ЕКОЛОГІЧНИЙ СТАН ПРИРОДНО-ТЕХНІЧНИХ ГЕОСИСТЕМ ЛІКВІДОВАНИХ ШАХТ ЛЬВІВСЬКО-ВОЛИНСЬКОГО ВУГІЛЬНОГО БАСЕЙНУ

Abstract

Волощишин А. І. Екологічний стан природно-технічних геосистем ліквідованих шахт Львівсько-Волинського вугільного басейну. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 – Екологія. – Львівський державний університет безпеки життєдіяльності Державної служби України з надзвичайних ситуацій, Львів, 2023. Дисертаційна робота присвячена вивченню особливостям впливу чинників еколого-техногенної небезпеки ліквідованих шахт на підсистему природних об’єктів (ґрунти, поверхневі та підземні водойми, повітря, біота) та ренатуралізації підсистеми штучних об’єктів (девастовані ландшафти) за допомогою фітомеліоративних методів. Дослідження температурних та вологісних режимів згасаючих териконів у весняний період показали, що найбільшими температурними режимами (+33°С-+39°С) характеризувалися ділянки у місцях горіння, які знаходяться на середньому ярусі південної експозиції схилу. Згасаючі відвали внаслідок процесів горіння спричиняють вигорання кореневої системи рослин, що спричиняє ускладнення проведення рекультиваційних робіт. Важливим фізико-хімічним показником відвальної породи є зольність (вміст у відсотках залишку, який не згорає). Середня зольність породи діючих відвалів становить 79,1-79,4%. Найвища зольність, згідно обстежень, притаманна діючому відвалу шахти «Лісова» та становить 88,4%. Найнижча – шахти «Червоноградська» (73,7%). Встановлено, що вміст важких металів у породі неоднорідний. За середнім значенням, перевищення ГДК виявлено для Pb, Ni та Co (шахта «Червоноградська»). Спостерігається аномально високий та нерівномірний вміст Со, дані для якого коливаються від 9,3 мг/кг до 17100 мг/кг. Такий нерівномірний вміст Co у породі може бути пов'язаний із тим, що порода, яка вийнята із шахти на глибинах від 800 м до1100 м відсипається хаотично на різні ділянки відвалу. У нашому випадку, описова статистика та тести Колмогорова- Смірнова, Шапіро-Вілька дає підстави для відхилення припущення щодо нормального розподілу важких металів у породних відвалах, які підлягали дослідженню. Найбільш близькими до нормального є розподіли у відвалах Cu та Zn. Загалом, в нашому випадку кореляційний зв’язок між важкими металами в породі нижче середнього, а у 1/3 випадках взагалі не прослідковується. Непараметричний коефіцієнт Спірмена (rs) виявив середній рівень кореляції вмісту важких металів в парах Mn та Ni (rs=0,46), Mn та Zn (rs=0,52), Ni та Zn (rs=0,58), Cu та Zn (rs=0,49). Оцінку подібності місцеположень за концентрацією хімічних елементів ми здійснювали на основі кластерного аналізу (шахта «Надія»). При цьому ми використовували метод Уорда (Ward's method), при якому всередині кластерів оптимізується мінімальна дисперсія, а в підсумку створюються кластери приблизно однакових розмірів. В якості міри відмінностей використовували відстань Евкліда (Euclidean distances). Головним підсумком ієрархічного кластерного аналізу є дендрограма. Типовий підхід до кластерного аналізу розподілу хімічних елементів полягає у використанні в якості об’єктів елементарних ділянок терикону. Але ми додатково використали і альтернативний підхід. Самі хімічні елементи також можуть виступати в ролі об’єктів аналізу, ознаками яких є їх концентрації на елементарних ділянках терикону. Завдяки такому підходу ми визначили подібність хімічних елементів відповідно до їх розподілу на териконі, зокрема виділили такі асоціації (групи) хімічних елементів: I – Mg, Ca, S; II – Al, Fe, K, Si; III – Cu, Ni, Zn, Cr; IV – P, Mn; V – As, Pb, Co; VI – Sn, Dy, Cd. Для концентрацій Mg i Pb коефіцієнт кореляції r=0.95, Mg i Al – r=0.95, Al i K – r=0.96, P i Fe – r=0.95, Cr i Sn – r=0.81, Fe i Co – r=0.95, Cu i Ni – r=0.92. Слабкий зв’язок демонструють такі пари хімічних елементів : Ca i P – r=0.28, Si i S – r=0.20, Fe i Ca – r=0.35, K i Ca – r=0.29, Fe i С – r=0.21. Найслабший зв’язок щодо концентрації хімічних елементів демонструє Si, для якого середнє 4 значення коефіцієнта кореляції становить 0.36, а також Са (середнє значення r=0.43). Дослідження валового вмісту важких металів Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb у горизонтах 0-15 см і 0-20 см породного відвалу показав, що їх значення не перевищують гранично-допустимі концентрації, які встановлені державними стандартами України для ґрунтів. Значенням, яке перевищує гранично-допустимі концентрації встановлено для Cu (досліджувана ділянка №4) біля підніжжя породного відвалу зі сходу. Проте, показники вмісту важких металів у порівнянні із фоновими значеннями (досліджувана ділянка №6) перевищують за окремими елементами в десятки разів. Встановлено, що найбільш забрудненою важкими металами є досліджувана ділянка №4 у горизонті 0-15 см, яка зосереджена із східного боку біля підніжжя. Показники вмісту важких металів на фоновій ділянці, яка зосереджена в радіусі 3 км від породного відвалу, є найнижчими у горизонті 0-15 см. Основна особливість формування екотопів відвалу пов’язана із зростанням концентрації всіх без винятку хімічних елементів у порівнянні з природним фоном. Найбільш тісний зв’язок з інтенсивністю антропогенного навантаження демонструють Mg, Pb, Sn, Fe, Al, Cu, P, Ni, Zn. Відмінність між екотопами різних експозицій відвалу пояснюється в основному рівнем концентрації Са і Al. Графічна візуалізація геохімічної інформації на основі типологічних схем та двовимірних діаграм, де осями слугують концентрації хімічних елементів, може використовуватися для прогнозування динаміки рослинного покриву. Досліджено геохімічні властивості підтериконових вод у межах Червоноградського гірничопромислового району та запропоновано відновлення довкілля навколо техногенних водойм породних відвалів за допомогою систем біоплато. Встановлено, що рН середовища (підтериконових вод) знаходиться у діапазоні від сильно кислого (шахта «Межирічанська») до лужного (шахти «Великомостівська», «Степова», «Зарічна», «Червоноградська»). Підтериконові стічні води впливають на рН ґрунту, а це, 5 в свою чергу, впливає на розвиток лісових та сільськогосподарських культур. Вміст заліза загального перевищує ГДК для підтериконових вод шахт «Межирічанська» (у 4,88 рази) та «Лісова» (у рази 5,6 рази). Вміст сульфатів у підтериконових водах перевищує ГДК для шахт «Межирічанська» (у 12,6 рази), «Зарічна» (у 2,16 рази), «Лісова» (у 3,25 рази), «Червоноградська» (у 2,5 рази). Вміст фтору у підтериконових водах перевищує ГДК лише для шахти «Межирічанська» (у 2 рази). Враховуючи кислу реакцію середовища та невисокі значення температури субстратів колонії дощових черв’яків (Lumbricus terrestris) у едафотопах териконів є незначними. Оскільки, на північних експозиціях схилів зосереджується найбільша кількість вологи та прийнятні температурні режими для життєдіяльності дощових черв’яків, то саме тут спостерігаються їх найбільші колонії: на глибині 10 см - 18 шт. із біомасою 9,6 г/м2; на глибині 20 см – 7 шт. із біомасою 4,8 г/м2. В рамках біологічного етапу рекультивації (фітомеліорації) породних відвалів рекомендуємо використати значний рослинний посадковий матеріал. Деревні породи: береза повисла (Betula pendula Roth.), осика (Populus tremula L.), робінія псевдоакація (Robinia pseudoacacia L.), сосна звичайна (Pinus sylvestris L.) і дуб звичайний (Quercus robur L.). Чагарникові види: крушина ламка (Frangula alnus Mill.), бузина чорна (Sambucus nigra L.) і аморфа кущова (Amorpha fruticosa L.). Трав’янисті види: мати-й-мачуха (Tussilago farfara L.), конюшина повзуча (Trifolium repens L.), осока волосиста (Carex pilosa Scop.), полин звичайний (Artemisia vulgaris L.), лобода біла (Chenopodium album L.) і тонконіг лучний (Poa pratensis L.). Усі запропоновані у асортименті види адаптовані до природно-кліматичних умов регіону, складних ґрунтових умов та володіють підвищеною енергією росту і розвитку і розгалуженою кореневою системою. Під час протікання фітомеліоративного процесу виділено три “маркерні” порівняльні етапи на 3-й, 5-й та 10-й рік розвитку. Первинний етап, ще до початку етапів фітомеліорації характеризується вираженими негативними 6 екзогенними ознаками: водно-ерозійними вибоїнами, ярами, зсувами скам’янілих порід, слідами впливу вітрової ерозії. Рослинний покрив “мозаїчний”, представлений поодинокими екземплярами берези повислої (Betula pendula Roth.) висотою від 2 до 5 та сосни звичайної (Pinus sylvestris L.) висотою біля 1м. Аналіз фітомеліоративного процесу на третьому році, засвідчить проходження початкового етапу первинної сукцесії, на якому девастована порода вкривається першими вищими трав’янистими рослинами, які ростуть і розвиваються практично без конкуренції за простір, вологу і мінеральне живлення. На даному етапі кожна рослина та їх нечисленні групи починають формувати індивідуальне фітогенне поле. На п’ятому році фітомеліоративного процесу проявляться ознаки етапу розвитку авангардних видів деревно-чагарникової рослинності, на якому невимогливі до грунтово - кліматичних умов, переважаючих вітрових потоків, види чагарників та дерев створюють необхідні передумови для подальшого розвитку фітогенних полів, зелені площі набувають значних розмірів практично на усій площі присутнє змикання трав’янистого покриву. Досліджувана ділянка входить у стадію вторинної сукцесії. З 7-8 року наступає етап розвитку деревної рослинності. Склад насадження збагачується на більш вибагливі види дерев і чагарників, які формують стійкі багатоярусні фітоценози. Додається чагарниковий вид Sambucus nigra L. та деревні види Populus tremula L., Robinia pseudoacacia L. і Quercus robur L. Простежується формування стійкого трьохярусного насадження за участю трав’янистих, чагарникових і деревних видів. інтенсифікується конкуренція за простір заростання, вологість та поживні мінеральні ресурси. Загалом, на породних відвалах вугільних шахт досліджуваного регіону виявлено 49 видів рослинності, які виникли в процесі природного заростання та які належать до 23 родин. Розрахунок коефіцієнта фітомеліоративної ефективності здійснили для усіх періодів протікання фітомеліоративного процесу. Загальна площа досліджуваної ділянки становить 280 м2. Виходячи із проведених розрахунків зміни динаміки коефіцієнтів фітомеліоративної ефективності на різних етапах фітомеліоративного процесу (KFM=0,155-4,485), доцільним є проведення рекультиваційних і фітомеліоративних робіт на поверхні породних відвалів.