Перспективи експлуатації рекультивованих земель в умовах степу України

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 504.53

Перспективи експлуатації рекультивованих земель в умовах степу України

М.М. Харитонов

Дніпропетровський державний аграрний університет, Дніпропетровськ

Ефективним способом економії води в умовах землеробства без зрошення на рекультивованих відвалах та шламосховищах є використання у якості складаючої штучний профіль підстилаючої породи глинистого водоопору з високим вмістом монтморіллоніту. Зроблена оцінка зміни рівня грунтових вод та особливостей рельєфу рекультивованого відвалу після початку гідромеліоративних робіт.

Еффективным способом экономии воды в условиях земледелия без орошения на рекультивированных отвалах и шламохранилищах является использование в качестве составляющей искусственный профиль подстилающей породы глинистого водоупора с высоким содержанием монтмориллонита. Проведена оценка изменения уровня грунтовых вод и особенностей рельефа рекультивированного отвала после начала гидромелиоративных работ.

Розробка кар'єрів, шахт, шламо- і хвостосховищ пов'язана з переміщеням великої кількості гірських порід та родючого чорноземного шару. У якості мір реставрації території були запропоновані та впроваджені технології гірничотехнічної, біологічної та сільськогосподарської рекультивації порушених земель. монтморіллоніт зрошення землеробство

Переважним чином, впровадження цих технологій іде в умовах без зрошення. Приймаючи до уваги, що степова зона України давно вважається зоною ризикового землеробства саме внаслідок дефіциту опадів, стає зрозумілим необхідність розробки технологій рекультивації, які могли б зняти це обмеження. Використання штучного водоопору при формуванні штучного профілю рекультивованих земель можна розглядати як маловитратну технологію економії води для зрошення.

Особливе місце під час відкритого видобутку корисних копалин займають ландшафтно-відновлювальні роботи, оскільки вони супроводжуються одночасним підвищенням і пониженням висотних відміток місцевості. Підвищення відміток місцевості відбувається за рахунок утворення зовнішніх відвалів. Планувальні роботи призначені забезпечити утворення рельєфу поверхні відвалів з уклонами, які припускають використання сільськогосподарської техніки. Для підготовки відвалів до проведення рекультиваційних робіт необхідно знати період їх стабілізації після осідання поверхні. Виходячи з умов формування відвалів та рівню їх просадки були установлені терміни стабілізації відвалів та початок рекультивації. За даними В,Д.Горлова [1], період між закінченням утворення відвалу і початком робіт з рекультивації відвальних площ на різних кар'єрах коливається у межах 0,5-5 років. Повна стабілізація відвалів відбувається за 15-20 років, але найбільше осідання ґрунту - у перші 2 роки [2]. Зокрема, на Запорізькому кар'єрі Орджонікідзевського ГЗК (при верхній та нижній відсипці порід та височині відвалу 65 м) осідання ґрунту у перші 2 роки після формування відвалу становило 1,0 м [3]. Відомо, що через 25 років сільськогосподарського використання різниця між відмітками рекультивованої відвалу на Запорізькому кар'єрі коливалась від 0,2 до 2,5м [4]. Разом тим, за даними В.С.Ескіна [2], у посушливе літо на не спланованих піщаних ґрунтах утворюються кращі умови для росту і виживаємості рослин, ніж на не спланованих. Ураховуючи перспективи застосування зрошення для підвищення темпів біологічної рекультивації відвалів особлива увага була приділена розрахункам рівню ґрунтових вод та оцінці осідання поверхні через рік після початку гідромеліоративних робіт.

Методика досліджень

Рентгенівський фазовий аналіз орієнтованих препаратів глинистих мінералів до та після обробки етиленгликолем, а також після випалення при температурі 550 0C виконували з використанням обладнання HZG-4. Значення польової вологи та максимальної гігроскопічності ґрунту та гірських порід визначали термостатно - ваговим методом.

Результати досліджень

Вивчення основних водно-фізичних властивостей ґрунтової маси чорнозему південного та гірських порід Нікопольського МРБ та Керченського ЗРР було пов'язане з оцінкою гранулометричного складу, польової вологи, максимальної гігроскопічності, питомої ваги, вмісту глинистих мінералів субстратів. Дані оцінки вмісту мулу та фізичної глини в ґрунті та гірських породах Нікопольського МРБ наведені на рисунок 1.

Рисунок 1 - Вміст мулу та фізичної глини в ґрунті та гірських породах Нікопольського МРБ: 1- чернозем південний; 2 - лесоподібний суглинок; 3 - червоно-бурий суглинок; 4 - червоно-бура глина; 5 - сіро-зелена глина; 6 - темно-сіра глина; 7 - давньоалювіальний пісок; 8 - зелена безкарбонатна глина

Досліджувані осадові відклади породи, за виключенням лесоподібного та червоно-бурого суглинків (середньосуглиністі), давньоаллювіального піску (супісь) та темно-сірої глини (важкосуглиниста) - середньоглинисті. За вмістом ”фізичної глини” ґрунтова маса чорнозему південного - легко глиниста, а суглинки та гліни - середньо- та важкоглинисті.

Відклади давньоалювіального піску характеризуються як супісь, а піщано-глинисті відклади та шлам залізної руди - легкоглиністі. Рентгенівський фазовий аналіз орієнтованих препаратів глинистих мінералів дозволив визначити якісний та кількісний склад глинистих мінералів ґрунту та порід Нікопольського МРБ (рисунок 2).

Рисунок 2 - Вміст глинистих мінералів у чорноземі південному та гірських породах Нікопольського МРБ

Установлено, що переважаючими мінералами у мулистій фракції грунту та порід є гідрослюда, монтморілоніт та каолініт.

Аналіз отриманих діфрактограм дозволяє стверджувати, що на відміну від каолініту, гідрослюда та монтморілоніт у більшості зразків гірських порід знаходяться у вигляді змішаношарових утворень. Найбільш забезпечені гідрослюдою та монтморілонітом сіро-зелена, зелена безкарбонатна, червоно-бура та темно-сіра глини.

Рентгенівський фазовий аналіз зразків ґрунту, гірських порід та субстратів Керченського ЗРР наведено на рисунок 3.

Рисунок 3 - Вміст глинистих мінералів у чорноземі південному та глинистих мінералах Керченського ЗРР. Умовні позначення: ЧП-чорнозем південний, ЛС-лесоподібний суглинок, СЗГ-сіро-зелена глина, ПГВ-піщано-глинисті відклади, РП- рудовміщуюча порода

Установлено, що переважними мінералами в грунті та субстратах гірських порід ряди за зменшенням виглядають наступним чином:

а) за вмістом каолініту (%) - сіро-зелена глина (17,80, чорнозем південний (15,2), лесоподібний суглинок (4,7), піщано-глинисті відклади (2,6), рудовміщуюча порода (1,81), шлам залізної руди (0,70);

б) за вмістом гідрослюди (%) - чорнозем південний (25,7), сіро-зелена глина (14,1), лесоподібний суглинок (7,1), рудовміщуюча порода (3,1), піщано-глинисті відклади (2,3), шлам залізної руди(1,5); в) за вмістом монтморіллоніту (%) - рудовміщуюча порода (39,2), сіро-зелена глина (28,1), лесоподібний суглинок (10,7), чорнозем південний (10,2), шлам залізної руди (9,8), піщано-глинисті відклади (7,4). Оптимальне співвідношення глинистих мінералів, забезпечує достатньо високу ємність поглинання сіро-зеленій глині. Це надає можливість розглядати цю породу як перспективний водоопір при створенні штучного грунтово-екологічного профілю під час рекультивації земель.

Отже, за необхідне було визначитись з такими фізичними параметрами ґрунту та гірських порід, як польова волога та максимальна гігроскопічність (рисунок 4).

Рисунок 4 - Характеристика ґрунту та гірських порід Нікопольського МРБ за вмістом польової вологи та максимальної гігроскопічності (Позначення див. до рисунка 1)

Рисунок 5 - Характеристика гірських порід Керченського ЗРР за вмістом польової вологи та максимальної гігроскопічності

Як виходить із порівняння отриманих даних найбільшим рівнем накопичення вологи відзначались червоно-бура, сіро-зелена та зелена безкарбонатна глини.

Характеристика гірських порід Керченського залізорудного родовища(ЗРР) за вмістом польової вологи та максимальної гігроскопічності наведена на (рисунок 5).

Рудовміщуюча порода та сіро-зелена глина відрізняються найбільшим рівнем польової вологи та максимальної гігроскопічності. Вочевидь, що це пов'язане з підвищеною кількістю мулистої фракції та монтморилоніту у цих гірських породах. Визначення ефективності різних варіантів (штучних профілей) рекультивованих земель потребують проведення стаціонарних експериментальних досліджень. Результати оцінки профільного розподілу вологи в суміші лесоподібних, червоно-бурих суглинків та червоно-бурих глин, що отримані на новому спланованому полі Оржонікідзевського стаціонару, наведені на рисунку 6.

Рисунок 6 - Профільний розподіл вологи в суглинках (1) та червоно-бурих глинах (2)

Переважання червоно-бурих глин над суглинками за кількістю польової вологи майже в 1,5 рази свідчить на користь їх потенційних водоопорних властивостей. Дані щодо профільного розподілу вологи в варіантах рекультивації з насипним шаром чорнозему (НШЧ) 50см + ТСГП (технічна суміш гірських порід) та НШЧ80см+ ТСГП наведені на рисунок 7.

Рисунок 7 - Профільний розподіл вологи в варіантах рекультивації НШЧ50 + ТСГП (1) та НШЧ80 + ТСГП (2)

Більший уклін лінії (1) пов'язаний із накопиченням вологи у технічній суміші гірських порід у варіанті НШЧ50 + ТСГП. Отже, для підвищення водоопорних властивостей перспективним вважається нанесення прошарку сіро-зеленої глини або рудовміщуючої породи на відвал, що складається з технічної суміші гірських порід.

Прогноз динаміки рівня ґрунтових вод у випадку застосування штучного водоопору

Прогноз динаміки рівню ґрунтових вод у випадку застосування штучного водо опору був виконаний для умов південного (сухого) і північного Степу України з урахуванням різниці О (опади) - В (випаровування). У більшому ступені розрахунки виконані для Камиш-Бурунського, Орджонікідзевського, Павлоградського, Криворізького, та Вольногорьського стаціонарів рекультивації порушених земель, де наприкінці 80-х років були закладені додаткові блоки - варіанти штучних профілів рекультивації з водоопором. На Камиш-Бурунському стаціонарі рекультивуємих земель додаткова серія експериментів була закладена зі штучними водоопорами - поліетиленовою плівкою (ПЕП) та сіро-зеленою глиною. Зокрема, в мікро польовому досліді з кукурудзою у варіанті, де метрова товща лесоподібного суглінку була нанесена на 40-см шар сіро-зеленої глини, приріст урожаю кукурудзи на глинистому водоопорі був у 1,5 раза більше, ніж у варіанті з ПЕП. Оцінка ефективної родючості відсипаних на лесоподібному суглинку 30, 50. 80 и 100см шарів ґрунтової маси чернозему південого засвідчило, що оптимальною потужністю для отримання максимального урожаю кукурудзи є шар 50см. Разом з тим, як загальну закономірність, треба відмітити той факт, що ґрунтова маса чорнозему разом з органічними добривами, розміщеними або внесеними безпосередньо над водоопорами (в шарі 80-100см) забезпечували більш високий ефект (до 20%) у порівнянні з розміщенням їх в шарах 30-50 и 50-70 см [5]. Отримані експериментальні дані щодо ефективності водоопору у якості сіро-зеленої глини підтверджуються наступними розрахунками. Відомо, що для умов Керченського півострову на Камиш-Бурунському стаціонарі рекультивації середнєбагаторічні опади складають 397 мм, а фізичне випаровування - 392мм. Таким чином, вологозапас становить 5мм.

Зміну рівню грунтових вод позначають як ? h [6].

; (1)

де інфільтраційне живлення у природних умовах;

;

t - час, діб; м - коефіцієнт нестачі насичення ґрунту у зоні аерації.

Для варіанту 50 см НШЧ зміна ?h за 1 рік становить:

.

У такому разі поява ґрунтових вод на поверхні відбудеться через

; (2)

де - потужність шару гірської породи.

В таблиці 1 наведені для різних варіантів рекультивації результати розрахунків часу, за який ґрунтові води піднімуться до поверхні.

Таблиця 1 - Розрахункові параметри режиму рівню ґрунтових вод для варіантів рекультивації з глинистим водоопором в умовах Сухого Степу

Для порівняння складових надходження (опади) та втрат вологи з випаровуванням та транспірацією рослинами в агроекосистемі звернулись до формули обчислення швидкості вологопереносу (V):

V = , (3)

де О - опади, мм, В - випаровування, мм, Т - транспірація (винос вологи з урожаєм сільськогосподарських культур). Винос вологи з урожаєм сільськогосподарських культур розраховували помноженням урожайності культури за кожен рік на коефіциєнт водоспоживання [7,8].

У якості розрахункових величин прийняті значення урожайності сільськогосподарських культур у варианті з нанесенням 50 см чорнозему південного на сіро-зелену глину. У середньому за три роки урожайність люцерни, гороху, озимої пшениці склали відповідно: 3,49; 16,89 і 2,04 т/га [9]. Якщо враховувати, що озима пшениця за один рік винесе: 550 м3/т х 1 х 2,04 т/га =112 мм, а люцерна (з урахуванням трьох укосів) ще більше - 492,1 мм, стає зрозумілим, що ризик затоплення відсутній.

Отже в умовах сухого Степу використання штучного водоопору можна розглядати як маловитратну рекультиваційну технологію, що забезпечує економію води для зрошення.

Виходячи із наведених розрахункових даних і результатів польових дослідів на Камиш-Бурунському стаціонарі, для зони Сухого Степу перспективною визначена наступна технологія утворення рекультивованих земель. На сплановану поверхню промислових відвалів наносять водоопорний шар сіро-зеленої глини (40 см), потім - шари лесоподібного суглинку (50 см) та насипного шару чорнозему (50 см).

Результати розрахунків часу, за який ґрунтові води піднімуться до поверхні для варіантів з водоопором для інших стаціонарів ДДАУ наведені в таблиці 2.

Таблиця 2 - Розрахункові параметри режиму рівню ґрунтових вод для варіантів рекультивації з глинистим водоопором в умовах північного Степу

Необхідно відмітити, що база геологічної сировини у якості водоопору залежить від конкретних геологічних умов розробок корисних копалин у кожному випадку. У Вольногорську це червоно-бура глина, в Орджонікідзе - сіро-зелена, зелена безкарбонатна глини.

Обгрунтування зрошення на рекультивованому відвалі Запорізського кар'єру Орджонікідзевського ГЗК Нікопольського МРБ

Обґрунтування зрошення виконано для ділянки розташованій на території рекультивованого Запорізського карьєру Нікопольського МРБ.

Територія спланованої ділянки площею 16 га була засіяна люцерною. Винесені на денну поверхню техногенні субстрати були представлені технічною сумішшю розкривних гірських порід з разною ступінню переважання лесоподібних, червоно-бурих суглинків та глин.

Зрошення люцерни на дослідній ділянці виконували за допомогою дощувальної машини ДКШ-64 «Волжанка». Вода у дощувальну машину подавалась насосом по розбірному трубопровіду РТЯ-220. Норма зрошення складала 400-500 м3/га.

Геодезична зйомка проводилась у липні 1992 -1993 рр. тобто через 1 рік після початку щорічного (на протязі чотирьох років) зрошення посівів люцерни. Середнє значення висотної позначки спланованого відвалу становило 64,3 м. Коефіцієнт варіації, за даними статистичної обробки результатів геодезичної зйомки (30 вимірів висотних позначок поверхні відвалу) складає 1,45 %.

Порівняння результатів зйомки, яке було проведене через рік, не выявило істотного осідання поверхні. Середнє значення висотної позначки спланованого відвалу становило 64,07 м. Коефіцієнт варіації - 1,6 %. Це можна пояснити тим, що з моменту етапу вирівнювання поверхні рекультивуємого відвалу минуло 7 років. Такий період часу виявився достатнім для природного ущільнення грунтів. Крім того, за необхідне треба ураховувати, що під час підготовки дільниці до зрошення разом з оранкою була проведена додаткова планіровка поверхні дільниці. Проведені заходи явились додатковою передумовою вирівнювання земної поверхні. Після чотирьох років вирощування люцерни поверхня відвалу була ще раз спланована і перекрита 50 см насипним шаром чорнозему.

Висновки

1. Установлено, що переважаючими мінералами у мулистій фракції ґрунту та порід Нікопольського МРБ та Керченського ЗРР є гідрослюда, монтморіллоніт та каолініт. Аналіз отриманих діфрактограм показав, що на відміну від каолініту, гідрослюда та монтморіллоніт, у більшості зразків гірських порід находяться у виді змішаношарових утворень. Високий рівень ємності поглинання, монтморилоніту та гідрослюди у сіро-зеленій, зеленій безкарбонатній, червоно - бурій, темно-сірій глин та рудовміщуючій породі свідчить щодо їх перспектив використання у якості водо опору при будуванні штучного профілю рекультивованих земель.

2. В умовах Степової зони України використання штучного водоопору можна розглядати як маловитратну технологію економії води для зрошення.

3. Порівняння результатів зйомки, яке було проведене через рік після початку зрошення рекультивованого відвалу гірських порід Запорізького кар'єру Орджонікідзевського ГЗК, не виявило істотних просадочних явищ. Це можна пояснити тим, що з моменту етапу вирівнювання поверхні рекультивуємого відвалу минуло 7 років. Період 7 років з початку етапу вирівнювання поверхні рекультивуємого відвалу виявився достатнім для природного ущільнення грунтів. Для забезпечення сталих гідрогеолого-меліоративних умов необхідним є застосування горизонтального дренажу.

Перелік посилань

1. Горлов В.Д. Рекультивация земель на карьерах. - М.: Недра, 1981. - 260 с.

2. Эскин В.С. Рекультивация земель, нарушенных открытыми разработками. - М.: Недра, 1975. - 182 с.

3. Техника и технология рекультивации на открытых разрабоках /А.К.Полищук, А.М.Михайлов, И.И.Заудальский и др. - М. Недра, 1977. -214 с.

4. Забалуєв В.О. Едафо-фітоцентоичне обґрунтування формування та функціонування стійких агроекосистем на рекультивованих землях Степу України. Національний аграрний університет. - Автореф. дис. …д-ра с.-г. наук. - Київ, 2005. - 40 с.

5. Масюк Н.Т., Харитонов Н.Н., Мыцык А.А., Кулинич В.В. Перспективы использования горных пород Керченского железорудного месторождения для создания высокоплодородных рекультивированных земель // Агрохімія і ґрунтознавство. - 1994. - Вип. 57. - С.1 7-22.

6. Меліоративна гідрогеологія / І.Є.Жернов, А.Г.Солдак, П.Ю.Кущ, О.О.Гриза / Під ред..И.Е.Жернова. - К.: Вища школа, 1971. - 331 с.

7. Аверьянов С.Ф.Борьба с засолением орошаемых земель. - М.: Колос, 1978. - 433 с.

8. Харитонов М.М., Євграшкіна Г.П. Прогноз міграції солей для тришарової моделі рекультивації порушених земель у Західному Донбасі // Екологія і природокористування. Збірник наукових праць ІППЕ НАН України. - 2005. - Вип. 8 - С. 199-201.

9. Мыцык А.А. Сельскохозяйственное использование рекультивированных земель Керченского железорудного месторождения. - Автореф. дис. … канд. сельхоз. наук. - Днепропетровск, 1998. - 20 с.

10. Рудаков В.К. Методы прогнозных расчетов влияния орошения на режим грунтовых вод // Вопросы гидрогеологических прогнозов в связи с ирригацией земель и водоснабжением. Сборник научных работ. - Днепропетровск, 1970. - Вып. 3. - С. 5-97.

Размещено на Allbest.ru