Воздействие шахтных вод Кизеловского угольного бассейна на состояние рек Кизел и Вильва

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Воздействие шахтных вод Кизеловского угольного бассейна на состояние рек Кизел и Вильва

Скляренко А.М. 1
1МАОУ "Гимназия №17" г.Перми
Столярова М.В. 1
1МАОУ "Гимназия №17" г.Перми
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Пермский край – удивительное место. В XIX веке здесь был открыт пермский геологический период. На территории края встречаются обнажения пород этого периода, которые ученые считают эталонными.

Мы живем в Пермском крае и с удовольствием исследуем его. В прошлом году мы искали «следы» каменноугольного периода и обнаружили в Кизеловском районе реки ярко-оранжевого цвета. Мы заинтересовались причиной этого явления и решили исследовать его.

Из литературных источников мы узнали, что все началось еще 360 млн. лет назад в период карбона, когда на данной территории начались процессы, благодаря которым образовался каменный уголь [1]. В конце XVIII века на территории района начали добычу угля. В горных выработках природные подземные воды взаимодействовали с горными породами, богатыми сульфидной серой. В результате в воды рек попали соли железа, алюминия, тяжелых металлов в концентрациях, превышающих предельно допустимые в сотни, тысячи раз [2]. Несмотря на то, что к 2000 году все шахты были закрыты, в реки продолжают поступать шахтные воды из заброшенных штолен. Такой состав воды губителен для окружающей среды и из малых рек эта вода попадает в крупные реки Пермского края [3].

Мы решили исследовать несколько рек, находящиеся вблизи излива шахтных вод, взять пробы воды и постараться очистить такую воду от опасных примесей.

Гипотеза: в результате добычи каменного угля в Пермском крае продолжают загрязняться реки, но существуют методы очистки такой воды и остановки их дальнейшего загрязнения.

Цель: Определить влияние шахтных вод на текущее состояние рек Вильвы и Кизела, найти способы очистки воды от опасных примесей.

Объект исследования: реки Кизеловского угольного бассейна (КУБ), находящиеся вблизи изливов шахтных вод.

Предмет исследования: поверхностные пробы воды, собранные автором в четырех точках в реках Кизел, Вильва.

В рамках работы необходимо решить следующие задачи:

  1. изучить литературные источники о возникновении и добыче каменного угля, причинах формирования шахтных вод;

  2. составить схему маршрута и осуществить отбор поверхностных проб воды рек Вильва, Кизел [4];

  3. провести самостоятельную оценку качества собранной воды, а также сдать образец на лабораторный анализ;

  4. проанализировать состав примесей в воде и сделать фильтр для очистки;

  5. провести анализ очищенной воды и сделать выводы, возможна ли очистка рек КУБа и спасение окружающей среды от гибели.

Места проведения исследований:

  1. р. Кизел в близи изливов шахтных вод шахты им. Ленина (ниже по течению),

  2. р. Кизел у пос. Расик,

  3. р. Вильва, куда впадает р. Кизел (вблизи пос. Всеволодо-Вильва),

  4. р. Вильва, рядом с ее впадением в р. Яйву (вблизи пос. Яйва).

Для проведения своего исследования мы использовали следующие методы: наблюдение, измерение, сравнение, анализ литературных источников и находок, совершенных нами, презентация полученных результатов.

Современное состояние проблемы

Разработка месторождений полезных ископаемых, в особенности каменного угля, приводит к загрязнению территории угледобывающих районов. Поэтому угледобывающие компании разрабатывают комплекс мер и производят очистку территории. Но к сожалению, так происходит не всегда. На территории Кизеловского угольного бассейна в течение почти 200 лет велась добыча каменного угля. В 2000-х годах месторождение было признано не перспективным и было закрыто. Шахты постепенно заполнились подземными водами, обогащенными вредными для окружающей среды веществами и стали изливаться на поверхность, попадая в реки. В результате в малых реках района течет слабая серная кислота, их экосистема полностью уничтожена.

Излив шахтных вод происходит и в настоящее время. Очистки территории КУБа не происходит. По оценке ученых излив не прекратится в ближайшие 100 лет. Ученые ищут пути очистки, но фактических действий по спасению территории нет.

Жителям Пермского края важно знать о данной экологической катастрофе в из крае. Нужно искать пути решения проблемы, привлекать внимание общественности, государственных служб.

Особенности территории Кизеловского угольного бассейна

Кизеловский угольный бассейн (КУБ) находится в восточной части Пермского края, у подножья Уральских гор (рис. 1). Бассейн расположен на территории Кизеловского, Гремячинского, Чусовского и Губахинского районов Пермского края [5].

 

Рис. 1. Местоположение Кизеловского угольного бассейна.

Рельеф районов холмисто-увалистый, пересеченный долинами рек и ручьев. Около 70% территории покрыто лесом. Крупные реки: Кизел, Яйва, Косьва, Усьва, Вильва. В граница КУБа попадают 11 особо охраняемых природных территорий (пещеры, арки, геологические памятники).

Основным богатством территории были залежи каменного угля. Уголь здесь начали добывать еще в конце XVIII века. Первая штольня по добыче угля была заложена в Кизеловском бассейне в 1797 году. Постепенно начали строиться новые шахты. Перед началом Великой Отечественной войны КУБ занимал третье место в СССР по добыче угля (после Донецкого и Кузнецкого бассейнов). В советское время Кизеловский бассейн превратился в одну из основных топливных баз Урала. В 1950-х гг. добыча угля достигала до 12 тонн в год. Но строительство новых шахт вскоре прекратилось, действующие шахты стали закрываться, угледобыча постепенно снижалась. Закрытие шахт было связано со сложными горно-геологическими условиями, высокой стоимостью добычи и низким качеством угля. Месторождение признали бесперспективным. Последние шахты были закрыты в 2000 году, добыча угля не ведется. Из-за экологических проблем, возникших в период добычи угля, некоторые поселки в районах были заброшены, люди переселены.

До начала1930-х гг. добыча угля велась поверхностно и на небольшой глубине. С 1930-х гг. добычу стали вести на большой глубине: сначала на сотни метров, а позже – более 1 км. Учитывая, что территория КУБа богата карстовыми породами (известняк, доломит), под землей много пустот, пещер и воронок. В шахты в большом объеме стали просачиваться подземные и поверхностные воды. Воды взаимодействовали с горными породами, богатыми сульфидной серой и обогащались солями железа, алюминия, тяжелыми металлами.

 

Рис. 2. Место впадения р. Вильва в р. Яйву. 1 - р. Яйва до впадения в р. Вильва, 2 – р. Яйва после впадения в р. Вильва, 3 – р. Вильва.

В советское время у шахт строили водоотливные комплексы для откачки шахтных вод на поверхность и сброса их в ближайший водоток. Очистка шахтных вод проводилась только от шлама и взвешенных частиц (воду отстаивали в дренажной яме и сливали в реки). Несмотря на то, что шахты закрыты более 20 лет, шахтные воды изливаются до сих пор. В результате в воды рек попадают соли железа, алюминия, тяжелых металлов в концентрациях, превышающих предельно допустимые в сотни, тысячи раз [2] (рис. 2.).

На текущий момент на территории КУБа ведутся замеры расходов изливов шахтных вод на 12 шахтах [5]. Эти воды попадают в реки: Кизел, Яйва, Косьва, Чусовая.

   

Рис.3. Отвал шахты (слева), излив шахтных вод (справа).

Изливы шахтных вод – не единственный источник загрязнения окружающей среды. Отвалы шахт (твердые отходы), которые образовались при добыче угля, также являются источниками загрязнения (рис. 3.). Осадки (снег, дождь) просачиваются через отвалы и также обогащаются теми же опасными элементами, что и шахтные воды.

Сбор проб воды из р. Кизел и р. Вильва

Полевые исследования мы проводили в летний и осенний периоды 2023 года. Были отобраны 4 пробы: 2 пробы из р.Кизел (вблизи изливов шахтных вод шахты им. Ленина и у пос. Расик), 2 пробы из р. Вильва, куда впадает р. Кизел (вблизи пос. Всеволодо-Вильва) и рядом с ее впадением в р. Яйву (вблизи пос. Яйва).

Мы провели поверхностный сбор образцов воды в чистые 1.5-литровые бутыли.

При сборе воды мы обратили внимание на то, что на дне и по берегам рек, а также на близ растущих деревьях есть толстый слой ярко-рыжего осадка (Рис. 4.).

   

Рис. 4. Берег р. Вильва (слева), берег р. Кизел (справа)

Сами реки также ярко-рыжего цвета, живых организмов (рыб, насекомых или их личинок) в реке не обнаружили. Вблизи р. Кизел чувствуется характерный не приятный, металлический запах. Вдоль берега и на дне реки наблюдается достаточно плотный слой техногенного осадка ярко-рыжего цвета.

Анализ воды в домашних условиях

При проведении анализа воды мы использовали:

  1. органолептический метод;

  2. экспресс-тест для определения загрязненности воды в домашних условиях;

  3. лабораторный химический анализ одного из самых загрязненных образцов.

Ниже представлен результат органолептического анализа проб (табл. 1):

Таблица 1.

Точка отбора пробы

Цвет

(норма б./цв.)

Запах

Прозрачность

1

р. Вильва

вблизи пос. Яйва

бледно-рыжий

без запаха

прозрачная, есть мелкая взвесь

2

вблизи пос. Всеволодо-Вильва

рыжий

слабый неприятный

прозрачная, есть мелкая взвесь, по количеству больше, чем в образце №1

3

р. Кизел

вблизи пос. Расик

насыщенно рыжий

металлический

мутная, есть мелкая взвесь

4

у излива шахты им. Ленина

насыщенно рыжий

ярко выраженный металлический

мутная, есть мелкая взвесь в большом количестве

При сборе проб все образцы воды в бутылях были прозрачными, но через несколько часов образцы №3 и №4 стали рыжего цвета (рис.5.).

По результатам экспресс-теста во всех образцах воды обнаружено превышение нормы жесткости (более 10 мг-экв./л), пониженный уровень pH (менее 5 единиц) (рис. 6.).

   

Рис. 5. Образцы воды.

Рис. 6. Результат экспресс-теста образца №2.

Несмотря на то, что капли воды казались прозрачными, в образцах №3 и №4 при просмотре под микроскопом мы обнаружили хлопья темного цвета (рис. 7.).

 

Рис. 7. Капля воды образца №3 под микроскопом (200-кратное увеличение).

Создание фильтра и очистка загрязненного образца

Мы приняли решение изучить подробнее и попытаться очистить самый загрязненный образец №4. А также сдать на лабораторный анализ данный образец до и после очистки.

Изучив предлагаемые учеными способы очистки рек от шахтных вод [5], мы узнали, что подобные экологические проблемы существуют на территориях добычи угля во многих уголках мира. Однако на территории КУБа попыток очистить воду не было ни в годы добычи угля, ни после закрытия шахт.

Нами был проведен эксперимент по очистке пробы воды (образец №4), состоящий из следующих шагов:

  1. Для понижения кислотности в емкость с водой была помещена на 3 суток известь (рис. 8.).

  2. Для удаления взвесей была осуществлена фильтрация воды с помощью двухслойного фильтра: первый слой – кокосовый уголь, второй – песок.

  3. Вода подвергнута неполной заморозке. Часть незамерзшей воды мы слили, т.к. в ней содержатся тяжелые металлы.

   

Рис.8. Помещение извести в воду (слева), собранный (справа).

Полученный очищенный образец по цвету стал менее рыжим, но остался непрозрачным.

Лабораторный анализ образца воды до и после очистки

Мы разделили образец №4 на две части: первую часть отправили на лабораторный химический анализ, вторую часть попытались очистить в домашних условиях согласно описанию из предыдущей главы.

Результаты анализа мы сравнивали с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) подземных и поверхностных вод, указанными в САН ПИН 1.2.3685 (табл.2).

Таблица 2.

Наименование вещества

Величина ПДК (мг/л)

Класс опасности

Сульфаты (SO42)

500,0

4

Никель (Ni)

0,02

2

Железо (Fe)

0,3

3

Алюминий (Al)

0,2

3

Водородный показатель (pH)

6,0-9,0

-

Лабораторный анализ образца до очистки показал, что в образце превышены показатели концентрации алюминия в 92 раза, железа в 3720 раз, сульфат-ионов в 13 раз, никеля в 2 раза. Показатель pH составляет 4.2 ед., что ниже нормы и указывает на повышенную кислотность воды (рис. 9).

 
 

Рис. 9. Результат лабораторного анализа образца до очистки.

После проведения очистки, исследуемый образец мы также сдали в ту же лабораторию. В результате в очищенном образце существенно снизилась концентрация алюминия (на границе ПДК). Концентрации сульфат-ионов и железа снизились не существенно. Концентрация никеля осталась на прежнем уровне. Уровень pH не существенно повысился (рис. 10).

 
 

Рис. 10. Результат лабораторного анализа образца после очистки.

Заключение

Каждый исследователь может изучать территорию, на которой живет, чтобы понять, какой она была в далеком прошлом, предположить, что ждет ее в будущем, а также искать пути исправления ошибок человека, влияющих на экологию. Добыча каменного угля на территории КУБа привела к техногенной катастрофе, которая продолжает загрязнять окружающую среду и в настоящее время.

В результате проведенного исследования мы:

  • совершили несколько выездов на территорию КУБа, увидели изливы шахтных вод, угленосные обнажения каменноугольного периода;

  • собрали поверхностные пробы воды в четырех локациях на реках Кизел, Вильва;

  • провели очистку воды в домашних условиях;

  • провели собственный анализ и лабораторный химический анализ образцов воды до и после ее очистки, проанализировали результаты.

Считаем, что жителям Пермского края нужно знать о критической экологической ситуации на территории КУБа. Необходимо привлекать к данной проблеме как можно больше внимания общественности, отслеживать динамику концентрации загрязняющих веществ, разрабатывать природоохранные мероприятия.

Литература

  1. Софроницкий П.А., Пахомов И.В., Винниковский С.А. Путеводитель стратиграфической экскурсии по карбону Урала / П.А. Софроницкий, И.В. Пахомов, С.А. Винниковский – Пермь, 1972. 107 c.

  2. Имайкин А.К. Шахтные воды Коствинского месторождение Кизеловского угольного бассейна. // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – №5. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14683 Дата цитирования: 20.09.2023.

  3. Тимофеев В.Д. Уголь Западного Урала. История открытия и разработки. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://uraloved.ru/ugol-zapadnogo-urala Дата цитирования: 20.09.2023.

  4. Заика Е.А., Молчанова Я.П., Серенькая Е.П. Рекомендации по организации полевых исследований состояния малых водных объектов с участием детей и подростков/ Е.А. Заика, Я.П. Молчанова. Е.П. Серенькая –М.: Рос. хим.-технол. ун-т им. Д. И. Менделеева, 2001. 100 с.

  5. Максимович Н.Г., Пьянков С.В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения / Максимович Н.Г., Пьянков С.В. - Пермь, 2018. 288 с.

  6. Бажин А. Уральские горы с давних времен. История возникновения и формирования; URL: https://uraloved.ru/uralskie-gory-s-davnih-vremen-istoriya-formirovaniya?ysclid=lapfv4kft42952786 (дата обращения: 20.11.2023).

Просмотров работы: 18