Екологічна оцінка забруднення водних об’єктів і ґрунтового покриву

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство Аграрної політики України

Житомирський національний агроекологічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук

Спеціальність 03.00.16 - Екологія

Екологічна оцінка забруднення водних об'єктів і ґрунтового покриву

Виконала Давидова Ірина Володимирівна

Житомир - 2009



АНОТАЦІЯ

забруднення водойма гірничовидобувний екосистема

Давидова І.В. Екологічна оцінка забруднення водних об'єктів і ґрунтового покриву. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук за спеціальністю 03.00.16 - “Екологія”. - Житомирський національний агроекологічний університет, Житомир, 2009.

Дисертація присвячена актуальній для Житомирського Полісся проблемі впливу вибухових робіт при відкритій розробці родовищ на стан довкілля. У роботі розглянуто процеси утворення шкідливих речовин при проведенні вибухових робіт на кар'єрах, шляхи їх надходження до земної поверхні та до водних об'єктів, а також проаналізовано зміни, які вони можуть викликати у природних системах.

У роботі проаналізовано основні проблеми регіону досліджень, пов'язані із гірничовидобувною діяльністю. Виявлено характер змін хімічних показників кар'єрних вод внаслідок проведення вибухових робіт. На їх основі виведено математичні залежності динаміки основних показників якості води та наведено принципову схему визначення часу, необхідного для самоочищення кар'єрних вод.

Експериментальним шляхом виявлено зміни, до яких призводить надходження продуктів вибухового перетворення на земну поверхню, проаналізовано хімічні перетворення забруднюючих речовин та їх вплив на основні ґрунтові показники і як результат - на пригнічення лісових екосистем. На основі отриманих результатів у дисертаційній роботі наведено рекомендації щодо захисту природних об'єктів від впливу гірничовидобувних підприємств.

Ключові слова: гірничовидобувні підприємства, вибухові речовини, моделювання, самоочищення водойми, динаміка.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Геологічна будова Житомирського Полісся сприяє інтенсивному розвитку гірничовидобувної та переробної промисловостей. Розкривні породи у даному регіоні мають невелику потужність і на значних територіях кристалічна порода виходить на поверхню. Це полегшує видобування корисних копалин та дозволяє зменшити собівартість готової продукції. У зв'язку з цим, Житомирщина характеризується значним обсягом видобування і переробки гранітів, гранодіоритів, габро, лабрадоритів, граніто-гнейсів та інших порід. Найбільш поширеними корисними копалинами регіону можна вважати камінь будівельний (буто-щебенева сировина). На території Житомирської області розвідано 62 родовища каменю будівельного, сумарні запаси яких становлять 10% від загальних обсягів буто-щебеневої сировини України. З них 25 родовищ розробляються, а сировина переробляється каменедробильними заводами на щебінь.

Видобування будівельного каменю в регіоні проводиться відкритим способом з використанням, переважно, вибухових методів розробки родовищ. Однак проведення масових вибухів на кар'єрі негативно впливає на екологічний стан прилеглих територій. В тому числі і на якість природних вод та стан лісових ґрунтів у зоні техногенного забруднення. При руйнуванні гірської породи вибуховими речовинами в атмосферу потрапляє велика кількість пилу та газів, які здатні переноситись вітром на значні відстані. З атмосфери ці речовини разом з опадами надходять на земну поверхню, забруднюючи ґрунтовий покрив, рослинність, водні об'єкти. Тому екологічна оцінка забруднення водних об'єктів і лісових ґрунтів при проведенні вибухових робіт на щебеневих кар'єрах Житомирського Полісся складає актуальне науково-прикладне завдання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися на кафедрі геотехнологій ім. проф. Бакка М.Т. Житомирського державного технологічного університету, відповідно до координаційного плану Міністерства освіти і науки № 39 за фундаментальним напрямком «Гірничі науки» в 1998-2000 рр. у порядку розробки науково-дослідної теми «Вплив гірничопромислового комплексу на навколишнє середовище, теоретичне обґрунтування заходів по поліпшенню екологічної і техногенної безпеки та розробка і впровадження екологічно чистих технологій і переробки сировини» (2002-2007 рр., реєстраційний номер 0102U001343), яка, в свою чергу, належить до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки України № 4 «Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології».

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей впливу вибухових робіт при розробці родовищ корисних копалин відкритим способом на якісний стан поверхневих вод регіону та на лісові ґрунти у зоні техногенного навантаження щебеневих кар'єрів Житомирського Полісся.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні завдання:

- вивчити закономірності змін гідрохімічних умов у зоні розробки родовищ корисних копалин;

- встановити закономірності динаміки основних гідрохімічних показників кар'єрних вод при проведенні масових вибухів з використанням тротиловмісних вибухових речовин;

- виявити закономірності у змінах лісорослинних властивостей ґрунтів вологого субору при їх забрудненні викидами щебеневих гранітних кар'єрів;

- дослідити стан соснових насаджень, що знаходяться під впливом забруднення викидами щебеневих гранітних кар'єрів.

Об'єкт дослідження - закономірності забруднення гідросфери та лісових екосистем при проведенні вибухових робіт на нерудних кар'єрах.

Предмет дослідження - техногенне забруднення навколишнього середовища при розробці родовищ буто-щебеневої сировини із застосуванням вибухових технологій.

Методи досліджень. Дослідження впливу масових вибухів на кар'єрах на стан природних вод та лісових ґрунтів базувалися на принципах порівняльної екології та проводилися шляхом оцінки природних систем в умовах техногенезу та на контролі. У процесі досліджень широко використовувались апробовані методики гідрології, агрохімії, лісівництва. Обробка отриманих результатів виконувалася методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено закономірності змін фізико-хімічних показників кар'єрних вод за рахунок їх аерального та гідрологічного забруднення продуктами розкладу вибухових речовин. Вперше визначено характер та швидкість відновлення гідрохімічних показників водних об'єктів до фонового рівня в умовах різкого зменшення рівня емісій гірничодобувного підприємства. Доповнено інформацію щодо джерел та шляхів надходження токсичних речовин до водних об'єктів у зоні розробки родовищ буто-щебеневої сировини вибуховим способом на Поліссі України. Подальшого розвитку набули дослідження зміни фізико-хімічних властивостей лісових ґрунтів Житомирського Полісся під впливом аеротехногенного забруднення. Доповнено матеріали щодо динаміки природного стану та функціонування соснових екосистем у зоні емісій гірничовидобувного підприємства.

Практичне значення одержаних результатів: Результати досліджень пройшли виробниче випробування і впровадження на ВАТ «Малинський каменедробильний завод» та ДП «Малинське лісове господарство» (Малинський район, Житомирська область). Окремі положення дисертаційної роботи використовуються як методико-теоретична база у вирішенні питань прогнозування стану довкілля у зоні впливу інших підприємств гірничодобувної промисловості регіону досліджень.

Матеріали, викладені у дисертаційній роботі, використовуються у навчальному процесі в Житомирському державному технологічному університеті та Кам'янець-Подільському індустріальному технікумі.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано мету та завдання досліджень, проведено експериментальну частину досліджень, зроблено аналіз і узагальнення отриманих результатів, а також висновки та рекомендації. Дисертація написана самостійно автором досліджень.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні положення дисертаційної роботи та окремі її результати обговорювалися на науково-практичних конференціях, семінарах та нарадах, а саме: на VII міжнародній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2005 рік); на міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів» (м. Дніпропетровськ, 2005 рік); на Міжнародній науковій конференції аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів» (м. Донецьк, 2005 рік); на ІІІ міжвузівській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Сучасні проблеми екології» (м. Житомир, 2006 рік); на Міжнародній науково-практичній конференції «І-й Всеукраїнський з'їзд екологів» (м. Вінниця, 2006 рік); на науковій конференції «Молоді науковці - географічній науці» (м. Київ, 2006 рік).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ВПЛИВ НА ДОВКІЛЛЯ ГІРНИЧОВИДОБУВНИХ РОБІТ

У розділі, на підставі аналізу літературних даних, розглянуто проведення вибухових робіт як джерело впливу щебеневих кар'єрів на стан довкілля регіону досліджень. У зв'язку з тим, що на Житомирському Поліссі підприємства з видобування будівельного каменю розміщені нерівномірно і часто знаходяться досить близько одне від одного, у регіоні дослідження утворилися локальні зони забруднення, спричинені діяльністю гірничовидобувної промисловості, деякі з яких мають досить високий рівень небезпечності. Загалом на території області розміщено 9 регіональних осередків видобування та переробки природного каменю.

Аналіз існуючих методів підготовки та систем розробки родовищ буто-щебеневої сировини дозволив виявити, що на даний час домінуючим є вибуховий спосіб як найбільш енергетично вигідний. Однак, його використання спричиняє значне забруднення довкілля (Викторов С.Д., 1999; Мосинец В.М., 1975; Радионенко Б.Н., 1990). Вивчення сучасних розробок щодо підвищення екологічності вибухових робіт (Ефремов Э.И., 2003; Козловская Т.Ф., 2005; Куринной В.П., 2003) дозволяє зробити висновок, що запропоновані заходи можуть лише зменшити кількість токсичних продуктів, які утворюються під час вибухових робіт, але не можуть повністю виключити їх утворення.

Слід зазначити, що питанню забруднення довкілля при проведенні вибухових робіт у літературі приділено багато уваги. Однак більшість цих досліджень направлена на дослідження забруднення атмосфери газоподібними викидами гірничовидобувного виробництва (Бизов В.Ф., 2000; Викторов С.Д., 1999; Малышева Н.А., 1977; Панасюк А.В., 2004). Питання осідання цих речовин на земну поверхню та їх надходження до водних об'єктів майже не вивчено. У окремих працях, присвячених цій темі, основна увага приділяється вимиванню аміачної селітри із тротилвмісних вибухових сумішей без подальшого аналізу впливу сполук нітрогену на водне та ґрунтове середовище (Гопанюк Д.Г., 2003). Практично не досліджується в наукових матеріалах питання динаміки хімічних показників водних об'єктів та ґрунтів при проведенні вибухових робіт на кар'єрах з видобування будівельного каменю. У зв'язку з цим, сформульовані мета дисертаційної роботи та завдання досліджень.

ПРИРОДНІ УМОВИ РАЙОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ

У розділі наведено стислу характеристику природно-кліматичних умов Житомирського Полісся. Детально проаналізовано природні умови, які можуть сприяти підвищенню техногенного впливу кар'єрів на довкілля. Найбільш значний вплив на аеральне розповсюдження забруднень мають метеорологічні характеристики приземного шару атмосфери. Оскільки у регіоні протягом року та вегетаційного періоду переважають слабкі та помірні вітри (Логвинов К.Т., 1972), то ймовірність швидкого розсіювання емісій відносно невелика, що за умов аеротехногеного забруднення робить даний регіон зоною підвищеної екологічної небезпеки.

Після седиментації забруднень, спричинених вибуховими роботами, на земну поверхню значну роль у їх фізико-хімічних перетвореннях відіграють властивості ґрунтового покриву та природних вод. У зв'язку з цим, у даному розділі охарактеризовано основні типи ґрунтів регіону досліджень, їх водний режим. Більшість гірничовидобувних підприємств регіону розташовані у лісових масивах, тому проаналізовано видовий та породний склад лісової рослинності, яка може зазнавати техногенного впливу. Результати аналізу свідчать, що на даній території найбільш типовими лісорослинними умовами є субори та сугруди свіжих та вологих гігротопів, а найбільш розповсюдженою лісовою породою у зоні досліджень є сосна звичайна.

ПРОГРАМА ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

У роботі використаний комплексний метод досліджень, а саме: аналіз та узагальнення науково-технічних робіт вибухового розкладу вибухових речовин; математичний апарат теорії планування дослідів; статистичне опрацювання результатів із використанням засобів обчислювальної техніки; лабораторні та експериментальні дослідження.

Відповідно до теми, експериментальні дослідження були поділені на два основні блоки: виявлення зміни якісних показників природних вод та виявлення зміни хімічних властивостей лісових ґрунтів внаслідок гірничовидобувної діяльності. Дослідження були проведені на Пенізевицькому родовищі № 1, що характеризується типовими для регіону гідрогеологічними та лісорослинними умовами і є найбільшим (за обсягом видобування) виробником буто-щебеневої сировини у регіоні.

Під час досліджень було проведено визначення хімічних показників вод природних об'єктів вище та нижче за течією від місця скиду стічних вод гірничовидобувного підприємства. Це дало змогу встановити відмінності між кар'єрними та природними водами у різних частинах регіону та визначити вплив скиду кар'єрних вод на хімічні показники природних водоймищ.

Для вивчення динаміки хімічного складу кар'єрних вод на Пенізевицькому родовищі № 1 була відібрана серія проб. Перша серія проб відбиралася через 24 години після проведення масового вибуху на кар'єрі, наступні - з інтервалом у добу. Контрольні проби відбиралася за умов тривалого періоду (не менше місяця), під час якого в кар'єрі не проводилися масові вибухи. Тому їх можна вважати умовно чистими від токсичних речовин, що утворюються під час проведення вибухових робіт. Відібрані проби аналізували за стандартними методиками (Гидрохимические показатели состояния окружающей среды, 1999; Перелік методик виконання вимірювань, 2003).

Для дослідження впливу аеротехногенного забруднення, спричиненого діяльністю щебеневих кар'єрів на стан лісових ґрунтів Житомирського Полісся, пробні площі (ПП) були закладені на різній відстані від борта кар'єру Пенізевицького родовища № 1. В районі цього родовища екологічний профіль простягнувся від 0,5 до 20 км від джерела викидів. Тому ПП було закладено на відстані 0,5, 1, 2, 4, 8 км від кар'єру і контрольна ПП на відстані 20 км. Ґрунтові дослідження проводились на 12 ПП, де було закладено по одному повному ґрунтовому розрізу, по чотири контрольних розрізи та прикопки і проведено їх детальний опис (Гришина Л.А., 1991). Зразки ґрунту для хімічного аналізу відбирали з кожного генетичного горизонту. У лабораторних умовах їх доводили до повітряно-сухого стану і аналізували за стандартними методиками (Агрохимические методы исследования почв, 1975; Аринушкина В.Е., 1970).

Результати досліджень оброблено статистично з використанням пакетів прикладних програм Mathcad 7.0 та Microsoft Excell (Толбатов Ю.А., 1999).

ТЕХНОГЕННІ ПОРУШЕННЯ ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА ПРИ РОЗРОБЦІ БУТО-ЩЕБЕНЕВОЇ СИРОВИНИ

Вивчення техніко-економічних показників роботи гірничовидобувних підприємств області показало, що балансові запаси каменю будівельного в Житомирській області на 1 січня 2008 року за категоріями А+В+С₁ складають близько 1590 млн м³ (62 родовища), що становить 10 % від загальних обсягів запасів буто-щебеневої сировини в Україні (Державний баланс запасів, 2006). Розробляється на даний час 37 об'єктів обліку (25 родовищ) каменю будівельного. Розробка родовищ корисних копалин супроводжується значним вилученням земель. Так, за нашими даними, при видобуванні 1 т корисної копалини необхідно розробити від 3 до 18 м³ розкривних порід; при видобуванні 1 млн т каменю будівельного порушується від 8 до 14 га земної поверхні. Загалом під розробку щебеневих кар'єрів в регіоні відведено більше ніж 1,6 тис. га земель.

Крім деградації земної поверхні, до екологічних порушень внаслідок відкритої розробки родовищ корисних копалин належать різка зміна гідрологічних та гідрогеологічних умов у районі ведення гірничих робіт, зміна якості підземних та поверхневих вод, забруднення атмосфери пило-газовими викидами різних джерел. Екологічні порушення, на відміну від ландшафтних, поширюються на більші площі і мають міжрегіональний характер як за наслідками дії, так і за масштабами розповсюдження. Серед екологічних порушень на особливу увагу заслуговує зміна гідрогеологічних умов в районі ведення відкритих гірничих робіт.

Аналіз гідрогеологічних умов регіону показав, що під час розробки родовищ корисних копалин відкритим способом на території Житомирської області переважно зазнають змін два водоносні горизонти: водоносний горизонт в алювіально-флювіогляційних відкладеннях четвертинного віку та водоносний горизонт, приурочений до тріщинуватої зони кристалічного масиву. При цьому відбувається зниження рівня ґрунтових вод у зоні впливу кар'єру та спостерігається різке збільшення (в 5-6 разів) стоку з території та скорочення часу їх скиду у водоймища. Хімічний склад підземних вод суттєво відрізняється від хімічного складу поверхневих водоймищ, у які вони скидаються. За значних обсягів скиду вони здатні змінювати стан поверхневих вод регіону.

Показники хімічного складу кар'єрних вод різних підприємств варіюють у досить широких межах. Це пояснюється певними відмінностями у геологічних та гідрологічних умовах родовищ. Хімічний склад вод кар'єрного водовідливу початково формується за рахунок притоку підземних вод, а лише потім зазнає змін у процесі виробничої діяльності. На території Житомирського Полісся водоприток до кар'єру здійснюється, переважно, за рахунок водоносного горизонту, приуроченого до тріщинуватої зони кристалічного масиву. При порівнянні їх складу з кар'єрними водами досить чітко простежується зростання значень таких показників, як вміст хлоридів, сульфатів, нітратів та іонів кальцію (рис. 1). Надходження цих речовин до кар'єрного водовідливу має два основні шляхи. Хлориди, сульфати та іони кальцію надходять у природні води шляхом розчинення мінералів, що містять в своєму складі ці компоненти. Проведення вибухових робіт призводить до подрібнення гірської породи і підвищує інтенсивність їх вимивання. Що стосується сполук нітрогену, то причиною зростання їх концентрації на гірничовидобувних підприємствах є безпосередньо вибухові роботи. Оскільки практично всі щебеневі кар'єри використовують вибухові речовини, що містять в своєму складі аміачну селітру, то ці речовини є невід'ємною складовою забруднення кар'єрних вод.

Аналізуючи якість води, в першу чергу, слід звернути увагу на вміст у воді іонів амонію (NH₄⁺) та нітрит-іону (NO₂^-). Іони амонію та нітрити нестійкі, окислюються до нітратів і їх концентрація у воді швидко досягає природного фону. Ці сполуки є індикатором свіжого забруднення води.



Рис. 1. Порівняння результатів дослідження хімічного складу кар'єрних та підземних вод

Води кар'єрів за рівнем забрудненості суттєво відрізняються від вод підземних водоносних горизонтів та поверхневих вод регіону. При вивченні вод кар'єрного водовідливу гірничовидобувних підприємств Житомирського Полісся було зафіксовано перевищення допустимих значень за деякими показниками. Особливо це має місце у скидах досить потужних гірничовидобувних підприємств. Як наслідок, скид кар'єрних вод має значний вплив на забруднення природних водних об'єктів. Так кар'єрні води ВАТ «Малинський каменедробильний завод» майже за всіма показниками, що досліджувались, мають вищі значення, ніж води річки Ірша вище скиду за течією. Скидання кар'єрних вод закономірно призводить до підвищення забрудненості водойми нижче скиду за течією. Подібна тенденція простежується і для інших щебеневих кар'єрів Житомирського Полісся. Оскільки їх розміщення по території регіону є не рівномірним, то це призводить до створення осередків забруднення довкілля.

ДИНАМІКА СКЛАДУ КАР'ЄРНИХ ВОД ПІСЛЯ ПРОВЕДЕННЯ МАСОВИХ ВИБУХІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ТРОТИЛВМІСНИХ ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН

У результаті проведених досліджень було виявлено, що концентрація важких металів у кар'єрній воді після проведення масового вибуху суттєвих змін не зазнає. Незначне підвищення їх вмісту у воді ставка-усереднювача, порівнянно із водами зумпфа, відбувається за рахунок надходження іонів металів із ґрунту до водного середовища. Істотно змінюється вміст іонів кальцію (на 25%) та магнію (у 2 рази), які вимиваються ґрунтовими водами із розпушеної породи. Це закономірно обумовлює збільшення жорсткості води на 30 %.

Найбільш зростає концентрація нітрогенвмісних речовин: нітритів, нітратів та сольового амонію. Так уже через 2 доби після проведення масового вибуху, вміст нітратів у кар'єрних водах зростає більше ніж у 2 рази, а сольового амонію - майже у 5 разів. Через 5 діб, за рахунок вимивання зі зруйнованої породи, вміст цих сполук досягає максимуму і збільшується у 3 та 8 разів відповідно по відношенню до їх вмісту у водах перед проведенням вибухових робіт. Всі ці речовини є продуктами розкладу вибухових речовин і їх кількість прямо пов'язана із кількістю та видом вибухівки, що використовується для проведення вибухових робіт.

Крім цього, досить суттєво у кар'єрній воді збільшується концентрація сульфатів (до 40%) та хлоридів (до 80%). Підвищений вміст солей у кар'єрній воді призводить до поступового підвищення кислотності та збільшення сухого залишку у досліджуваних пробах.

Ця тенденція є характерною для більшої частини елементів, які мають між собою сильний кореляційний зв'язок (з достовірністю 99 %). Із загальної кількості показників можна виділити дві сукупності, які за своїм походження більш тісно пов'язані між собою: нітрогеновмісні сполуки як продукти розмивання вибухівки, та іони кальцію та магнію, що вимиваються зі зруйнованої породи і пов'язані між собою через загальну твердість.

Зміна показників якості кар'єрної води описується емпіричними залежностями. Залежність між концентрацією та часом (С_х.р та t) для таких показників, як твердість і концентрація іонів кальцію та магнію описується лінійною залежністю (рис. 2) виду:



, (1)

а для всіх інших речовин залежність концентрації від часу достовірно описується параболічною залежністю (рис. 2) виду:

, (2)

в яких за допомогою апарату математичної статистики були обчислені коефіцієнти а₀, а₁, а₂ (табл. 1).

Проведені розрахунки показали (табл. 1), що найбільше часу займає самоочищення кар'єрної води від сульфатів та сольового амонію та відновлення до фонового рівня лужності.

Таблиця 1. Залежність показників якості кар'єрної води часу її відстоювання

Показник, Сх (мг/л)	Рівняння зв'язку, Сх = f(t)	Коеф. детер., R2	Контрольне значення показника, Сх.к. (мг/л)	Час повернення показника до контролю, tк (діб)
Кальцій		0,945	52,9	8,44
Магній		0,982	7,10	10,43
Твердість		0,988	3,23	9,38
Лужність		0,894	1,6	13,64
рН		0,990	7,91	10,23
Нітрати		0,977	19,3	10,54
Нітрити		0,988	0,69	10,10
Сольовий амоній		0,815	1,5	11,82
Сульфати		0,977	71,1	12,1

Таким чином, саме за цими показниками потрібно розраховувати загальній час відстоювання кар'єрної води перед її скиданням до природної водойми. Ці результати слід покласти в основу проекту ставка-відстійника для конкретного підприємства з урахуванням максимального водопритоку та маси вибухових речовин, що використовується для проведення масового вибуху.

ОЦІНКА ТЕХНОГЕННОГО ВПЛИВУ ГІРНИЧОВИДОБУВНИХ ПІДПРИЄМСТВ НА СТАН ЛІСОВИХ ГРУНТІВ

Дослідження показали, що емісії кар'єру спричиняють зміни напрямків основних ґрунтових процесів, що негативно позначилось на лісорослинних властивостях ґрунту.

Вміст різних форм нітрогену. Виділення техногенної аномалії навколо кар'єру зроблено за вмістом мінеральних форм нітрогену (нітрати, нітрити та амоній), які у зоні сильного забруднення (поблизу кар'єру) можуть досягати 17% від вмісту загального нітрогену. Простежується чітка закономірність у зменшенні кількості цих форм нітрогену при віддаленні від джерела емісії (табл. 2).

Таблиця 2. Вміст різних форм сполук нітрогену у дерново-підзолистих лісових ґрунтах

Відстань від кар'єру, км	NH4+	NO3-	NO2-	Сума мін. форм нітрогену	N, %
	мг/100 г повітряно-сухого ґрунту
0,5	11,7	8,37	0,71	20,78	0,12
1	8,18	5,61	0,29	14,08	0,08
2	6,15	3,55	0,12	9,82	0,06
4	6,06	2,18	0,10	8,34	0,07
8	5,98	1,74	0,10	7,82	0,08
20 (К)	5,94	1,43	0,09	7,46	0,09

Результати досліджень свідчать, що на всіх відстанях від кар'єру вміст амонійного, нітратного і нітратного нітрогену у ґрунті вищий, ніж у ґрунті фонової (контрольної) ділянки. Так, вміст амонійного нітрогену у найбільш забрудненій зоні перевищує фоновий рівень майже в 2 рази, нітратного - майже у 6 разів, нітритного майже у 8 разів. Загалом сума мінеральних форм нітрогену зросла з 7,46 мг/100 г повітряносухого ґрунту на контролі до 20,78 мг/100 г на відстані 500 м від межі кар'єрного поля (більш ніж у 2,5 рази). Вміст загального нітрогену дещо відрізняється від вмісту його мінеральних форм. Так, вміст загального нітрогену в едатопах на відстані 2-4 км від кар'єру на 20-30 % нижчий, ніж в зональному ґрунті, а поблизу кар'єру (0,5 км) - більш ніж на 30 % вищий.

Було розраховано коефіцієнти трансформації загального нітрогену у мінеральний (N заг./N мін.). Аналіз відношення загального нітрогену до його мінеральної форми дозволяє зробити висновок про значні зміни у нітрифікуючій здатності ґрунту. Поблизу кар'єру відношення загального нітрогену до мінерального складає близько 6:1 відповідно, в той час як фонове відношення становить 13:1. Це свідчить про посилення мінералізаційних процесів.

Вміст органічної форми нітрогену прямо пропорційний кількості гумусу. Якщо для едатопів техногенної аномалії характерне зменшення вмісту гумусу у 2,3 рази (табл. 3), то закономірно зменшується частка органічного нітрогену у ґрунті. Зменшення вмісту гумусу у лісових ґрунтах пропорційне віддалі від кар'єру і з наближенням до техногенної зони кар'єру він понижується до 0,96 % проти 2,26 % на контролі.

Вміст гумусу, валових та рухомих форм NPK. Для ґрунтів різних зон забруднення є характерним зменшення забезпеченості сполуками калію і фосфору при наближенні до джерела техногенного забруднення. Так, вміст рухомого калію у ґрунтах техногенної зони зменшувався до 6,14 мг/100 г ґрунту при фоновому значенні 9,95 мг/100 г. Зменшення вмісту рухомого фосфору (ймовірно у вигляді НP₂O₅^2-) у ґрунтах техногенної зони пов'язане із їх підкисленням (табл. 3).

Вміст валових форм калію та фосфору у верхньому горизонті низький, що характерно для глинисто-піщаних дерново-підзолистих ґрунтів, та відносно постійний. Деяка варіабельність відзначається для калію, однак достовірної залежності щодо впливу гірничовидобувного підприємства на вміст валового калію в ґрунті не виявлено. На значній відстані від джерела емісій вміст фосфору та нітрогену змінюється досить хаотично, однак поблизу кар'єру спостерігається деяке збільшення нітрогену.

Таблиця 3. Вміст гумусу, валових (%) та рухомих (мг/100г) форм NPK у дерново-підзолистих лісових грунтах

Відстань від кар'єру, км	N	NH4	P	P2O5	K	K2O	Гумус
	%	мг/100г	%	мг/100г	%	мг/100г	%
0,5	0,12	11,7	0,04	3,84	0,04	6,14	0,96
1	0,08	8,18	0,03	4,39	0,05	8,74	1,24
2	0,06	6,15	0,04	5,19	0,04	9,17	1,57
4	0,07	6,06	0,06	4,99	0,06	9,39	1,85
8	0,08	5,98	0,04	5,14	0,05	9,64	2,09
20 (К)	0,09	5,94	0,04	5,23	0,04	9,95	2,26

Кислотні та обмінні властивості. Надходження кислих нітрогенвмісних сполук з техногенними потоками призводить до збільшення актуальної і гідролітичної кислотності ґрунтів геохімічної аномалії, утвореної навколо кар'єру. Залежно від відстані до кар'єру рН лісових ґрунтів змінюється від 5,37 до 5,09. Таким чином, багаторічні емісії каменевидобувного підприємства призвели до невеликого збільшення кислотності ґрунту.

Підкислення ґрунтового розчину призводить до зміни вбирного комплексу ґрунту. Так, разом із кислотністю ґрунту в зоні забруднення зростає і кількість обмінних іонів Н⁺ на пробних площах (ПП): від 9,9 у зональному ґрунті до 11,1 у зоні техногенного впливу. Поряд із цим, вміст обмінного кальцію і магнію зменшується на 42 % (від 8,09 до 4,74 мг-екв/100г і від 2,03 до 1,18 відповідно) по відношенню до контролю. На ПП зменшується сума обмінних основ кальцію і магнію на 42 % при зменшенні максимальної їх кількості, яку може поглинути грунт, лише на 7 %.

З наближенням до кар'єру у вбирного комплексу ґрунту суттєво зменшується частка Са²⁺ - до 27,3 %, у той час як на контролі вона становить 39,1 %. Подібна тенденція спостерігається і для Mg²⁺. Його частка зменшується до 6,8 %, порівняно із 9,1 % на контролі. Цей процес відбувається внаслідок підвищення кислотності ґрунтового розчину, що викликає зміну рухливості розчинних форм у ґрунті та як наслідок -заміщення двохвалентних катіонів Са²⁺ і Mg²⁺ на одновалентні Н⁺ і NH₄⁺. Частка Н⁺ у вбирному комплексі при цьому зростає з 49,3 % до 64,0 % при наближенні до виробленого простору кар'єру.

Іонно-сольовий режим. В цілому мінералізація ґрунтового розчину невелика, що обумовлено низьким рівнем родючості дерново-підзолистих глинисто-піщаних ґрунтів. Однак, незважаючи на це, тенденція зниження мінералізації сольової витяжки з віддаленням від джерела емісій все ж існує. Так, на відстані 0,5 км від кар'єру вміст у ґрунтах водорозчинних форм лужних металів складав: К⁺ - 0,23 мг-екв/100 г повітряно-сухого ґрунту, Na⁺ - 0,10; лужно-земельних: Са²⁺ - 4,74, Мg²⁺ - 1,18 мг-екв/100 г. На відстані 2 км концентрація Са²⁺ збільшується на 68 %, Мg²⁺, К⁺ Na⁺ - на 50 %. Таким же чином змінюється вміст аніонів - кількість SO₄^2- зменшується на 45 %, HCO₃^- - на 37 %, а Сl^- - є більш-менш постійним. Подібні зміни ґрунтового гомеостазу пов'язані з підвищенням вмісту нітрогену в ґрунтах, зміною гідрологічних процесів, вимиванням значної кількості катіонів, дегуміфікацією ґрунту.

Ферментативна активність. Ці процеси трансформують їх біологічну активність, впливаючи на ферментативну активність. Про негативний вплив аерального забруднення на педосферу свідчить досить суттєве пригнічення оксидаз (особливо каталази і дегідрогенази) при наближенні до кар'єру. Сумарна активність досліджуваних оксидаз біля межі виробленого простору (0,5 км) складає лише 11,182 умовні одиниці, а при віддаленні на 8 км досягає 31,513 (при фоновому значенні 33,276). Подібне пригнічення ензиматичної активності може бути безпосереднім результатом не лише зміни окисно-відновлювальних умов середовища, але і пригнічення фітоценозів, а також її мезо- і нанофауни, ґрунтової мікрофлори, що, у свою чергу, залежить від активності ґрунтової структури і стану її фізичних характеристик, особливо режиму її волого- і повітропроникності.

Стан лісових екосистем. При оцінці стану лісових насаджень у зоні дії ВАТ «Малинський каменедробильний завод» встановлено, що із віддаленням на 1 км від джерела забруднення індекс стану соснових насаджень зменшується приблизно на 0,08 од. У цілому, протягом всього періоду спостережень, максимальні значення індексу стану деревостанів відзначаються у техногенній зоні підприємства (2,88 од.), мінімальні на контролі (1,28). Тобто, насадження техногенної зони належать до сильно ослаблених. Крім того, якщо на контрольних ділянках показник Іс з часом змінюється у досить вузькому діапазоні - на 0,2-0,6 од., то в техногенних зонах - у значно ширшому - 0,6-1,2 од. Таким чином, багаторічний вплив емісій вибухових газів та пилу викликає пригнічення лісових екосистем. Лісові формації в зонах прилеглих до кар'єру значною мірою знижують свою здатність до гомеостазу, порівняно з лісовими екосистемами, не порушеними техногенезом. Це вимагає запровадження системи реабілітаційних заходів, спрямованих на підвищення стійкості і продуктивності насаджень, а також збереження їх різнобічних функцій.



ВИСНОВКИ

Дисертація є науково-дослідною роботою, в якій на основі дослідження гідрохімічного складу кар'єрних та поверхневих вод, фізико-хімічних властивостей природних та трансформованих ґрунтів встановлено вплив вибухових робіт на водні об'єкти та лісові ґрунти Житомирського Полісся.

Найбільш важливі наукові та практичні результати дослідження, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Встановлено, що в кар'єрних водах у порівнянні з підземними водами, що їх формують, досить чітко прослідковується зростання значень таких показників, як вміст хлоридів (у 2,6 рази), сульфатів (майже у 9 разів), нітратів (у 13,6 разів) та іонів кальцію (у 1,4 рази). Вміст хлоридів, сульфатів та іонів кальцію у водовідливі різних щебеневих кар'єрів має певні відмінності у зв'язку з неоднаковістю їх вмісту в подрібненій гірській породі, з якої вони вимиваються. Концентрація нітрогенвмісних сполук у кар'єрній воді зростає зі збільшенням потужності видобувного підприємства, оскільки їх джерелом на гірничовидобувних підприємствах є безпосередньо вибухові речовини. На найбільш потужних підприємствах значення нітратів у кар'єрних водах досягають 9,6 мг, нітритів - 0,128 мг та амонійного нітрогену - 1,58 мг на 1 л кар'єрної води.

2. У стічних водах кожного щебеневого кар'єру Житомирщини значення таких показників, як концентрація нітратів, хлоридів, сульфатів, фосфатів, перевищує відповідні показники у водоймищі, в яке вони скидаються. Для найбільш потужних у регіоні виробників щебеневої продукції вміст фосфатів і сульфатів у кар'єрній воді на 50 % перевищує їх вміст у річках вище скиду стічних вод кар'єру, хлоридів - більш ніж у 2 рази, а нітратів - майже у 4 рази, що безпосередньо доводить значну роль вибухових робіт у забрудненні природних вод регіону.

3. Після проведення масових вибухів на буто-щебеневих кар'єрах Житомирського Полісся України найбільш характерними забруднювачами ґрунтових та поверхневих вод є сполуки нітрогену (нітрити, нітрати, сольовий амоній), що є продуктами розкладу вибухових речовин; а також сульфати, іони магнію та кальцію як результат вимивання легкорозчинних речовин із зруйнованої породи. З останніми пов'язані зміни значення твердості, лужності і рН води. Найсильніших змін зазнає концентрація таких нітрогенвмісних сполук, як нітрити, нітрати та сольовий амоній. Через 2 доби після проведення масового вибуху вміст нітратів у кар'єрних водах зростає більше ніж у 2 рази, а сольового амонію - у 5 разів. Через 5 діб, за рахунок вимивання із зруйнованої породи, вміст цих сполук збільшується у 3 та 10 разів відповідно до їх вмісту у водах перед проведенням вибухових робіт. Крім цього, досить суттєво збільшується концентрація сульфатів (до 20 %) та хлоридів (до 80 %) у кар'єрній воді. Після проведення масового вибуху концентрація важких металів у воді кар'єрного водовідливу не зазнає суттєвих змін по відношенню до контролю.

4. Між показниками забруднення кар'єрних вод існує тісна кореляційна залежність - коефіцієнти лінійної кореляції мають значення від 0,70 до 0,98 (з достовірністю 99 %). Аналіз кореляційних зв'язків дозволяє виділити із загальної кількості показників дві сукупності, які більш тісно пов'язані між собою: концентрації нітрогеновмісних сполук як продукти розмивання вибухівки та концентрації іонів кальцію і магнію, що вимиваються із зруйнованої породи.

5. Виявлено наявність лінійного зв'язку між зміною концентрації хімічних речовин у кар'єрній воді та часом її відстоювання для іонів кальцію, магнію і загальної твердості води та параболічного зв'язку для таких сполук як нітрити, нітрати, сольовий амоній, сульфати і значень рН та лужності. Отримані залежності дозволяють визначити час, протягом якого відбувається повернення гідрохімічних показників до значень контролю. Найбільший час, потрібний для самоочищення кар'єрних вод від лужності, сульфатів і сольового амонію складає 13,64, 12,1 та 11,82 діб, відповідно.

6. Вплив кар'єрів з видобування буто-щебеневої сировини на зміну властивостей лісових ґрунтів регіону досліджень проявляється у підвищенні кислотності та збільшенні вмісту у них всіх мінеральних форм нітрогену. Так, вміст амонійного нітрогену у найбільш забрудненій зоні перевищує фоновий рівень майже у 2 рази, нітратного - майже у 6 разів, нітритного - майже у 8 разів. Загалом, сума мінеральних форм нітрогену зросла з 7,46 мг/100 г повітряно-сухого ґрунту на контролі до 20,78 мг/100 г на відстані 500 м від межі кар'єрного поля (більше ніж у 2,5 рази). При збільшенні мінеральних форм нітрогену при наближенні до кар'єру зменшувалася кількість його органічних форм та, закономірно, - вміст гумусу у ґрунті (більше ніж у 2 рази).

7. Надходження з техногенними потоками кислих нітрогенвмісних сполук призводить до збільшення актуальної і гідролітичної кислотності ґрунтів геохімічної аномалії. Залежно від відстані до кар'єру рН лісових ґрунтів змінюється від 5,37 до 5,09, а гідролітична кислотність зменшується майже в 2 рази (від 1,23 до 0,69).

8. Разом із кислотністю ґрунту в зоні забруднення зростає і кількість обмінних іонів Н⁺ на пробних площах: від 9,9 у зональному ґрунті до 11,1 у зоні техногенного впливу, а вміст обмінного Са і Мg зменшується на 42 % по відношенню до контролю при зменшенні максимальної їх кількості, яку може поглинути ґрунт, лише на 7 %.

9. Вміст важких металів у зоні аеарального забруднення істотно не змінився. Найбільший вміст важких металів виявлено на відстані 1-2 км від меж кар'єру. Однак цей рівень практично не виходить за рівень регіонального фону.

10. Аналіз ферментативної активності ґрунту показує досить суттєве пригнічення оксидаз при наближенні до кар'єру, що свідчить про негативний вплив аеротехногенного забруднення на педосферу. Сумарна активність досліджуваних оксидаз біля межі виробленого простору (0,5 км) складає лише 11,182 умовних одиниць, а при віддаленні на 8 км - досягає 31,513 (при фоновому значенні 33,276).

11. З наближенням до джерела забруднення погіршується санітарний стан соснових насаджень. Індекс стану соснових насаджень змінюється більш ніж у 2 рази порівняно з контролем.

Рекомендації

Аналіз стану соснових лісів (свіжий субір) у зоні аеротехногеного впливу щебеневих кар'єрів свідчить про необхідність проведення реабілітаційних заходів, спрямованих на підвищення стійкості та продуктивності насаджень. З цією метою рекомендується:

1. Проводити формування різновікових, за можливістю, змішаних деревостанів із щільним узліссям зі стійких до емісій листяних порід.

2. Необхідно враховувати, що територія поблизу кар'єру зазнає найбільш сильного впливу і саме вона потребує першочергових заходів для поліпшення санітарного стану насаджень.

3. Основним видом догляду за насадженнями техногенної зони є санітарні рубки, що проводяться згідно з «Санітарними правилами в лісах України» (1995). Особливо ретельний підхід необхідний при рубках догляду на узліссі, де як захисний фактор можливе збереження навіть сухостійних дерев.

4. З метою підвищення стійкості лісових екосистем і покращення санітарного стану соснових насаджень у зонах, наближених до кар'єрів, рекомендуємо проводити зниження кислотності ґрунтів шляхом внесення до ґрунту вапняних добрив у дозах 200-600 г на 1 м² раз на 4-5 років.

5. Організувати постійний екологічний моніторинг лісів у зонах впливу кар'єрів з періодом спостережень не рідше 1 разу на рік з визначенням стану лісових насаджень згідно з чинними нормативними документами. Система постійних спостережень дозволить оптимально розраховувати кількість та періодичність внесення вапнякових добрив до ґрунту та дозволить на ранніх стадіях розвитку виявити та усунути патологічні зміни деревостанів.

6. Оптимізувати очищення кар'єрних вод у ставках-відстійниках перед їх скиданням у водойми з метою зменшення впливу гірничих підприємств на стан природних водних об'єктів регіону. Залежності, розраховані у дисертаційній роботі, дозволяють розрахувати час, необхідний для самоочищення кар'єрних вод, та визначити об'єм ставка відстійника для кожного конкретного щебеневого кар'єру на Житомирському Поліссі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Давидова І.В. Динаміка стану лісових ґрунтів і насаджень під впливом викидів гірничовидобувних підприємств // Вісник вищого навчального закладу «Державної агроекологічний університет». - № 1. - Житомир. - 2008. - С. 416-422.

2. Давидова І.В., Шелест З.М., Гайченко В.А. Динаміка вмісту гумусу та нітрогену у лісових ґрунтах у зоні впливу техногенних викидів щебеневих кар'єрів Житомирського Полісся // Вісник Національного агроекологічного університету. - № 125. - Київ. - 2008. - С. 102-107.

3. Давидова І.В. Вплив відкритих гірничих робіт на стан природних водойм Житомирщини // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. - № 2 (42). - Рівне. - 2008. - С. 17-22.

4. Давидова І.В. Дослідження зміни режиму та складу поверхневих і підземних вод Житомирської області у зоні розробки родовищ корисних копалин відкритим способом // Вісник ЖДТУ. - №1 (36). - Житомир - 2006. - С. 126-129.

5. Левицька О.К., Давидова І.В. Дослідження динаміки процесів самоочищення кар'єрних вод після проведення масових вибухів та їх вплив на забруднення природних водойм // Вісник ЖДТУ. - № 3 (38). - Житомир. - 2006. - С. 150-153.

6. Бакка М.Т., Давидова І.В. Зменшення токсичного впливу вибухових робіт при розробці родовищ корисних копалин на природні водні об'єкти за рахунок використання здатності природних вод до самоочищення // Вісник ЖДТУ. - №4 (39). - Житомир. - 2006. - С. 264-268.

7. Бакка М.Т., Давидова І.В. Оцінка еколого-гідрологічного впливу на довкілля вибухових робіт при розробці нерудних родовищ корисних копалин. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - № 6 (41). - Кременчук. - 2006. - С. 88-92.

8. Давидова І.В. Вплив вибухових робіт при видобуванні корисних копалин відкритим способом на забруднення гідросфери // Збірка тез доповідей VIII Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство». - Київ. - 2005. - С. 71.

9. Давидова І.В. Вплив гірничовидобувної промисловості Житомирської області на стан природних вод регіону // Матеріали IІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми природокористування сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів». - Ч 2. - Дніпропетровськ. - 2005. - С. 204-206.

10. Ситнікова М.Д., Давидова І.В. Вплив роботи гірничих підприємств на хімічний склад атмосферного повітря на прикладі ВАТ «Коростишівський гранітний кар'єр // ІV міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів». Донецьк. - 2005. - С. 168-169.

11. Ситнікова М.Д. Давидова І.В. Вплив гірничовидобувної промисловості на довкілля (на прикладі Житомирської області) // ІІІ міжвузівська конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Сучасні проблеми екології». - Ч.2. - Житомир. - 2006. - С. 132-135.

12. Бакка М.Т., Давидова І.В., Мяновська М.Б. Проблеми використання відходів видобутку та переробки мінеральної сировини // Міжнародна науково-практична конференція «1-й всеукраїнський з'їзд екологів». - Вінниця. - 2006. - С. 23.

13. Давидова І.В. Дослідження динаміки процесів самоочищення кар'єрних вод після проведення масових вибухів. // Наукова конференція «Молоді науковці - географічній науці». - Київ. - 2006. - С. 57.

14. Давидова І.В., Мяновська М.Б. Форми нітрогену у ґрунтах техногенної аномалії, сформованої в результаті газоподібних викидів гірничовидобувних підприємств / Збірник матеріалів IV міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Наука. Молодь. Екологія-2008». - Житомир, 2008. - С. 44-46.

Размещено на Allbest.ru

...