Теоретические и прикладные основы восстановления техногенных ландшафтов до уровня природных



Скачать 447.82 Kb.
страница1/2
Дата24.04.2016
Размер447.82 Kb.
ТипДиссертация
  1   2


Для заказа доставки данной работы воспользуйтесь поиском на сайте по ссылке: http://www.mydisser.com/search.html


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В. ДАЛЯ

На правах рукописи



ЗУБОВА ЛИЛИЯ ГРИГОРЬЕВНА

УДК 504.06:622.33




ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ДО УРОВНЯ ПРИРОДНЫХ

(на примере терриконовых ландшафтов Донбасса)


Специальность 21.06.01 – "Экологическая безопасность"


Диссертация на соискание научной


степени доктора технических наук

Научный консультант

СМИРНЫЙ М.Ф.

доктор технических наук,

профессор

Луганск - 2004


СОДЕРЖАНИЕ





ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ CОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ТЕХНОГЕННОЙ

ОПАСНОСТИ ТЕРРИКОНОВЫХ ЛАНДШАФТОВ

ДОНБАССА И СПОСОБОВ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ . . . .


17





1.1. Ландшафты и их место в иерархии геосистем . . . . . . . . . . . .

1.2. Естественные ландшафты региона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Формирование антропогенных терриконовых ландшафтов .

1.4. Изменение природных компонентов ландшафтов под

воздействием террикоников и угольной промышленности

в целом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.1. Изменение рельефа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.2. Изменение климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.3. Изменение водных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.4. Изменение коры выветривания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.5. Изменение почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.6. Изменение растительного покрова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5. Анализ известных способов восстановления

терриконовых ландшафтов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



17

19

21



25

26

27



29

31

31



34
37

РАЗДЕЛ 2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


48





2.1. Цель и задачи исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. Методика проведения исследований и экспериментов. . . . . .

2.2.1. Методика исследования изменений природных

компонентов и геохимической трансформации

ландшафтов под воздействием террикоников . . . . . . . . . . .

2.2.2. Методика исследования возможности использования

физико-геологических и геохимических процессов в

террикониках для целей утилизации отвальной породы . . .

2.2.3. Разработка технических мероприятий, снижающих

стоимость и трудозатраты на выполнение работ по

рекультивации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.4. Методика изучения продуктивности рекультивированных

терриконовых ландшафтов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.5. Методики, разработанные в процессе исследований . . . . .

2.3. Объекты исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


48

49

49



53

54
55

64

73


РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ

ТРАНСФОРМАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ КАЛЬЦИЕВЫХ

ЛАНДШАФТОВ ДОНБАССА В АНТРОПОГЕННЫЕ

СЕРНОКИСЛЫЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


84





3.1. Окислительно-восстановительная обстановка

и окислительно-восстановительный потенциал отвальных

пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2. Влияние жизнедеятельности организмов на экзогенные

процессы в отвалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3. Изменение температуры и давления при окислении

отвальных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4. Поверхностные силы коллоидных систем. . . . . . . . . . . . . . . .

3.5. Комплекс типоморфных элементов и концентрация

водородных ионов в терриконовых ландшафтах. . . . . . . . . . .

3.6. Радиоактивность конических отвалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7. Геоморфологические особенности террикоников, степень

электролитической диссоциации и внутреннее строение

атомов и ионов отвальных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



91
96


97

98
101

104

111


РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИИ ТЕРРИКОНИКОВ . . .

126




4.1. Распределение конических отвалов с учетом эндогенных и

экзогенных факторов их образования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.1. Влияние геологического строения карбона Донбасса на

состав отвальной массы терриконников . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.2. Особенности выветривания отвалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


    1. Классификация отвалов по их техногенной опасности. . . .

    2. Обеспечение экологической безопасности террикоников с

помощью поэтапной утилизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4. Обеспечение экологической безопасности террикоников

с помощью поэтапной рекультивации их поверхности . . . .


    1. Пример использования классификаций . . . . . . . . . . . . . . .

126
126

133

138
149


150

151


РАЗДЕЛ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ

БЕЗОТХОДНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТВАЛЬНОЙ ПОРОДЫ .


156





5.1. Теоретическое обоснование использования породы

террикоников в металлургии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1.1. Получение металлов из сульфидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1.2. Получение металлов из силикатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1.3. Получение алюминия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2. Комплексная безотходная утилизация отвальной породы. . .


156


160

162


170

173


РАЗДЕЛ 6. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ТЕРРИКОНОВЫХ ЛАНДШАФТОВ С ПОМОЩЬЮ

РЕКУЛЬТИВАЦИИ ИХ ПОВЕРХНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . .


181





6.1. Проведение рекультивационных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2. Усовершенствование горнотехнического этапа

рекультивации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Эколого-биологическая характеристика фитоценозов,

сформировавшихся в результате рекультивации . . . . . . . . . .

6.3.1. Терриконик №1 шахты "Черноморка". . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3.2. Терриконик № 2 шахты "Кременная-Западная". . . . . . . . . .

6.3.3. Плоский отвал шахты им. М.Л.Рухимовича. . . . . . . . . . . . .

6.4. Характеристика процесса формирования временных почв

после рекультивации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.1. Теоретически возможные типы почвообразования . . . . . . .

6.4.2. Влияние экологического потенциала минеральной части

грунтов террикоников и органической части (лесной

растительности) на формирование временных почв. . . . . .

6.5. Оценка степени восстановления продуктивности

в результате рекультивации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5.1. Биологическая продуктивность естественных лесных

ландшафтов Донбасса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5.2. Теоретически возможный уровень биологической

продуктивности терриконовых ландшафтов в результате

проведения рекультивации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5.3. Фактическая биологическая продуктивность

рекультивированных терриконовых ландшафтов . . . . . . . .



181
199
213

213


224

225
229

229

232
238


238

241
242



РАЗДЕЛ 7. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕРРИКОНОВЫХ ЛАНДШАФТОВ


255





7.1. Экологическая оценка отрицательного воздействия отвалов

7.2. Расчет платы за вредное воздействие отвалов . . . . . . . . . . . .

7.3. Экономическая оценка эффективности восстановления

терриконовых ландшафтов и окупаемость затрат . . . . . . . . .



255

260
262



ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ПРИЛОЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


269

274


297

ВВЕДЕНИЕ
Состояние и актуальность проблемы. Исторически сложилось так, что объекты угольной промышленности являются градообразующими, вокруг них создавалась и формировалась насыщенная техногенная структура. В настоящее время практически весь Донецкий регион превратился в перенасыщенную антропо-техногенную зону, в которой любое проявление природной или техногенной опасности может стать катастрофой. Именно поэтому защита и восстановление окружающей среды в регионе, обеспечение экологической безопасности являются чрезвычайно актуальными [1].

На территории Донбасса уже более 200 лет производится подземная добыча угля. Шахтные комплексы изменяют до неузнаваемости естественные ландшафты [2]. На месте природных, пусть и не очень богатых растительностью, степных ландшафтов образуются техногенные, изобилующие прудами-отстойниками, производственными зданиями, террикониками. Последних на территории региона более 1500. Почвы, запечатанные под отвалы и не выполняющие свои экологические функции, на территории Донбасса составляют 11 тысяч гектаров. На прилегающих к отвалам территориях растительность ослаблена, то есть биологическая продуктивность здесь ниже нормы. Это происходит потому, что отвальная порода, повсеместно содержащая сульфиды, окисляется. Окисление сопровождается образованием серной кислоты и ее соединений, горением отвалов, миграцией воздушным путем вредных газов и пыли, водным – радионуклидов и тяжелых металлов. Токсичные вещества, мигрирующие с террикоников, воздействуют не только на растительность прилегающих территорий, но и на другие компоненты степных ландшафтов, изменяя их естественные геохимические особенности. Однако эти изменения недостаточно изучены.

Утилизация отвальной породы – одно из направлений прекращения вредного воздействия террикоников на окружающую среду и восстановления ландшафтов. Кроме известных способов использования породы с целью получения строительных материалов и удобрений новые направления утилизации пока не разработаны. Не изучен химический состав отвальной породы на предмет наличия в отвалах угольных шахт запасов некоторых металлов, соизмеримых по объему с природными месторождениями полезных ископаемых, получение которых для Украины будет экономически выгодным, тем более что в настоящее время многие из минеральных ресурсов уже почти исчерпаны, что является одной из глобальных экологических проблем. По данным Коваленко П.А. и Коваленко К.Г. все благородные, легкие и цветные металлы исчерпаются в начале третьего тысячелетия, железо и легирующие металлы в большинстве своем - к 2100 году [3]. Поэтому именно сейчас целесообразно рассматривать техногенные отходы как альтернативный вариант пополнения природных ресурсов.

Вторым направлением восстановления терриконовых ландшафтов является рекультивация поверхности отвалов. В настоящее время ее горнотехнический этап часто выполняется без экономического и экологического обоснования применяемых инженерных методов. Да и сами методы не совершенны. Все это делает рекультивационные работы очень дорогостоящими. Поэтому необходима разработка технических мероприятий по снижению стоимости и трудозатрат на выполнение рекультивации террикоников и более совершенный подход к выбору ее методов.

В связи с вышеизложенным возникает актуальная научно-прикладная проблема разработки теоретических и практических основ восстановления терриконовых ландшафтов Донбасса до уровня природных с целью повышения уровня экологической безопасности окружающей среды. Решению этой проблемы путем разработки новых направлений утилизации, а также усовершенствования рекультивации поверхности отвалов и посвящена диссертационная работа.



Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ Восточноукраинского национального университета им. В. Даля; в частности, в научно-исследовательской работе "Теория информационных диагностических систем экологического оснащения" (№ ГР 0198U002853), в подпрограмме "Научные основы обеспечения экологической безопасности в регионе" автор, как исполнитель, обосновал рациональные методы восстановления терриконовых ландшафтов до уровня природных. В диссертации использованы результаты хоздоговорной научно-исследовательской работы «Разработка рациональной агротехники и технологии озеленения террикоников ПО «Лисичанскуголь», в которой под руководством и при непосредственном участии автора была разработанная технология и проведена рекультивация террикоников ПО "Лисичанскуголь".



Цель и задачи исследования. Цель работы – повышение уровня экологической безопасности в регионе на основании разработки методологии восстановления терриконовых ландшафтов Донбасса новыми способами утилизации отвальной породы и усовершенствования горнотехнической рекультивации поверхности отвалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследований:

1. Оценить изменения естественных компонентов и определить сущность техногенной опасности при геохимической трансформации ландшафтов под влиянием террикоников.

2. Разработать классификации террикоников с учетом эндогенных и экзогенных условий их образования и с оценкой их техногенной опасности, которые позволят экономически и экологически обосновано использовать методы их утилизации или рекультивации.

3. Установить параметры и закономерности физико-геологических и геохимических процессов в террикониках и определить направления и способы использования этих процессов для целей утилизации отвальной породы и, соответственно, для обеспечения экологической безопасности в регионе.

4. Обосновать теоретические основы комплексной безотходной утилизации террикоников как одного из направлений повышения уровня экологической безопасности.

5. Разработать технические средства и технологические решения, которые снижают стоимость и трудоемкость работ по рекультивации террикоников.

6. Определить биологическую продуктивность рекультивированных террикоников как критерий оценки эффективности восстановления терриконовых ландшафтов и степени снижения техногенной опасности.



Объект исследований – техногенное уменьшение уровня экологичес-кой безопасности терриконовых ландшафтов вследствие физико-геологических и геохимических процессов в отвалах горных пород.

Предмет исследований – закономерности физико-геологических и геохимических процессов как основы разработки способов восстановления терриконовых ландшафтов до уровня природных.

Методы исследований. При проведении исследований использованы теоретические и экспериментальные методы, в частности: эмиссионный спектральный анализ – при изучении химического состава отвальных пород, почв и растений; статистический анализ – при обработке результатов изучения радиоактивности террикоников и эффективности экранирования плодородным субстратом их плоских вершин; математическое моделирование и идентификация моделей по экспериментальным данным – при оценке влияния окисления пирита на радиоактивность отвалов, определении продолжительности химического выветривания отвальных пород и изучении быстрого разрушения кристаллических решеток алюмосиликатов в условиях горения террикоников; таксационный анализ – при оценке состояния и продуктивности насаждений на рекультивированных отвалах.

Идея работы состоит в использовании закономерностей физико-геологических и геохимических процессов, которые происходят в терриконовых ландшафтах, с целью их восстановления до естественного, экологически безопасного состояния.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые установлены особенности миграции ионов химических элементов в терриконовых ландшафтах, рассмотрено влияние на нее внутренних и внешних факторов, доказана геохимическая трансформация естественных кальциевых ландшафтов Донбасса под влиянием террикоников в антропогенные сернокислые.

2. Впервые для террикоников угольных шахт установлены зависимости между литологическим составом отвальных пород и степенью их метаморфизма и геохимической активностью террикоников и их высотой. На основе этих зависимостей, описанных математическими формулами, предложены оценочные критерии, с помощью которых разработана новая классификация террикоников, позволяющая выбирать наиболее рациональные методы восстановления терриконовых ландшафтов.

3. Обосновано принципиально новое направление утилизации терриконовой породы, отличающееся от существующих тем, что перед переработкой породы в строительные материалы или в углеудобрения часть ее используют как сырье для металлургии.

4. Впервые выявлена аналогия между ключевыми этапами геохимических процессов, происходящих в отвальной породе, и процессов промышленного кислотного способа получения алюминия, на основе которой разработаны теоретические подходы получения металлов из отвальной породы, позволяющие обосновать новый экономически выгодный способ получения алюминия, галлия и германия.

5. Установлено оптимальное количественное соотношение между объемами речного ила и отвальной породы в смеси, которая предложена для экранирования плоских вершин террикоников с целью улучшения лесорастительных свойств породы при биологической рекультивации отвалов.

6. Разработаны новые методические подходы к оценке степени восстановления нарушенных территорий до уровня естественных, базирующиеся на определении биологической продуктивности рекультиви-рованных террикоников, избранной в качестве критерия оценки их экологической безопасности.

7. На основе изучения особенностей развития искусственных лесных насаждений на исследуемых террикониках впервые обоснована возможность упрощения лесной рекультивации склонов породных отвалов путем их частичного облесения или использования гидропосева семян древесных культур и трав согласно двум разработанным способам, первый из которых базируется на использовании особенностей естественного эрозионно-гидрологического процесса на склонах отвалов и способности культур к самосеву, а второй - на перераспределении семян по поверхности терриконика от его верхушки искусственными водными потоками.

Полученные результаты позволили обосновать следующие научные положения.

1. В результате появления террикоников происходит трансформация естественных кальциевых ландшафтов Донбасса в экологически опасные антропогенные сернокислые. Серная кислота и ее соединения, образующиеся при окислении имеющегося в террикониках пирита, переводят тяжелые металлы и радиоактивные элементы минералов отвальных пород в подвижную форму, а водная эрозия, усиленная конической формой отвалов, способствует их миграции на прилегающую территорию. Результатом столкновения двух миграционных потоков (антропогенного сернокислого и естественного кальциевого) является образование на значительной площади физико-химических и биогеохимических барьеров с накоплением в почвах и растениях в аномальных концентрациях (в 1,3-16,6 раза выше ПДК) Co, Ni, Cu, Zn и других элементов-загрязнителей.

2. Эффективным способом снижения экологической опасности террикоников является их поэтапная (соответственно геохимической активности) утилизация; при этом первыми целесообразно перерабатывать объекты высотой 50 м и более с продолжительной стадией окисления пирита как постоянные источники загрязнения окружающей среды токсичными элементами; одновременно надо утилизировать свежеотсыпанные отвалы, на которых еще не начался процесс окисления; старые перегоревшие терриконики утилизируют во вторую очередь, а горящие отвалы перерабатывают после их полного геохимического перехода в состояние «перегоревшие».

3. Экологически целесообразный, технически и экономически выгодный путь переработки отвальной породы состоит в получении алюминия, галлия и германия, которые изоморфно вошли в алюмосиликаты и сульфиды в минимальных промышленных концентрациях; при этом стоимость кислотного способа снижается в 2 раза если использовать для разрушения алюмосиликатов естественную серную кислоту, которая образуется при ускоренном биохимическом окислении пирита отвальных пород по кучному методу.

4. Снижение экологической опасности террикоников, сохранение полезных элементов в отвалах для будущего использования обеспечивается биологической рекультивацией их поверхности, которая позволяет ускоренно, экологически целесообразным путем создавать в условиях техногенного экотопа новые временные почвогрунты и стойкие фитоценозы с уровнем биологической продуктивности близким к среднезональному (3 м3/га). Эколого-экономический результат усиливается с помощью предложенного экранирования верхушки плоских отвалов смесью пород с речным илом.

Практическое значение полученных результатов состоит в том, что они использованы как основа методик, способов, классификаций, технических решений, устройств, обеспечивающих эффективное восстановление терриконовых ландшафтов до уровня природных, в частности:

- универсальной методики определения количественных показателей загрязнения тяжелыми металлами территорий, прилегающих к отвалам угольных шахт;

- способа учета количества продуктов водной эрозии, которые поступают с террикоников на близлежащую территорию (патент Украины № 42978А), упрощающего экологический мониторинг терриконовых ландшафтов и повышающего его информативность;

- классификации террикоников на основе их геохимической активности, которая позволяет выбирать более рациональные направления и методы утилизации или рекультивации;

- обоснованы принципиальные схемы безотходной утилизации террикоников, в которых отвальная порода применяется как сырье для металлургии (патенты Украины №№ 34830А, 44988А, 52904А, 52907А, 52908А, 53848А);

- новых экономических способов промышленного получения галлия, германия, висмута и алюминия из отвальной породы;

- нового метода рекультивации террикоников, в котором экран из дорогостоящей плодородной почвы на плоских вершинах заменен на смесь отвальной породы с речным илом;

- устройств для подготовки поверхности террикоников к озеленению (патенты Украины № 34829А и № 46510А), которые обеспечивают снижение затрат работы и повышение ее продуктивности.

Основные положения диссертации внедрены в Госуправлении экологии и природных ресурсов в Луганской области и на предприятиях ПО "Лисичанскуголь" (справка № 3 от 15.01.2004 г.).

Теоретические разработки автора использованы в учебном процессе Восточноукраинского национального университета им. Владимира Даля при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам "Геохимия окружающей среды" и "Экология Донбасса" (акт внедрения № 107.115-48), а также в учебном курсе "Ландшафтная экология и рекультивация земель", который вошел в состав материалов, за которые университету была присуждена Золотая медаль на Международной выставке учебных заведений "Современное образование в Украине - 2004" (справка № 107.115-94 от 12.04.2004 г.).




  1   2


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал