Мелиорация отвалов токсичного грунта

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВПО «НГМА»ГУ «СНП»

Мелиорация отвалов токсичного грунта

В.М. Ивонин, А.В. Егошин

Аннотация

свалка токсичный мелиорированный грунт

Ивонин Владимир Михайлович - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций.

Контактный телефон: 8-928-923-90-86.

E-mail: Ivoninforest @yandex.ru

Егошин Алексей Валентинович - кандидат сельскохозяйственных наук, Государственное учреждение «Сочинский национальный парк» (ГУ «СНП»), заведующий экологическим образовательным и научным центром.

Контактный телефон: 8-918-900-59-49.

E-mail: Ivoninforest @yandex.ru

Разработаны технический и биологический этапы формирования свалки токсичных отходов. Для улучшения земли в отвалах необходимо использовать древесную щепу. Естественный распад щепы приводит к образованию органических и минеральных компонентов для улучшения условий формирования растительных сообществ. Захоронения токсичных грунтов должны быть покрыты слоем почвы для роста и развития растений. Толщина наносимого слоя должна быть не менее 1 м. Были определены растения-пионеры для мелиорированных склонов. Зарастание отвалов уменьшает эрозию.

Ключевые слова: мелиорация, отвал земли, древесная щепа, восстановление растительного покрова, эрозия почв.

Annotatіon

Ivonin Vladimir Mikhaylovich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Professor of the Chair of Forestry and Forest Melioration.

Contact telephone number: 8-928-923-90-86.

E-mail: Ivoninforest @yandex.ru

Yegoshin Aleksey Valentinovich - Candidate of Agricultural Sciences, State Institution “Sochi National Park” (SI “Sochi NP”), Head of Environmental Education and Scientific Center.

Contact telephone number: 8-918-900-59-49.

E-mail: ecoid@ya.ru

V. M. Ivonin (FSBEE HPE “NSMA”)

A. V. Yegoshin (SI “Sochi NP”)

RECLAMATION OF TOXIC GROUND DUMPS

Technical and biological stages of toxic waste dump forming were developed. To improve the land in dumps wood chips have to be used. Natural decay of wood chips leads to the formation of organic and mineral components to improve conditions for formation of plant communities. Burial of toxic waste should be covered with a soil layer for the growth and development of plants. The thickness of the applied layer shall be at least 1 meter. The pioneer plants were determined for reclaimed slopes. Overgrowing dumps reduces erosion.

Keywords: reclamation, dumping ground, wood chips, revegetation, soil erosion.

Мелиорация отвалов - это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности отвального грунта при улучшении условий окружающей среды в местах размещения отвалов. Особенно нуждаются в мелиорации отвалы токсичного грунта, размещенные в карьерных выемках.

При реализации программы строительства объектов Олимпиады 2014 г., утвержденной распоряжением Минприроды России от 22.07.2010 г. № 28-р, предусматривается рекультивация отвалов избыточного грунта, образованного при строительстве олимпийских объектов. Особое значение имеет рекультивация отвалов токсичных грунтов, например аргиллита, перемолотого шнеками проходческих машин при строительстве туннелей объединенной автомобильной и железной дороги «Адлер - горноклиматический курорт Альпика-Сервис». Аргиллит - это твердая, камнеподобная, неспособная размокать в воде, глинистая горная порода, образовавшаяся в результате уплотнения, дегидратации и цементации глин. После перемалывания он представляет собой несвязный грунт с включением мелких «плиток» аргиллита, а также обломков кристаллических пород, имеет синевато-серый цвет, шелковисто-смолянистый блеск.

В карьерах после разработки щебня и других полезных ископаемых, отвечающих санитарным нормам и правилам, возможно формирование отвалов избыточных грунтов, которые после мелиорации покрывают местным грунтом, пригодным или малопригодным для биологической рекультивации. Такие поверхности оставляют под естественное зарастание [1, 2]. Технологии восстановления растительности на откосах отвалов представлены в работах Международного симпозиума, проведенного в Германии в 1994 году [3, 4].

В 2010 году четыре отвала избыточного грунта были сформированы на отработанных участках карьера по добыче щебня (рисунок 1) в 4 квартале Адлерского участкового лесничества Сочинского национального парка: отвал № 1 - перемолотый аргиллит (в основании отвала разместили крупные древесные отходы - рисунок 2); отвал № 2 - перемолотый аргиллит + щепа (осень 2010 г.), а также смешанный с аргиллитом другой грунт + щепа и отвал № 4 - смесь различных грунтов + щепа (весна 2011 г.).

Определение географических координат участков, выбранных для размещения грунтовых отвалов, а также наблюдения за динамикой поверхности карьера по мере формирования отвалов проводили с помощью GPS ProMark 3.

На 01.06.2011 г. объем размещенного грунта был равен около 65 тыс. м3. Для мелиорации грунтов применена щепа фракции 25-30 мм, образованная по технологии ЗАО «СПЭК» при измельчении древесных отходов (пни, порубочные остатки, неликвидная древесина) после вырубки лесов при строительстве олимпийских объектов.

Рисунок 1 Общий вид карьера до формирования отвала

Рисунок 2 Размещение крупных древесных отходов в основании будущего отвала

Естественный распад щепы в результате биохимических процессов при доступе кислорода и участии различных бактерий, грибов и беспозвоночных приводит к образованию органических и минеральных компонентов, мелиорирующих грунты.

В основании центрального отвала № 1 размещали крупные древесные отходы (пни, расщепленные отрезки стволов), ранее накопленные в местах их длительного хранения, для повышения устойчивости отвала. Перегнивание этих древесных отходов под мощным насыпным слоем перемолотого аргиллита (рисунок 3) замедлено при ограниченном доступе кислорода.

Рисунок 3 Насыпная масса перемолотого аргиллита на древесных отходах

Перемолотый аргиллит в смешении со щепой был покрыт известняком, не являющимся токсичным для растений (рисунок 4).

Слой известняка мы рекомендовали дополнительно покрыть глинисто-щебенистым грунтом карьера, который обладает достаточным плодородием для заселения растениями-пионерами. Впоследствии в результате сукцессий на таких грунтах формируется злаковый фитоценоз и буково-грабовое криволесье. Окончательный вид отвала приведен на рисунке 5.

Рисунок 4 Перемолотый аргиллит, перемешанный со щепой, покрытый слоем известняка

Рисунок 5 Окончательный вид внутреннего отвала в карьере Адлерского участкового лесничества СНП

Образцы грунта по вариантам исследований отбирали из поверхностного слоя отвалов и откосов карьера в следующие сроки: 30.09.2010 г. (исходные образцы), 15.03.2011 г., 04.04.2011 г., 21.04.2011 г.

Образцы воды на территории карьера отбирали 30.09.2010 г. и 15.03.2011 г. Исходный образец воды (до начала формирования отвалов) отбирался в роднике, а образцы после формирования отвалов в весенний период - в открытом ручье и прудке фильтра ниже отвалов.

Химический анализ образцов грунта и воды провели в испытательной лаборатории ФГУ САС «Черноморская». Методика испытаний соответствовала действующим нормативным документам. Результаты испытаний образцов грунта приведены в таблице 1.

Анализируя данные таблицы 1, отмечаем, что для грунтов отвалов содержание гумусоподобного вещества достигает 1,6-2,6 %. Максимальное количество гумуса содержится в верхнем горизонте примитивной почвы редколесья (5,46 %).

Глинисто-щебенистый грунт откоса карьера содержит 1,98 % гумуса (за счет осыпания плодородного слоя почвы при подрезании склона). По этому показателю грунт можно считать пригодным для землевания поверхности отвалов аргиллита и других избыточных грунтов.

Кислая реакция среды характерна для грунтов отвалов № 1 и № 2, щелочная - для смешанных грунтов (мелиорированных щепой) отвалов № 2 и № 4. Большое количество железа отмечено в грунтах всех отвалов (152-350 мг/кг). Грунты откосов карьера и примитивной почвы железа практически не содержат (1,73-4,37 мг/кг). Превышение ПДК по меди более чем в 2 раза отмечено в образце грунта отвала № 2. Незначительное превышение ПДК по цинку отмечено только в образце грунта отвала № 1. Содержание кадмия во всех отобранных образцах грунта не превышает ПДК. Превышение ПДК по свинцу в 38 раз зафиксировано в грунте отвала № 1 и в 3 раза - отвала № 2. Превышение ПДК по марганцу отмечено в грунте отвалов № 1 и № 4, по никелю - № 1, по мышьяку -№ 2.

Таблица 1 Результаты химического анализа грунта

Размещено на http: //www. allbest. ru/

По хрому, кобальту и ртути превышения ПДК не отмечено. По нефтепродуктам зафиксирован допустимый уровень загрязнения почв и грунтов. Содержание калия - 40, радия - 226, тория - 232 в грунтах отвалов и откосах карьера не превышает средних фоновых значений. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в грунтах соответствует 1 классу. Величина плотности поверхностного загрязнения грунтов цезием - 137 не превышает среднего значения, характерного для г. Сочи. Присутствие других бета- и гамма-активных радионуклидов техногенного происхождения в грунтах не обнаружено.

Результаты исследований качественных характеристик воды на территории карьера приведены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты химического анализа образцов воды

По данным таблицы 2 водородный показатель всех отобранных образцов воды незначительно превышает ПДК.

Общая минерализация воды родниковой и ручья составляет 2,5-2,66 г/л. В прудке фильтрата минерализация повышалась до 4,63 г/л, что указывает на увеличение присутствия солей в фильтрате. Это соответствует содержанию в образцах воды хлоридов и сульфатов.

Содержание калия в образцах воды практически не менялось, а содержание натрия в прудке фильтрата повышалось. Общая жесткость воды повышалась в ручье на территории карьера и прудке фильтрата в его нижней части.

Показатель ХПК характеризует содержание в воде трудно окисляемых химических соединений. Этот показатель снижается по мере протекания воды по территории карьера.

Показатель БПК характеризует содержание в воде легко окисляемых химических соединений. Он достигает минимального значения в воде прудка фильтрата, что соответствует содержанию нитратов. Содержание нитритов практически не менялось.

Некоторое увеличение содержания нефтепродуктов в родниковой воде объясняется тем, что непосредственно выше родника проходит подъездная дорога для тяжелой техники.

Отвалы аргиллита подвержены опасности ливневой эрозии (рисунок 6), поэтому необходимы исследования по обоснованию противоэрозионной устойчивости грунтов на откосах.

Эксперименты по обоснованию противоэрозионной устойчивости грунтов поверхности отвалов проводили весной 2011 года с использованием экспериментальной дождевальной установки и методики [5]. Варианты дождевания представлены откосами отвалов и карьера:

- откос отвала № 1 (крутизна 32°, плотность слоя грунта 0-10 см - 1,48 г/см3, травы отсутствуют, содержание гумусоподобного вещества - 2,6 %);

- откос карьера (крутизна 39°, плотность слоя грунта 0-10 см - 1,17 г/см3, воздушно-сухая масса трав - 0,47 т/га, содержание гумуса - 1,98 %);

- откос карьера с примитивной почвой (крутизна 27°, плотность слоя грунта 0-10 см - 0,84 г/см3, воздушно-сухая масса трав - 1,23 т/га, содержание гумуса - 5,46 %);

- откос отвала № 4 (крутизна 36°, плотность слоя грунта 0-10 см - 01,35 г/см3, трав нет, содержание гумуса - 1,98 %).

Рисунок 6 Водороина на откосе отвала аргиллита

Результаты исследований, проведенных (31.03 - 01.04.2011 г.) при искусственном дождевании стоковых площадок, показали, что на откосе отвала № 1 (время начала дождевания 14 ч. 03 мин.) сток возник через 6 минут после начала дождевания при значительной мутности сточной воды (173 г/л). На восьмой минуте мутность воды уменьшилась, что связано с начавшимся процессом отмывания на поверхности плиток аргиллита и обломков кристаллических пород. На 11-й минуте после начала дождевания этот процесс завершился. Мутность воды снизилась до 123 г/л. На двенадцатой минуте дождевания сформировались ручейки, русла которых под ударным воздействием дождевых капель были выровнены на 17 минуте от начала дождевания. К окончанию дождевания (14 ч. 29 мин.) наблюдали осыпание подмытых обломков кристаллических пород (при снижении мутности до 89 г/л) с последующим оползанием поверхностного слоя аргиллита (рисунок 7, а).

На откосе карьера имелись цветущие растения мать-и-мачехи обыкновенной, которые оказывали влияние на характер формирования и прохождения стока при искусственном дождевании.

Дождевание начали в 15 ч. 03 мин. Возникновение стока зафиксировали через 3 минуты после начала дождевания. Мутность сточной воды с небольшим расходом в начале стока была 50 г/л, а к середине стока уменьшилась до 10 г/л, так как отмытый щебень защищал откос карьера от ударного воздействия дождевых капель. На 27-ой минуте дождевания расход и мутность возросли. Внешних проявлений эрозии на поверхности откоса не зафиксировано.

На склоне с примитивной почвой дождевание начали в 11 ч. 10 мин. На примитивной почве было сформировано криволесье и травянистый покров (проективное покрытие 100 %) при доминировании злаков, поэтому сток и эрозия почв отсутствовали (рисунок 7, б).

Рисунок 7 Поверхность дождевания а - аргиллит (исходная стадия сукцессий); б - примитивная почва (климаксовая стадия - криволесье + травянистый покров)

На откосе отвала № 4 дождевание начали в 14 ч. 05 мин. Мутный сток (90 г/л) возник через 2 минуты после начала эксперимента. На пятой минуте расход заметно возрос и на 7 минуте начался процесс отмывки щепы в верхней части площадки. Эта щепа стала играть роль мульчи, защищая поверхность отвала от эрозии. На 15-ой минуте на водоприемном лотке образовался конус выноса. Мутность стока при этом составила 54 г/л. На 25-ой минуте дождевания в нижней части стоковой площадки, незащищенной щепой, образовались русла стока, которые под ударным воздействием капель дождя постепенно выровнялись.

В верхней части стоковой площадки, на поверхности которой была отмыта щепа, поверхность не размывалась.

Характеристики эрозии при искусственном дождевании приведены в таблице 3.

Таблица 3 Характеристики эрозии при искусственном дождевании (слой дождя - 90 мм, время дождевания - 30 мин.)

Из данных таблицы 3 следует, что максимальная эрозия наблюдается на откосе грунтового отвала № 1. На откосе карьера эти показатели были значительно ниже, а на откосе с примитивной почвой эрозия отсутствовала.

Регрессионный анализ полученных данных привел к соотношениям:

(1)

(2)

(3)

(4)

В уравнениях (1)-(4) приняты следующие обозначения: - эрозия почв, т/га; - коэффициент стока; - интенсивность впитывания осадков, мм/мин; - плотность поверхностного слоя грунта (почвы), г/см3; - воздушно-сухая масса трав, т/га; - коэффициент детерминации.

Анализ уравнений (1)-(4) показал, что они линейные или степенные, прямые или обратные. Коэффициенты детерминации всех уравнений характеризуют тесные связи.

Следует отметить, что по уравнению (3) эрозия снижается по мере уменьшения плотности поверхностного слоя грунтов и примитивных почв и при плотности менее 1-1,1 г/см3 эрозия практически отсутствует. Резкое возрастание эрозии наблюдается при повышении плотности более 1,4 г/см3. Некоторые исследователи указывают, что возрастание плотности приводит к увеличению сил сцепления между почвенными агрегатами, что может снижать эрозию почв [6].

В нашем случае силы сцепления между частицами аргиллита, перемолотого в процессе проходки тоннелей, практически отсутствуют, так как гумусоподобное вещество аргиллита не обладает склеивающей способностью. Устойчивость грунтовых откосов при этом создается преимущественно за счет зацепления (углов внутреннего трения) частиц друг за друга.

Анализируя уравнения (1)-(4), полагаем, что в процессе зарастания грунтовых откосов сток и эрозия при ливнях будут снижаться вплоть до полного прекращения.

Следовательно, откосы отвала аргиллита необходимо покрывать (землевать) местным грунтом карьера, пригодным для фитомелиорации. Фитоценозы будут формироваться по следующим стадиям сукцессий: в начале весны на поверхности землевания появляются растения мать-и-мачехи обыкновенной; летом текущего года образуются первичные растительных сообществ, в составе которых кроме мать-и-мачехи обыкновенной доминируют псоралея смолистая, поповник девичьелистный, вьюнок полевой, пырей ползучий, кульбаба осенняя, вероника нитевидная, различные виды осота и другие сорные растения; на заключительных этапах сукцессий (продолжающихся в течение десятков лет) в сообществе доминируют древесная растительность и злаки при 100 % проективном покрытии.

Типичные растения-пионеры представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 Доминанты первичного сообщества на откосах а - псоралея смолистая; б - поповник девичьелистный; в - вьюнок полевой и мать-и-мачеха

По результатам исследований нами подготовлены рекомендации производству [7], по которым технический этап формирования внутренних отвалов токсичного грунта с подготовкой для биологической рекультивации включает следующие операции:

- на спланированной поверхности карьерной выемки размещают древесные отходы (пни, расщепленные отрезки стволов и прочее), которые после засыпки первым слоем токсичного грунта (мощностью не менее 5 м) обеспечивают устойчивость формируемого отвала;

- селективную отсыпку отвала проводят до достижения проектных отметок верхней террасы с горизонтальным полотном и углами естественных откосов;

- верхний слой отвала отсыпают смесью грунта и щепы мощностью до 3 м;

- рекультивационный слой образуют при землевании поверхности отвала местным грунтом (мощность землевания не менее 1 м), пригодным для биологической рекультивации в соответствии с ГОСТ 17.5.1.03-86;

- устраивают у подошвы откосов дренажную канаву для отвода поверхностного стока и фильтрата.

Общий вид отвала приведен на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9 Схема внутреннего отвала1 - откосы карьера; 2 - подъездная дорога; 3 -верхняя терраса; 4 - откос; 5 - дренажная канава

Рисунок 10 Поперечный разрез отвала токсичного грунта1 - рекультивационный слой; 2 -насыпной слой грунта, перемешанного со щепой; 3 - токсичный грунт; 4 - крупные древесные отходы; 5 - дренажная канава; 6 -растительность на поверхности землевания

После завершения технического этапа проводят комплекс мероприятий по воссозданию растительного покрова на поверхности землевания грунтового отвала. Перед землеванием на поверхности отвала формируют насыпной слой грунта, перемешанного со щепой в соотношении 5:1 - 10:1 в зависимости от свойств отвального грунта. На этот грунт наносят рекультивационный плодородный слой почвы или потенциально плодородный слой горных пород, обладающих ограниченно благоприятными для роста растений свойствами.

На верхней террасе отвала с нанесенным рекультивационным слоем создают предварительные культуры из древесных растений-мелиорантов (ольха серая, граб восточный и другие). Ряды и междурядья предварительных культур, а также откосы отвала засевают травосмесью многолетних трав. Через 10-15 лет предварительные культуры заменяют насаждениями, в составе которых могут быть клен полевой, ясень обыкновенный, граб кавказский, бук восточный и другие ценные виды.

Рекультивационный слой можно формировать из малопригодных для биологической рекультивации местных пород. При этом оставляют созданный отвал под естественное зарастание древесной и травянистой растительностью.

Список использованных источников

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

2 Ивонин, В. М. Лесомелиорация ландшафтов: учеб. / В. М. Ивонин / НГМА. - Новочеркасск, 2010. - 170 с.

3 Pietsch, W. Recolonization and development of vegetation on mine spoils following brown coal mining in Lusatia / W. Pietsch // International symposium Cottbus, Germany, 5-8 June 1994. - Kluwer Academic Publishers, 1996. - P. 2-15.

4 Katzur, J. Amelioration and Reforestation of sulfurous mine soils in Lusatia (Eastern Germany) / J. Kutzur, M. Haubold-Rosar // International symposium Cottbus, Germany, 5-8 June 1994. - Kluwer Academic Publishers, 1996. - P. 17-32.

5 Предложения по организации мониторинга ценных, редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных и растений в зоне строительства олимпийских объектов / М. Д. Пиньковский [и др.]. - Сочи: НИИгорлесэкол, 2011. - 28 с.

6 Кузнецов, М. С. Эрозия и охрана почв: учеб. / М. С. Кузнецов, Г. П. Глазунов. - М., 1996. - 334с.

7 Пиньковский, М. Д. Рекомендации по применению древесной щепы для рекультивации грунтовых отвалов на территории ФГУ «Сочинский национальный парк» / М. Д. Пиньковский, В. М. Ивонин, А. В. Егошин. - Сочи: НИИгорлесэкол, 2011. - 21 с.

Размещено на Allbest.ru