Возможности использования внутрикарьерного водоема Итатского месторождения бурых углей для рыбоводческих целей

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

Личный портфель

Возможности использования внутрикарьерного водоема Итатского месторождения бурых углей для рыбоводческих целей

Крашенина М.С. 1
1МБУДО "Дом детского творчества"
Муковозчикова Е.Н. 1
1МБУДО "Дом детского творчества"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Центральные районы Красноярского края наиболее антропогенно нарушенные территории, что связано с наиболее благоприятным климатом для проживания и освоения региона. Одним из факторов, влияющим на состояние окружающей среды, является добыча бурых углей Канско-Ачинского бассейна, в составе которого разведано 34 месторождения. В настоящее время разрабатываются – 11 [9]. В результате открытой добычи топлива из сельскохозяйственного оборота изымаются большие площади наиболее плодородных земель, происходит коренная трансформация рельефа, исчезают поверхностные реки, деградирует почвенный покров, и формируются техногенные образования: отвалы, искусственные водоёмы. И если по восстановлению растительности на отработанных техногенных отвалах месторождений проведено много исследований, то возможности использования внутрикарьерных водоемов отработанных месторождений бурых и каменных углей рассматриваются не достаточно.

Проблема в том, что в ходе производственной деятельности горных предприятий, связанной с буровзрывной подготовкой горной массы, применяются промышленные взрывчатые вещества на основе аммиачной селитры (нитрат аммония NH4NO3), которые являются источником загрязнения дренажных вод, поступающих во внутрикарьерные водоемы. Кроме того необходимо учитывать состав вмещающих пород, из которых в искусственные водоемы могут поступать химические соединения. Их ПДК может значительно превышать допустимые нормативы для рыбохозяйственных водоемов.

Гипотеза. Предполагается, что органолептические и химические показатели воды внутрикарьерного водоема Итатского угольного разреза позволят провести биорекультивацию и использовать его для рыбоводных целей.

Объект исследования: химический состав воды и особенности ложа внутрикарьерного водоема Итатского месторождения бурых углей. Предмет исследования: оценка состояния воды для биологической рекультивации карьера Итатского буроугольного месторождения в целях разведения рыбы.

Цель работы: Изучение условий для осуществления рыбоводной деятельности во внутрикарьерных водоемах Итатского месторождения бурых углей. Задачи: 1. Определить морфометрические характеристики карьерного водоема Итатского месторождения бурых углей. 2. Выявить особенности донных отложений. 3. Оценить химический состав воды карьерного водоема с учетом нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. 4. Определить источники поступления вредных веществ в водоем и возможности их минимизации.

Разработанность проблемы. Исследования по оценке скорости восстановления гидробиоценозов карьерных водоемов и их использования для рыбоводных целей проводятся с 1985 г. по настоящее время на территории бывшего СССР (бассейны рек: Лена, Амур, Обь, Кама, Волга, Сыр-Дарья и др.). Объектами исследования ученых послужили разнообразные карьерные образования, сформировавшиеся в результате добычи россыпного золота, песчано-гравийной смеси, а также разработки открытых месторождений каменного угля [2,7]. В публикации В.Н. Бурик, М.В. Горюхина представлен анализ типов добываемого минерального сырья и видов обводненных карьеров, потенциально пригодных для целей рыбоводства. Это глубокие песчаные, песчано-гравийные и гравийно-галечниковые карьеры, а также мелкие болотистые, торфяные карьеры и затопленные дренажные канавы. Из всех представителей ихтиофауны региона выделены эврибионтные и лимнофильные (озерные) виды, в жизненном цикле которых нет необходимости протяженных миграций, и условия карьеров могут считаться приемлемыми для их искусственного разведения [6]. Однако, если большинство рекультивируемых водоемов возникают на месте добычи минерального сырья (песок, глина) без применения взрывчатых веществ, то последствием открытых разработок углей является загрязнение дренажных вод соединениями азота, входящими в состав аммиачной селитры. Неочищенные от соединений азота (ионы аммония, нитрит-ионы и нитрат-ионы) дренажные воды сбрасываются для осушения карьерного поля в отработанные горизонты проходческой канавы.

Для соединений азота в водных объектах гидросферы характерен биогеохимический круговорот, приводящий к трансформации наиболее токсичных форм аммонийного (ионы NH4+) и нитритного (ионы NO2–) азота в нитратный азот (ионы NO3–) [8]. Токсичность ионов аммония и нитрат-ионов представляют экологическую опасность как для гидробионтов, особенно для рыб, так и для человека. Следствием биогенной нагрузки на водную экосистему является усиление процессов эвтрофирования водоемов, замор и гибель рыбы и других гидробионтов

Новизна работы. Впервые рассмотрены условия для биологической реабилитации внутрикарьерных водоемов в целях разведения рыб на примере Итатского буроугольного месторождения. Определено качество воды, состояние берегов и ложа водоема, дана санитарная оценка соответствия полученных данных требованиям к искусственным водоемам для рыбоводческих целей.

Методы исследования

Для реализации поставленных задач методами картографического анализа, спутникового мониторинга дана оценка изменения морфометрических показателей искусственного водоема за последние 45 лет. Диском Секки определена прозрачность воды, эхолотом Piranya - глубины внутрикарьерного водоема. Маршрутными и стационарными методами собрана информация о состоянии береговой линии и склонов, виды донных отложений и их мощность, степень зарастания искусственного водоема.

Пробы воды отбирались из внутрикарьерного водоема дважды в год: в феврале и сентябре 2024 года с глубины 20 см и 3,7 м на двух пробных площадках (Рисунок 1). Выбор времени отбора проб обусловлен началом занятий в Школе исследований.

Рисунок 1 – Отбор проб воды

Для оценки качества воды использовались органолептические методы анализа [5]. Анализу воды предшествовало определение водородного показателя. Временная жёсткость воды определялась титриметрическим методом. Так как вода, содержащая гидрокарбонаты кальция и магния имеют щелочную реакцию, то определение карбонатной жёсткости осуществлялось титрованием воды соляной кислотой в присутствии универсального индикатора. Временная жёсткость вычислялась по формуле:

, где

Ж врем - временная жёсткость в мг-экв/л;

Сн (HCl) – концентрация раствора соляной кислоты в моль/л;

V сред. (HCl) - объём соляной кислоты, потраченный на титрование в

мл;

V(H2O) - анализируемой воды в мл [5].

Определение сульфатов выполнялось турбидиметрическим методом по мути. Для первичной пробы к 5 мл воды прибавляли 4-5 капель HCI (1:1) и 0,5 мл 10 % раствора BaCI2. При наличии в воде карбонатов и бикарбонатов, которые дают такой же белый осадок, добавляется серная кислота для их разрушения. По характеру выделяющейся мути и осадка ориентировочно судили о содержании сульфатов в исследуемой пробе. Методами титрования были определены концентрации хлоридов и карбонатов [5]. Растворенный в воде кислород определялся по Винклеру. Содержание нитратов, аммиака и аммония, фосфатов, железа общего, перманганатной окисляемости проводилось колориметрическим методом с помощью тестов Nilpa и VladOx, High-precision test (Рисунок 2. Рисунок 3). Общая жесткость определялась по электропроводности датчиком лаборатории «Экопатруль». Полученные данные электропроводности переводилась в единицы жесткости с помощью графика И.Г. Хомченко [9]. Все анализы осуществляли в трёхкратной повторности. Средние показатели и стандартное отклонение рассчитывалось в программе Microsoft Office Excel 2010. Частично анализы проводились на базе лаборатории МУП «Водоканал».

Рисунок 2 - Определение

карбонатной жесткости воды

Рисунок 3 – Определение перманганатной окисляемости (Фото автора)

Поскольку породы и пласты угля содержали радиоактивные элементы, радиационный фон измерялся RADEX RD1503, который позволяет оценить радиационную обстановку по величине амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения с учетом загрязнения объектов источниками бета-излучения.

Результаты исследования

Искусственный водоем находится на горизонте с абсолютной высотой 230,12 м Итатского месторождения бурых углей. Расположен в 0,63км севернее поселка Итатский, Тяжинского района, Кемеровской области. Образование водоема связано с накоплением карьерных вод и, возможно, разгрузкой подземных источников, вскрытых в результате добычи бурого угля (Рисунок 4). Относительное превышение над поверхностью техногенных отвалов составляет от 30 м в южной части до 6 м в восточной. Берега крутые, откосы карьера не выравнены, большая часть из них задернована. При крутизне более 600 часто образуются оползни и обвалы, что может привести к поступлению дополнительных питательных элементов извне и цветению водоема.

Максимальная ширина водоема – 370 м, минимальная – 46,95 м. Протяженность водоема с севера на юг - 1,24 км, длина береговой линии – 3,82 км, площадь – 181310,54 м2 (Рисунок 5).

Рисунок 4 - Внутрикарьерный водоем Итатского месторождения бурых углей (фото автора)

Рисунок 5 - Фрагмент спутниковой карты внутрикарьерного водоема с местами отбора проб (https://www.google.com/maps )

Средняя глубина составляет в пределах 6-12 м. Дно искусственного водоема неровное за счёт останцев и отложений, складируемых в понижении проходческой канавы. Берега и донные отложения представлены раздробленными слабо сцементированными песчаниками и алевролитами, содержащими небольшие прослои сажи. Водоем незначительно зарос околоводной растительностью, берега покрыты зарослями облепихи и ивы козьей. Конфигурация и площадь карьерного водоема изменялась в процессе извлечения из проходческой канавы вскрышных пород и бурого угля. В 1985 г. в результате добычи образовалась южная часть, позднее, в 2016 г. - северный изолированный водоем. В 2021 г. в результате выработки пластов бурого угля они соединились перемычкой и образовали единое водное пространство. Водоем не проточный, связи с р. Большая Итатка, протекающей в 400 м юго-западнее, не имеет.

В связи с тем, что отличие физико-химических показателей проб воды с двух пробных площадок не значительны, мы взяли усредненные данные. По органолептическим показателям вода прозрачная, без запаха и вкуса. рН проб воды изменяется от 7,5 до 8,4, как по сезонам года, так и по гипсометрическому профилю (Рисунок 6. Рисунок 7).

Рисунок 6 - Физическо-химические показатели проб воды

внутрикарьерного водоема Итатского буроугольного месторождения,

февраль 2024г.

Вода характеризуется повышенной общей жесткостью до 23 Ж0,причем карбонатная жесткость составила 10 мг/л. Цветность проб воды, отобранных из приповерхностного (проба 1) и околодонного слоев (проба 2) составляет 15,90 и 16,30 в теплый период и 16,40 и 19,20в зимний период соответственно. Близкая к ПДК цветность результат размножения зеленых микроводорослей - хлореллы, что придает ей зеленоватый цвет. Размножение хлореллы связано с превышением общего азота в водоеме, в частности нитратов по сравнению с ПДК для рыбохозяйственных водоемов, особенно в придонном слое.

Рисунок 7 - Физическо-химические показатели проб воды внутрикарьерного водоема Итатского буроугольного месторождения,

сентябрь 2024г.

В карьерном водоеме происходит повышенное потребление кислорода, что отразилось на перманганатной окисляемости, которая превысила ПДК в 1,6 раза в пробах воды придонного слоя зимой.

Содержание нитратов во всех пробах воды 2 близко или превышает значение ПДК для рыбохозяйственных водоемов в 1,2 раза. Химический анализ воды показал превышение ПДК соединений, цинка, железа в 2-3 раза и марганца в 30 раз (Таблица 1). Присутствие железа и марганца характерно для подземных вод мелового и юрского водоносных комплексов Западной Сибири. В приповерхностных пробах содержание кислорода - 8мг/л и соответствует нормативам, в придонных слоях – 6мг/л, в период ледостава сокращается до 1,3-2,1 мг/л О2.

Таблица 1 – Средние гидрохимические показатели проб воды по двум пробным площадкам карьерного водоема Итатского буроугольного месторождения

* в дополнение к фоновому содержанию фторидов, но не выше их
суммарного содержания 0,75 мг/л.

** показатели, определенные в химической лаборатории МУП «Водоканал»

К токсичным элементам, превышающим нормативы для рыбохозяйственных водоемов в пробах воды в два раза, относятся соединения цинка, фторидов – более чем в 4,4 раза. Таким образом, дренажные воды, заполнившие карьер после добычи бурых углей, не очищались от нитратов, которые попали в искусственный водоем в результате использования взрывчатых веществ. Большое влияние на превышение ПДК воды для рыбохозяйственного водоема оказали вмещающие горные породы. В работе Макарова Р.А. указывается, что по данным химического анализа вскрышных пород, слагающих техногенные отвалы, содержание в них хлоридов определяется -71 мг/л, карбонатов -0,5 мг/л, нитратов от 50 - 100мг/л, сульфатов – от 100 до 500 мг/л [12]. Микроэлементный состав характеризуется наличием соединений, которые входят не только в состав углей, но и вскрышных пород (Ge, Co, Se, U, Nb, Ta, Y, Zr и др.) [4].

Выводы

В результате проведенных исследований, сделаны следующие выводы:

  1. Выявлено, что водоем имеет корытообразную форму, крутые берега, отсутствие береговой отмели для формирования барьера из прибрежной растительности, что приводит к поступлению биогенов с прилегающих водоразделов и в будущем быстрому эвтрофированию непроточного водоема.

  2. Определено, что дно водоема не выравнено, сложено раздробленными уплотненными породами: песчаниками и алевролитам, содержащими микро- и макроэлементы

  3. Показано, что по органолептическим и химическим свойствам вода внутрикарьерного водоема не соответствует санитарным нормам для рыбохозяйственных водоемов. Вода жесткая. Цветность близка к верхней границе ПДК, окисленность превышает ПДК в 1,6 раза. Химический анализ показал превышение нитратов в 1,2 раза, фторидов в 4,4 раза, соединений цинка, железа – в 2-3 раза, марганца - в 30 раз.

  4. Определено, что источниками повышенного содержания нитратов являются неочищенные дренажные воды, поступающие в водоем при добыче угля в результате применения промышленных взрывчатых веществ на основе нитрата аммония. Превышение фторидов, соединений цинка, железа и марганца от нормативов связано с высокими фоновыми показателями, характерными для юрских и меловых подземных вод Западной Сибири, и, возможно с вымыванием из вскрышных пород.

  5. Учитывая отсутствие работ по выравниванию ложа, берегов водоема и их закреплению, очистки дренажных вод, превышение ПДК показателей проб воды для рыбохозяйственных водоемов, карьерный водоем, образовавшийся на месте разработки бурых углей, не пригоден для разведения рыбы и требует рекультивации.

Литература

  1. Бурик, В.Н. Направления возможного использования отработанных обводненных карьеров полезных ископаемых для целей рыбоводства / В.Н Бурик, М.В. Горюхин // Региональные проблемы. 2017. Т. 20, № 4. С. 48–52.

  2. Васильченко, А. В. Рекультивация нарушенных земель: учебное пособие в 2-х частях / А. В. Васильченко - Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2017. – Ч. 1. – 230

  3. Гаранина, И.А. Рекультивация техногенных водоемов на примере месторождения Межевая Утка / И.А. Гаранина // Экология и проблемы защиты окружающей среды: Тез. докл. IX Всеросс. студ. конф. Красноярск, 25-27 апреля, 2002/ Краснояр. гос. ун-т.- Красноярск, 2002. - с. 59-60.

  4. Маслов, С.Г. Исследование распределения минеральных примесей окисленных бурых углей Итатского месторождения / С.Г. Маслов, А.Б. Трофимов, С.И. Арбузов // Известия Томского политехнического университета. – Химия, №3 2010. – 126с.

  5. Муравьёв А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами / А.Г. Муравьёв, С-Пб.: Крисмас+, 2009.-220с.

  6. Мусаев, Н.М. Водохозяйственная рекультивация карьеров Дербентского месторождения известняков / Н.М. Мусаев, В.В. Мосейкин, С.А. Пуневский // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2010. №5. С.37-42.

  7. Русанов, В.В. О проблеме гидробиологической рекультивации карьерных водоемов / В.В. Русанов, И. А. Гаранина // ГИАБ. 2004. № 6. С. 154–157.

  8. Хохряков, А.В. Геотехнологическое и экологическое обоснование технологии очистки дренажных вод горного предприятия от соединений азота в отработанной горной выработке /А.В. Хохряков, А.Г. Студенок, А.М. Ольховский, Г. А. Студенок // Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений. Сборник докладов VII Международной научно-технической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады. Ответственный за выпуск Н.Г. Валиев. 2018. С. 430-436.

  9. Хомченко, И.Г. Современная аквариум и химия / И.Г. Хомченко, А.В. Трифонов, Б.Н. Разуваев // М: «Новая волна», 1997.- 119 с.

  10. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Красноярского края» на 2016 год - Красноярск, 2016 – 243с.

  11. Приказ министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13.12.2016 года № 552 « Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» (с изменениями на 13 июня 2024 года) / электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/420389120

  12. Макаров Р.А. Восстановление растительного покрова на техногенных отвалах Итатского буроугольного месторождения КАТЭКа. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://school-science.ru/16/2/51492?ysclid=m3fnm6xi8c543730842

Просмотров работы: 10