Уголь и загрязнение рек: пример Кизелбасса
Мониторинг с помощью данных ДЗЗ загрязнения рек на территории Кизеловского угольного бассейна
Темы
Кизеловский угольный бассейн (Кизелбасс) — один из наиболее староосвоенных угольных бассейнов России. Первая шахта была открыта в конце XVIII века, ознаменовав начало промышленной разработки угля в России. В течение последующего столетия активно развивалась инфраструктура месторождения, позволяя добывать и транспортировать сотни тысяч тонн угля. В 1970-1990 гг. число действующих шахт достигало 20. Освоение бассейна продолжалось вплоть до начала XXI века.
Общая информация
Кизелбасс расположен на западе Среднего Урала на территории Пермского края. Северная и южная границы бассейна обозначены реками Яйва и Чусовая соответственно. Общая площадь составляет 1500 км2.
Регион выделяется высокой карстовой активностью и большим количеством сульфида железа в породе. При закрытии месторождения шахты не были затампонированы, несмотря на то, что такие мероприятия по изоляции являются обязательными. Просачивание воды приводило к окислению насыщенных сульфидами горных пород. В результате химических реакций образовывались соединения сероводорода, оксиды железа, марганца и другие соединения тяжелых металлов.
Излив шахтных вод с повышенным содержанием вредных веществ привел к загрязнению рек и озер на всей территории угольного бассейна. Исследования загрязненности рек региона показали превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) некоторых веществ в более 1000 раз. А именно: загрязнение железом достигает 1147 ПДК, алюминием – 100 ПДК, бериллием – 75 ПДК, марганцем – 55 ПДК.
Загрязнение от бывших шахт Кизельского угольного бассейна настолько велико, что его видно даже из космоса!
Среди доступных для определения по данным дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) характеристик рек: повышение мутности, изменение русловых процессов.
Загрязнение рек
Определение степени загрязнения рек шахтными водами проводилось при помощи расчета индекса мутности воды (NDTI) и визуального дешифрирования. Нормализованный индекс мутности рассчитывается по формуле NDTI = (RED - GREEN) / (RED + GREEN).
Большая часть шахтных стоков региона поступает без очистки непосредственно в русла рек. Загрязненные воды рек Кизеловского угольного бассейна имеют ярко оранжевую окраску. Ее придают растворенные в воде оксиды железа.
р. Вильва возле н. п. Яйва
Индекс NDTI отражает мутность вод. Его увеличение позволяет отследить повышенное количество растворенных в воде примесей разного происхождения. Индекс принимает значения от -1, что характерно для прозрачной воды, до 1 в непрозрачных водах. Границы классов прозрачности устанавливаются экспериментально в процессе исследования.
Пространственный анализ загрязненных участков рек подтвердил взаимосвязь в расположении наиболее мутных участков с районами скопления закрытых шахт. Например, наиболее мутные воды в реках около Главной Кизеловской антиклинали и Коспашского месторождения. Железистый осадок и высокая мутность фиксируются и возле шахт Косьвинского и Гремячинского месторождений.
Бассейн р. Яйва
В бассейне реки Яйва фиксируется наибольшее загрязнение водотоков. Индекс мутности здесь превышает 0,11. На космических снимках речная вода имеет яркий неестественно ржавый оттенок при стандартной цветопередаче.
Высокая степень загрязненности реки связана с большим количеством расположенных рядом шахт и отвалов горных пород. Всего в бассейне Яйвы 17 шахт. Они были закрыты в 1970-2000-е гг., но до сих пор являются источником шахтных вод, проникающих в грунт и водоемы.
Территория бассейна р. Яйва в пределах Кизеловского угольного бассейна
Участок р. Чаньва на космоснимке 01.06.2022
Бассейн р. Косьва
В бассейне реки Косьва 9 шахт, также ныне закрытых. Три из них расположены в непосредственной близости от долины реки. Значения индекса мутности в р. Косьва ниже относительно р. Вильва. Однако при визуальном дешифрировании реки Косьва также выявляется ее загрязненность оксидами железа по бурому, не типичному цвету русловых островов.
Участок р. Косьва ниже по течению н.п. Косьва на космоснимке 12.05.2023
Загрязненность также подтверждается результатами геоинформационного анализа, который показал повышенные значения индекса NDTI (около 0,2).
Территория бассейна р. Косьва в пределах Кизеловского угольного бассейна
Анализ изменения мутности речных вод по течению внутри границ Кизеловского угольного бассейна показывает, что после прохождения отвалом шахты им. Калинина мутность вод существенно повышается.
Бассейн р. Чусовая
Отмечается высокий уровень загрязнения вод притоков р. Чусовая. Особенно это видно после прохождения рекой створов вблизи закрытых шахт. Суммарно в пределах бассейна располагаются 6 закрытых шахт.
Территория бассейна р. Чусовая в пределах Кизеловского угольного бассейна
Визуально в р. Вильва, притоке р. Чусовая видно высокое содержание железистых взвесей. Визуально также дешифрируются речные острова бурого цвета, сформированные из загрязненных речных осадков.
Пример дешифрирования р. Вильва возле г. Гремячинск на космоснимке Канопус-В, 19.08.2022
Результаты работы
С помощью данных ДЗЗ определена степень загрязнения основных рек на территории Кизеловского угольного бассейна. Очевидна причина ухудшения качества речных вод в бывших районах угледобычи.
Бассейны рек, протекающие по территории Кизеловского угольного месторождения, отличаются высокой мутностью и большим содержанием железистых взвесей. По данным ДЗЗ регистрируется избыток металлических примесей в воде, который выпадает оранжевой взвесью и осадком в донных отложениях, на побережьях и на намытых островах. Эта взвесь состоит из сульфидов железа, вымываемых из пород и вытекающих с шахтными водами.
Индекс мутности воды (NDTI) позволил выявить границы загрязненных речных вод. По результатам расчета NDTI на территории Кизеловского угольного бассейна загрязнено примерно 150 км речных русел. Самая мутная вода в реке Яйва и ее притоках. Сравнительно чистая — р. Косьва.
Расположение районов с повышенными значениями индекса соотносится с расположением закрытых шахт, откуда поступают воды с повышенной концентрацией загрязняющих веществ.
В пределах обозначенных бассейнов возможна необходимость ограничения водопользования из-за несоответствия воды стандартам питьевого и промышленного использования. Загрязнение рассматриваемых рек является угрозой для безопасного водопользования в пределах Камского водохранилища.
Дистанционный мониторинг речных бассейнов позволяет оперативно выявлять загрязнения речных систем, не прибегая к трудозатратным и зачастую дорогим полевым исследованиям.