зон проведения геоэкологического мониторинга; в формулировке основных природоохранных требований применительно к конкретным компонентам окружающей среды для их прогноза
при закрытии шахт; в предложении методики оценки ущерба окружающей среде в зоне
влияния подземных выработок закрываемых шахт.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ
подтверждается использованием и применением разработанных методов анализа, оценки и прогноза состояния окружающей среды, представительным объемом проектных и фактических данных, хорошей сходимостью фактических и прогнозируемых значений исследуемых показателей состояния лесных экосистем.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Выводы и результаты исследований использованы в рабочих проектах "Организация постоянного комплексного геоэкологического мониторинга на базе специализированного центра в районе г. Сланцы" (П8476-ОПЗ), выполненном ЗАО "СПб-Гипрошахт"; "Комплекс сооружений хозяйственно-питьевого водоснабжения г.Сланцы на базе водоотлива шахты им СМ. Кирова", выполненном СПб ГУП "Инженерный центр". Эти проекты включены в состав "Проекта ликвидации шахты им. СМ. Кирова ОАО "Ленинградсланец", выполненного ЗАО "СПб-Гипрошахт" и утвержденного в 2000 г. в Государственном учреждении по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ), подведомственном Минпромэнерго России. В настоящее время водопроводные очистные сооружения сданы в эксплуатацию в конце 2004 г., а по специализироваї и юму цеі пру - закончеі іа разработка рабочей докумеї ггации. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные и отдельные положения работы, разработанные в процессе ее выполнения, докладывались на международном семинаре: "Оценка состояния бо-реальных лесов на северо-западной части Европы (Россия - США, ПАСА, Санкт-Петербург, июнь 2001 г.); на Всероссийском научно-техническом семинаре "Научно-методическое обеспечение мониториигов угольных бассейнов и месторождений России" (г.Ростов-на-Дону, сентябрь 2001 г.), на международной конференции "Проблемы рекультивации нарушенных земель промышленностью на рубеже XXI века" (Санкт-Петербург, июнь 2002 г.). В целом работа докладывалась на техническом совете ЗАО "СПб-Гипрошахт", ученом совете Центра ИНЭНКО РАН и расширенном заседании кафедры инженерных мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды государствен-.ного образовательного учреждения Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА РАБОТЫ заключается:
- в постановке цели работы, задач исследований и их методическом обеспечении;
- в разработке методики геоэкологического прогноза состояния территорий в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт;
- в обосновании и определении границ зон проведения геоэкологического мониторинга для района закрытия шахт;
- в разработке корреляционных моделей и установлении зависимостей объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с учетом временного фактора, а также между аэротехногенным загрязнением лесных экосистем муниципального образования (МО) "Сланцевский район", интенсивностью загрязнения и расстоянием от объекта загрязнения; в разработке организационной структуры геоэкологического мониторинга в зоне влияния закрываемых шахт;
- в разработке структуры типового центра геоэкологического мониторинга горнодобывающего района;
- в разработке методики оценки ущерба окружающей среде в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт (на примере шахт им. СМ. Кирова и № 3 ОАО "Ленинград сланец").
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации автором опубликовано девять научных работ. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Изложена на 137 страницах машинописного текста, содержащих 35 рисунков, 23 таблицы и библиографию из 82 наименований.
Обзор и анализ патентной и научно-технической литературы в области организации геоэкологического мониторинга
В результате обзора и анализа патентной и научно-технической литературы в области организации и проведения геоэкологического мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния подземных выработок закрываемых шахт выделены следующие аспекты.
Проблемы научной организации и проведения геоэкологического мониторинга окружающей среды нашли отражение в трудах ученых и специалистов различных стран еще в прошлом веке. Впервые в СССР в конце восьмидесятых годов прошлого века академик Ю.А. Израэль [23] предложил научно-обоснованную систему контроля состояния окружающей среды, выделения антропогенных изменений на фоне естественных колебаний, представил современную точку зрения на глобальные проблемы биосферы. С экологических и геофизических позиций автор изложил концепцию мониторинга и регулирования состояния окружающей среды, оценил допустимость антропогенной нагрузки на среду с учетом ее экологического резерва и экономических аспектов. Анализируя критические антропогенные воздействия и их последствия он обосновал пути решения экологаческих проблем, сформулировал основные задачи и схему мониторинга, привел его классификацию, подробно описал экологический и климатический мониторинг, пути реализации.
Дальнейшее научное развитие основ мониторинга окружающей среды было дано в трудах академиков И.П. Герасимова, М.С. Гилярова и В.Е. Соколова.
Академик И.П. Герасимов [12] предложил систему слежения за биохимическими циклами миграции веществ в биосферном (глобальном) и геосистемном (региональном) мониторинге. Академик М.С. Гиляров [13] рассматривал почвенных беспозвоночных как объект экологического мониторинга. Академик В.Е. Соколов [69] разработал основы биологического мониторинга.
Профессор, д.физ.-мат.н. М.Е. Берлянд [6] на II Международном симпозиуме, посвященном комплексному глобальному мониторингу загрязнения окружающей среды (Тбилиси, октябрь 1981 г.), обосновал взаимосвязь глобального и локального мониторинга загрязнения атмосферы. Наблюдениям за факторами воздействия (главным образом, антропогенных) д.б. уделено самое пристальное внимание. Трудно проанализировать состояние окружающей среды, выявить причины изменений в ней без тщательного изучения факторов воздействия - различных загрязняющих веществ, излучений и т.д.
В.Н. Василенко и др. [8] даны физико-химические основы созданного в стране при участии авторов нового направления контроля состояния окружающей среды-мониторинга загрязнения снежного покрова для инвентаризации выбросов предприятий и контроля загрязнения на импактном, региональном и глобальном уровнях. Снежный покров обладает рядом свойств делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почвы. При образовании и выпадении снега в результате процессов сухого и влажного вымывания концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается обычно на 2-3 порядка величины выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому измерения содержания этих веществ могут производиться достаточно простыми методами и с высокой степенью надежности. Одна проба по всей толще снежного покрова дает представительные данные о его загрязнении в период от образования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы.
В последующие годы решением отдельных проблем и вопросов, связанных с охраной окружающей среды и восстановлением нарушенных земель в зоне подземных горных работ, занимались российские ученые: В.А. Алексеев, А.Б. Бабенко, М.Е. Берлянд, II.П. Васильева, Н.Г. Гольцова, В.Н. Земисев, Л.П. Капелькина, А.П.Красавин, А.С. Левин, С. Лийв, Л.А. Лесников, Г.И. Махошша, В.А. Мироиенко, В.А. Мощанский, М.А. Пашкевич, В.М. Питулько, А.А. Харионовский, В.Т. Ярмишко. Однако работы этих авторов касались действующих горных предприятий и не учитывали специфику закрытия угольных (сланцевых) шахт.
Для Прибалтийского сланцевого бассейна д.т.н. В.Н. Земисевым [41] установлены оптимальные параметры процесса сдвижения (углы сдвижения), определяющие на земной поверхности границы зон вредного влияния с различной степенью нарушенное пород и соответствующие им величины деформации (оседания, наклоны, кривизна, горизонтальные сдвижения).
К. г-м.н. А.С. Левиным [34] для Прибалтийского сланцевого бассейна предложена методологическая последовательность оценки и прогноза техногенных изменений массива горных пород. Нарушенный горными работами массив представляет собой геолого-промышленную систему, где изменения свойств горных пород происходит под воздействием техногенных процессов. На этой основе разработан внеэкономический локальный и региональный прогноз изменений. К.г-м.н. В.Л. Мощанским [44] рассмотрены методики прогнозирования изменений геологической среды, предложены научно-методические основы типологического районирования и типизации ее изменений, подходы к оценке загрязнения геологической среды под влиянием горнодобывающей промышленности, а также методические рекомендации по разработке прогнозов изменений геологической среды при антропогенном воздействии.
Д.б.н. Д.С. Орлов и В.Д. Василевская [47J рассмотрели разрушение почвы в горнопромышленных районах; техногенные процессы физической деградации и дегумифика-ции почвы, ее эрозию и дифляцию; антропогенное опустынивание. Согласно классификации ФАО-ЮНЕП выделяются следующие типы опустынивания: деградация растительного покрова; ветровая и водная эрозия; разрушение почвенной структуры; сокращение содержания гумуса в почве; засоление и осолонцеванне почвы; заболачивание; увеличение количества токсических веществ в их составе.
Членом - корреспондентом АН СССР, д.т.н. В.А. Мироненко [42] проанализирован опыт гидрогеологических исследований, ориентированных на охрану и рациональное использование подземных вод в районах интенсивного развития горных работ. На примере крупного горнопромышленного района автором разработаны рекомендации по рациональному использованию вод, откачиваемых дренажными системами шахт и разрезов, и дано обоснование соответствующих контрольно-предупредительных мероприятий, выбор зоны санитарной охраны водозаборов, планирование геофильтрационных и гидрохимических наблюдений и пр. По мере проведения подземных горных работ вокруг шахт образуются постоянно увеличивающиеся по площади депрессионные воронки, продолжается загрязнение подземных вод.
К. т. н. А.А. Харионовским [74] выполнены экспериментальные исследования очистки шахтных вод с использованием способов напорной флотации и электрофлотации. Полученные данные позволили провести сравнение этих способов с применяемыми в настоящее время на шахтах: тонкослойным отстаиванием и осветлением в слое взвешенного осадка. Сравнение показало, что напорная флотация и электрофлотация по основным технологическим параметрам значительно превосходят традиционные способы.
Влияние техногенных факторов действующих шахт на окружающую среду
Территория МО "Сланцевский район" является объектом повышенного техногенного воздействия. Основными источниками техногенеза являются предприятия, входящие в состав Сланцевского промышленного района. Наиболее крупные из них: ОАО "Ленин градсланец", сланцеперерабатывающий завод ОАО "Завод "Сланцы" и ОАО "Сланцевский і ; цементный завод "Цесла" имеют выраженную сырьевую направленность. На шахтах ОАО
"Ленинградсланец", расположенных в районе г. Сланцы, с 1934 г. производится совмест-; пая добыча и обогащение двух полезных ископаемых: сланца и известняка. В последние годы прошлого века шахтный фонд включал три горных предприятия, характеристика которых приведена в табл. Головное предприятие акционерного общества - ш. "Ленинградская".
Дополнительно на месторождении детально разведано три геологических участка -резерв для строительства двух новых предприятий: участок "Северный" для шахты "Кировская" (запасы 376 млн. т, проектная мощность 5,0 млн. т в год) и участок для разреза "Междуречье" (запасы 247 млн. т, проектная мощность - 4,2 млн. т в год), а также участок "Восточный" являющийся резервным для компенсации отрабатываемых запасов ш. "Ленинградская", их границы показаны на рис. 1.1. Выпускаемая предприятиями ОАО "Ленинградсланец" продукция: - энергетический сланец (необогащенный отсев крупностью 0-25 мм), экспортируемый в Республику Эстония и используемый на собственные нужды для пылевидного сжигания в котельной шахты III района ш. "Ленинградская"; - технологический сланец (концентрат крупностью 25-125 мм), поступающий на переработку на ОАО "Завод Сланцы"; - щебень строительный, поставляемый для дорожных покрытий строительным организациям Санкт-Петербурга и Ленинградской области; плитка облицовочная, надгробные памятники. Динамика добычи горной массы на шахтах за период 1970-2000 гт. представлена на рис. . На гистограмме видно, что с начала девяностых годов прошлого века произошло резкое сокращение объемов добычи сланца с 3300,7 тыс. т (1994 г.) до 1676,5 тыс. т (2000 г.), т.е. на 49,2 %. Производство щебня за те же годы сократилось с 1650 до 133 тыс. мэ, т.е. на 91,9 %. Производственная деятельность предприятий угольной промышленности многие десятилетия приводила к существенному воздействию на окружающую среду, включая нарушения земель и накопление большого количества твердых отходов угольного (сланцевого) производства. Эта величина зависит от: масштаба и технологии добычи угля (сланца); параметров подземных и поверхностных сооружений.
Основные техногенные факторы воздействия действующих шахт на окружающую среду, непосредственно связанные с подземной добычей и обогащением угля (сланца), приведены в табл. 3.1. Из нее следует, что основными техногенными факторами являются: нарушение естественного гидрогеологического режима на подрабатываемых и прилегающих к ним площадях; изменение гидрологического и термического режимов, химического состава воды водных объектов; деформация земной поверхности; загрязнение приповерхностной атмосферы выбросами шахтной вентиляции; изменение растительного и животного мира; занятие земель; создание техногенных ландшафтов.
В обводнении Ленинградского месторождения принимают участие подземные воды водоносных горизонтов, залегающих выше промпласта сланца. Однако ведение подземных работ оказывает значительное влияние лишь на режим трех из них: везенбергского, итфер-ско-кукерского и таллинского. В выше- и нижележащих горизонтах это влияние несущественно и проявляется только в форме питания дренируемых горизонтов в зонах естественных и искусственных дефектов сплошности массивов разделяющих водоупоров.
Развитие подземных работ привело к существенному изменению естественного гидродинамического режима подземных вод и образованию депрессионной воронки площадью 2352 км2 [59]. Депрессионная воронка имеет овальную форму, вытянутую в соответствии с отработанными площадями горных работ с ЮЗ на СВ размером 56 км и с СЗ на ЮВ размером 44 км (при среднем радиусе 27,3 км).
В результате подработки и пересечения водоносных горизонтов подземными выработками, скважинами, тектоническими трещинами подземные воды дренируют в подземные выработки шахт. Собираясь в канавках и приямках шахтные воды загрязняются. Из приямков они откачиваются насосами на поверхность для отвода в поверхностные водотоки. Осушение горных выработок осуществляется с помощью водоотлива с суммарной производительностью 50 тыс. м3/сут. Значительную сложность в эксплуатацию месторождения вносит карст, развитый по трещинам северо-восточного простирания, по которому происходят прорывы подземных вод в подземные выработки (зафиксировано более 50-ти крупных прорывов подземных вод) [22]. Гистограмма распределения объема сброса шахтных вод (в млн. м3) в р. Плюсса по годам представлена на рис. 2.2. Увеличение сброса шахтных вод в 1993 г. и 1999 г. объясняется дождливым летом и снежной зимой, что привело к увеличению фильтрации поверхностных вод в подземные выработки шахт, а также прорывами подземных вод в подземные выработки. Существовавшая природная гидрохимическая зональность в результате интенсивного ведения подземных работ нарушается.
Оценка существующего загрязнения приповерхностной атмосферы и его влияние на лесную растительность района исследований
Дехромация. Из рис. 2.11 видно, что наибольшая дехромация - изменение окраски хвои более 10 % характеризует лесное обрамление Нарвского водохранилища, на которое воздействуют эстонские ГРЭС и Сланцевский промышленный район. Кроме того, локальное повышение дехромации до 10 % и выше наблюдается в лесах в местах пройденных низовыми пожарами. При этом пострадали в большинстве случаев отставшие в росте деревья и деревья с низко опущенной кроной. Средний показатель дехромации по МО "Сланцевский район" составляет 10%, что превышает показатель по Ленинградской области (7,4 %) [52].
Дехромация и дефолиация являются взаимовлияющими параметрами. Более точно проявляет источники загрязнения дехромация, при определении значений которой используется не только экспертная оценка, но и глазомерно измеряемый признак - цвет хвои. Продолжительность жизни хвои. Из рис.2.12 видно, что на исследуемой территории прослеживается широкая (20-30 км) полоса северо-восточной ориентировки, где продолжительность жизни хвои не превышает 2,9 года. Минимальной продолжительностью жизни обладает хвоя леса северной периферии г. Сланцы (2-2,5 года). Средняя продолжительность жизни хвои сосны по Ленинградской области составляет 3 года [52]. Повреждение и преждевременное опадение хвои заметно снижает ее запасы на дереве и долю участия в надземной фитомассе, а также увеличивает ажурность крон. Среднее содержание серы в хвое в МО "Сланцевский район" - 1460 мг/кг [52]. Способностью активно накапливать катионы тяжелых металлов наряду с хвоей сосны обладают лесные мхи и эпифитные лишайники.
Достигающая поверхности почвы пыль задерживается слоем лесной подстилки. Здесь же накапливаются токсические вещества, поступающие с ежегодным опадом. В процессе разложения подстилки содержащиеся в ней микроэлементы поступают в верхний, перегнойный горизонт почвы, где и накапливаются. Из почвы катионы тяжелых металлов активно поглощаются корневыми системами деревьев и аккумулируются в их органах. Повышенное содержание соединений тяжелых металлов в органах сосны, изменение соотношения между концентрацией отдельных элементов в ее тканях приводит к нарушению нормального течения физиологических процессов и является одной из основных причин повреждения и преждевременного усыхания древостоя.
Лесной моховой покров. Образован обычно трех-пятилетними побегами. Содержание катионов тяжелых металлов в нем отражает среднюю экспозицию за данный период времени. Общий уровень загрязнения лесных мхов катионами тяжелых металлов исследуемой территории можно оценить как начальный (Zc- менее 3) [52]. Сравнение однотипных данных по хвое и мхам показывает, что среди рассматриваемых катионов тяжелых металлов тенденция к преимущественному накоплению в лесных мхах особенно выражена для небиогенных элементов: Сг- в б раз, Рв, V, Ni - в 3,5-4 раза. Для биогенных элементов: Си, Zn - концентрация в лесных мхах выражена менее контрастно - в 1,5-1,8 раза.
Эппфитпые лишайники сосны. Зонирование исследуемой территории по количеству встречающихся видов эпифитных лишайников проективного покрытия ствола сосны обыкновенной из рекомендованного набора 12 диагностических видов приведено на рис. 2.13. В загрязненных местах отмечено как сокращение проективного покрытия эпи-фитными лишайниками стволов сосен, так и сокращение общего числа видов - обитателей коры сосны. Зоной "лишайниковой пустыни" ( 1 вида) обозначено лесное обрамление Нарвского водохранилища. Аномально высокие выпадения частиц пыли привели к изменению кислотности ненарушенной коры сосны до рН = 7 (нормально рН = 4), что сделало возможным поселение на ней эвтрофных лишайников родов Ксантория и Фисция. Данные лишайники вследствие высокой кислотности ненарушенной коры сосны при норме на ней не встречаются. Такое локально наблюдаемое заселение деревьев патологической флорой лишайников отмечено из всей территории Ленинградской области лишь еще в районе Черновского - Прилум (22-35 км на СВ от г. Сланцы или 25 км от Эстонской ГРЭС на В, ЮВ).
О значительных эмиссиях аэротехногенных загрязнений также свидетельствует наличие на стволах сосен бурых водорослей Trentepolia umbrina (водоросли имеют красную окраску), что сопровождается значительным сокращением числа видов лишайников -эпифитов (или даже полным их отсутствием) вокруг г. Сланцы до 15 км в южном направлении, до 20 км - в северном направлении от города. Наиболее благоприятными условиями (7-10 и более видов) отмечается восточная часть исследуемого района.
Приведенные выше данные иногда противоречат друг другу. Однако, необходимо учитывать, что лишайники и мхи освещают приземные условия, а остальные биоиндикационные показатели характеризуют условия на высоте 20-25 м от земли. Кроны деревьев - подвержены воздушным загрязнениям круглый год. Лишайники и мхи "страдают" от токсикантов, в основном, только в теплый сезон. Ранговая корреляшія между распространением ряда токсикантов в изученных средах и биоиндикационными показателями приведена в табл.
Приведенная в табл. 2.6 ранговая корреляция между распространением ряда токсикантов в изученных средах и биоиндикационными показателями показала как хорошую сходимость результатов наблюдений, так и значительность нарушений от аэротехногенного загрязнения атмосферного воздуха.
Исследованы основные техногенные факторы воздействия подземных выработок действующих шахт на окружающую среду: изменение гидрогеологического режима водоносных горизонтов и прилегающих к нему площадей; изменение гидрологического режима и химического состава воды поверхностных водных объектов; деформаций земной поверхности; загрязнение приповерхностной атмосферы выбросами шахтной вентиляции; занятие земель; создание техногенных ландшафтов; изменение растительного и животного мира.
Оценка влияния техногенных факторов закрываемых шахт на окружающую среду
Шахта как горное предприятие подлежит ликвидации в соответствии с требованиями Закона РФ [72] в следующих случаях: при исчерпании балансовых запасов и невозможности их прирезки в пределах прилегающих площадей; при невозможности дальнейшей отработки запасов по горногеологическим, гидрогеологическим условиям или условиям безопасности; в случае технико-экономической нецелесообразности выемки оставшихся запасов. Применяются два способа закрытия: "сухой" и "мокрый". При "сухом" способе сохраняется система подземных выработок, их проветривание и шахтный водоотлив. Техногенные факторы при закрытии аналогичны действующим шахтам. При "мокром" - происходит полное (или частичное) затопление подземных выработок. При этом можно выделить два варианта условий затопления шахт, обусловленных горными и гидрогеологическими условиями: - одиночные, обособленно расположенные шахты; - закрываемые шахты, соседствующие с эксплуатируемыми. По данным [55] следует, что на 01.01.2003 г. из 198 ликвидированных шахт 195 закрыты "мокрым" способом и только 3 - "сухим", что вызвано большими эксплуатационными затратами на поддержание подземных выработок, проветривание и водоотлив. Так из трех шахт ОАО "Ленинфадсланец" закрыто две: № 3 и им. СМ. Кирова. Добычные участки ш. № 3 вошли с 01.01.1996 в состав ш. "Ленинградская" как ее III район. На ш. им. СМ. Кирова добыча сланца не производится с 01.04.1998, поверхностный комплекс законсервирован. Закрытие шахт вызвано, в основном, нестабильностью экспорта энергетического сланца в Республику Эстония для Прибалтийской ГРЭС.
Основные техногенные факторы, влияющие на развитие негативных экологических последствий закрытия подземных выработок на окружающую среду приведены в табл. 3.1. Из нее следует, что с закрытием шахт "мокрым" способом возникает ряд новых техногенных факторов, отсутствующих при ведении работ на действующих шахтах и связанных с угрозой здоровью людей и окружающей среде.
Технологический процесс Воздействие технологического процесса Основные техногенные факторы, влияющие на развитие негативных экологических последствий Действующая шахта Закрытая шахта при "сухом" способе закрытия при "мокром" способе закрытия Осушение шахтного поля Понижение естественного уровня подземных водоносных горизонтов, приток воды в горные выработки и ее загрязнение Нарушение естественного гидрогеологического режима на подрабатываемых и прилегающих к ним площадях Сохраняется Отсутствует Откачка шахтных вод на поверхность Сброс шахтных под в водные объекты Изменения гидрологического и термического режимов, химического состава воды водных объектов Сохраняется Отсутствует
Проведение подземных горных выработок и добыча горной массы Извлечение полезного ископаемого(уголь, сланец). Потери при добыче,в целиках и эксплуатационные Нарушение равновесного состояния массива горных пород; изменение рельефа земной поверхности над горными выработками Отсутствует Отсутствует Работа шахтной вентиляции Проветривание горных выработок Загрязнение приповерхностной атмосферы Сохраняется Отсутствует Ппопопжение таблицы 3. 1 2 3 4 5 Выдача на поверхность и обогащение горной массы Работа поверхностного технологического комплекса, отсыпка шахтных отвалов Занятие земель; создание техногенных ландшафтов; загрязнение приповерхностной атмосферы и почвенно-растителыгаго слоя выбросами с шахтных отвалов и ОФ Рекультивация шахтных отвалов Рекультивация шахтных отвалов
Прекращение водоотлива из горных выработок Затопление горных выработок Отсутствует Отсутствует Повышение водонритоков и прорывы шахтных вод в шахты, соседние с закрываемой; резкое ослабление дренажа водоносных горизонтов и элементов поверхностной гидросети; загрязнение подземных водоносных горизонтов, в т.ч. используемых для хоз-питьевого водоснабжения; подтопление и заболачивание земной поверхности грунтовыми водами; ухудшение водно-солевого баланса почвы. Вытеснение на поверхность "мертвого" воздуха, токсичных и радиоактивных газов, загрязнение приповерхностной атмосферы "Эффект поднятия земной поверхности"; проявления техногенных землетрясений силой до 4-х баллов по шкале Рихтера с\
Прекращение проветривания горных выработок Нарушение равновесного состояния горного массива; образование "мертвого воздуха"; обогащение подземной атмосферы токсичными и радиоактивными газами Отсутствует Отсутствует 61 Прекращение водоотлива из подземных выработок закрываемых шахт сопровождается затоплением их выработанного пространства, подъемом уровня шахтных вод к гипсометрическому положению подземных вод, существовавшему до начала осушения. В результате этого их уровень может подняться выше первоначального, вплоть до выхода шахтных вод, перенасыщенных вредными веществами, в т.ч. катионами тяжелых металлов, на поверхность. Подъем уровня подземных вод может привести: к подтоплению и заболачиванию земель; снижению несущей способности и разрушению фундаментов, деформации зданий и сооружений; ухудшению водно-соляного баланса почвенно-растительного слоя; загрязнению подземных водоносных горизонтов, в т.ч. используемых для хоз.-питьевого водоснабжения; усилению загрязнения подземных и поверхностных вод; повышению водопритоков и прорыву шахтных вод в подземные выработки шахт, соседних с затопленной; изменению рельефа поверхности за счет "эффекта поднятия земной поверхности"; проявления техногенных землетрясений силой до 4-х баллов по шкале Рихтера.
В связи с прекращением проветривания в образованных в результате подземных работ полостях скапливаются в значительных количествах горючие газы метанового ряда, а также азот и углекислый газ. Как только шахта перестает работать в выработках начинают шить деревянные крепи, связывается кислород и образуется "мертвый воздух". При этом появляется опасность его выхода из подземных выработок на поверхность и проникновению в подваты зданий, колодцы теплотрасс, что может привести к гибели людей, угнетающе действует на флору и фауну.
