REKULTIVACE FYTOTOXICKÝCH LOKALIT
KONTAMINOVANÝCH UHELNOU HMOTOU A DŮLNÍMI VODAMI V OBLASTI
SEVEROČESKÉ PÁNVE
1)– Výzkumný ústav pro hnědé
uhlí, a.s. Most
2)– Severočeské doly, a.s.
Chomutov
Obtížnost
rekultivace výsypek severočeské pánve
spočívá v extrémně nepříznivých vlastnostech hornin sypaných na většinu
výsypkových těles. Jde především o horniny
nadložního souvrství a souvrství hnědouhelných slojí. Hlavními materiály
sypanými na výsypky jsou písky, kaolinitické jílovité písky a kaoliniticko -
illitické jíly. Příměsi v sypaných horninách tvoří organická uhelná hmota, siderit a pyrit. Tyto horniny jsou mechanicky
nestabilní vůči větrné i vodní erozi a probíhajícím zvětráváním získávají
vlivem iontů SO3 a Al nepříznivý, kyselý (až fytotoxický) charakter.
Specifickým problémem oblasti
severočeské pánve je rekultivace fytotoxických ploch. Nejtypičtějším a současně
nejzávažnějším případem je rekultivace oblastí kontaminovaných uhelnou hmotou.
Výskyt takových ploch je dán do značné míry vývojem uhelné sloje.
V oblasti lomu Vršany (rozštěpení uhelné sloje vlivem žatecké delty) a
dolu Bílina (anomální vývoj uhelné sloje) lze konstatovat zvýšený výskyt skrývkových hornin
v uhelné sloji. Z toho důvodu se na vnějších a vnitřních výsypkách
těchto těžebních lokalit často objevují fytotoxické plochy obsahující větší množství
uhelné hmoty ve svrchním horizontu.
S problematikou kyselých důlních vod se lze setkat zejména při rekultivaci
ploch v oblastech výchozu uhelné sloje.
Fytotoxicita uvedených lokalit je dána kromě zvýšeného obsahu síry
zejména extrémně kyselou půdní reakcí, což klade zvýšené požadavky na metodiku rekultivace.
Zcela specifickým případem pak jsou plochy, na jejichž povrchu se objevují
zrnitostně extrémně těžké žluté jíly.
Předkládaný příspěvek obsahuje
charakteristiku významných fytotoxických oblastí a metodiku jejich rekultivace
založenou především na aplikaci vhodných zúrodnitelných hornin. Zmíněny jsou i
některé pokusně použité netradiční metody, například aplikace elektrárenského
stabilizátu a popele.
Příspěvek hodnotí úspěšnost
jednotlivých rekultivačních metodik. Výsledky jsou doloženy dlouhodobým sledováním fyzikálních, mineralogických a
chemicko – pedologických parametrů hornin jednotlivých pokusných ploch. Situaci
zájmové oblasti ukazuje obrázek číslo 1.
1. Charakteristika uhelné sloje v oblasti
severočeské pánve
Těžba uhlí je zásadně spojena
s rekultivačními pracemi v regionu. Jejich nutnost je dána rozsáhlou
devastací krajiny při povrchové těžbě hnědého uhlí zejména v 70. a 80.
letech minulého století. Uhelná hmota na povrchu rekultivovaných lokalit
drasticky zhoršuje vlastnosti svrchního půdního horizontu, některé produkty
zpracování uhlí lze naopak využít jako cenné zúrodnitelné horniny a substráty.
Jedinou těženou slojí
v severočeské hnědouhelné pánvi je hlavní sloj mocná cca 20 – 40m. Tvoří ji převážně hnědouhelné
humity, které vznikaly prouhelněním třetihorní rašeliny, keřů a stromů.
Zpravidla je rozdělena proplástky do tří lávek rozdílné kvality.
Hlavní uhelná sloj se v oblasti
SHP vyskytuje v různém vývoji. Na značné ploše jde o jednotnou sloj, jejíž
mocnost v různých částech pánve
kolísá. To je případ lomu Libouš a lomu Československé armády.
V oblasti vlivu žatecké delty (lom Vršany) je hlavní uhelná sloj
rozštěpena do několika slojí. Anomální stavbu hlavní uhelné sloje lze konstatovat
v oblasti dolu Bílina. Souvisí se sedimentačními zvláštnostmi
v oblasti tzv. bílinské delty. Zčásti je primární, zčásti druhotná, tedy
způsobená deformacemi až po vzniku jednotné sloje. Těmito procesy vznikla více
méně samostatná tělesa uhelné sloje nepravidelného rozsahu i mocnosti. Některé
partie bývají „zvrásněné“ a doprovázené střižnými zlomy. Spolu se slojí bývají
deformovány i nadložní jalové sedimenty, místy jsou do deformační struktury
zahněteny i podložní jílovce. Důsledkem této situace je výskyt skrývkových
hornin v uhelné sloji zejména na dole Bílina, v menší míře též na
dole Vršany. Z toho důvodu lze
konstatovat na vnějších a vnitřních výsypkách těchto těžebních lokalit (zejména
dolu Bílina) zvýšený výskyt
fytotoxických ploch s podílem uhelné hmoty ve svrchním horizontu. Na
výsypkách dolu Libouš a dolu Československé armády se takové plochy prakticky
nevyskytují.
Z hlediska rekultivací mají
určitý význam i výchozové partie uhelné sloje, které jsou zdrojem oxihumolitů,
zejména v oblasti dolu Bílina a dolu Vršany.
2. Metody rekultivace fytotoxických ploch
kontaminovaných uhelnou
hmotou
užívané v oblasti severočeské pánve
Jak bylo zdůvodněno
v předcházející kapitole, fytotoxické plochy kontaminované uhelnou hmotou
se vyskytují zejména na výsypkových lokalitách dolu Bílina, v menší míře i
dolu Vršany.
Uhelná hmota, vyskytující se ve
svrchním horizontu rekultivovaných lokalit, je škodlivinou způsobující
fytotoxický charakter těchto ploch. Příčinou je zejména extrémně kyselá půdní
reakce a vysoký obsah síry. Dnes využívaná
metodika rekultivace těchto lokalit je náročná, ale velmi účinná. Podmínkou
je využití značných objemů
zúrodnitelných hornin. Požaduje se aplikace slinitých hornin nebo bentonitických
zemin v množství 3000-3500 m3.ha-1 s následnou
homogenizací (promísením) nebo křížovou orbou do hloubky 0,5 až 0,6 m. V
případě použití slinitých hornin s malou rozpadavostí je nezbytné počítat s 1-2
ročním přípravným (předaplikačním) návozem těchto melioračních hmot na
rekultivovanou plochu. Možnou variantou výše uvedené metodiky je návoz 0,5 m
mocné vrstvy spraše na povrch zájmové plochy. Sklon rekultivovaného povrchu
výsypky může činit maximálně 16% (1:6). Jako doplňující rekultivační opatření
je požadována aplikace organických hmot (kompostů) s upraveným poměrem C : N
(25) v dávce 400 t.ha-1, zapravených do hloubky 0,30-0,50 m
rekultivovaného povrchu výsypky a následný dvouletý přípravný agrocyklus
(pěstování plodin na zelené hnojení). Po jeho ukončení je možné zahájit
podzimní výsadbu lesních sazenic.
Příkladem takto rekultivované
plochy je rozsáhlá fytotoxická oblast na výsypce Střimice (viz obrázek č. 2).
Byly zde zakládány skrývkové horniny hlavní uhelné sloje dolu Bílina
s vysokým obsahem uhelné hmoty. V rámci rekultivace pak byly výše
uvedenou metodikou aplikovány bentonitické horniny z blízké těžebny
bentonitu Černý vrch.
Charakteristiku
antropogenního půdního profilu před technickou rekultivací a po ní uvádějí
následující tabulky.
|
horninový typ |
N (%) |
org. látky (%) |
CaCO3 (%) |
pH |
přijatelné živiny mg.kg-1 |
sorpční schopnost mekv/100 g (%) |
||||
|
P |
K |
Mg |
S |
T |
V |
|||||
|
pís.
jílovec |
0,01 |
2,1 |
0,9 |
6,8 |
1 |
160 |
566 |
8 |
8 |
100 |
|
šedý
jílovec |
0,05 |
2,4 |
2,0 |
7,4 |
3 |
234 |
942 |
14 |
14 |
100 |
|
písek |
0,01 |
1,0 |
0,8 |
6,3 |
0 |
100 |
455 |
6 |
6 |
100 |
|
uhelný jílovec |
- |
5,4 |
0,6 |
4,5 |
0 |
55 |
120 |
5 |
20 |
25 |
|
sonda S1 -interval odběru (m) |
N (%) |
org. látky (%) |
CaCO3 (%) |
pH |
přijatelné živiny mg.kg-1 |
sorpční schopnost mekv/100 g (%) |
||||
|
P |
K |
Mg |
S |
T |
V |
|||||
|
0,00-0,20 |
0,12 |
1,9 |
4,5 |
7,8 |
7 |
175 |
1010 |
14 |
14 |
100 |
|
0,20-0,40 |
0,10 |
2,4 |
2,9 |
7,8 |
8 |
190 |
995 |
14 |
14 |
100 |
|
0,40-0,60 |
0,05 |
2,4 |
0,8 |
7,1 |
5 |
120 |
564 |
7 |
7 |
100 |
Výsledky potvrzují úspěšnost zvolené metody rekultivace výsypky Střimice. S ohledem na současnou tržní cenu bentonitických hornin je však dnes tento způsob rekultivace cenově velmi náročný.
Rekultivace
lokality Střimice je dnes již dokončena. Na temeni výsypky slouží obyvatelům
blízkého města Mostu areál letiště o rozloze cca 90 ha obklopený zemědělskou
rekultivací (viz obrázek č. 3). Na
svazích výsypky byla realizována lesnická rekultivace s turistickými
stezkami.
3. Pokusná aplikace elektrárenského stabilizátu na
fytotoxických plochách
kontaminovaných uhelnou hmotou
V roce
1999 byla na vnitřní výsypce dolu Bílina testována aplikace elektrárenského
stabilizátu na různé typy výsypkových zemin. Jedním z těchto typů byly extrémně kyselé (z rekultivačního
hlediska sterilní) uhelné jílovce z úpravny uhlí Ledvice, které tvořily na
výsypce rozsáhlou fytotoxickou plochu. Pro pokus byl využit stabilizát
z elektrárny Ledvice, který je zde produktem odsíření. Cílem práce bylo posoudit možnosti
zefektivnění technické rekultivace fytotoxických ploch.
Hodnota půdní reakce ve
vodním výluhu činila u výše uvedených uhelných jílovců obvykle zhruba 3,8 – 4,5.
Po aplikaci elektrárenského stabilizátu v dávce 600 t/ha byla zjištěna
půdní reakce výsledné směsi zhruba 9-10. Z toho vyplynula potřeba
optimalizovat dávky stabilizátu tak, aby
bylo dosaženo půdní reakce výsledné směsi v rozmezí cca 6,5 – 7,5.
V rámci
řešení byly nejprve odebrány vzorky čistého elektrárenského stabilizátu a
uhelného jílovce, u nichž byla zjištěna hodnota půdní reakce ve vodním výluhu.
Pak byly připraveny laboratorní plochy o rozměrech 0,5 x 0,5 m, do nichž byly
zapravovány různé dávky stabilizátu a následně zjišťována půdní reakce směsi.
Zapravená dávka stabilizátu byla na závěr přepočítána na plochu 1 hektaru.
Výsledky výzkumu uvádí následující tabulka číslo 3. Vzorky byly odebrány ihned
po aplikaci stabilizátu. Směsi A-F byly testovány na přítomnost rizikových
stopových prvků, všechny vzorky vyhovují vyhlášce MŽP ČR číslo 13/1994 Sb. pro
ostatní půdy.
|
vzorek |
dávka stabilizátu / 0,25 m2 (kg) |
dávka stabilizátu / 1 ha (t) |
pH (vodní výluh) |
|
čistý stabilizát |
- |
- |
12,1 |
|
A |
15 |
600 |
9,63 |
|
B |
12,5 |
500 |
8,86 |
|
C |
10 |
400 |
8,57 |
|
D |
7,5 |
300 |
8,12 |
|
E |
5 |
200 |
7,25 |
|
F |
2,5 |
100 |
7,00 |
|
uhelný jílovec |
0 |
0 |
4,11 |
Změny v hodnotách půdní reakce
směsí A – F byly ověřovány po dvou letech dalším odběrem a analýzou
vzorků. Výsledky udává tabulka číslo 4.
|
vzorek |
dávka stabilizátu / 0,25 m2 (kg) |
dávka stabilizátu / 1 ha (t) |
pH (vodní výluh) |
|
A |
15 |
600 |
8,52 |
|
B |
12,5 |
500 |
8,00 |
|
C |
10 |
400 |
7,80 |
|
D |
7,5 |
300 |
7,50 |
|
E |
5 |
200 |
7,20 |
|
F |
2,5 |
100 |
7,00 |
V rámci
tohoto experimentu byly laboratorně
namodelovány směsi kyselého uhelného jílovce a elektrárenského
stabilizátu odpovídající dávkování 600 t/ha až 100 t/ha. Následně byla u těchto
směsí a srovnávacích vzorků odpovídajících čistému elektrárenskému stabilizátu
a čistému uhelnému jílovci zjištěna půdní reakce ve vodním výluhu. Výsledky
udávají tabulky číslo 3 a 4. Potvrdilo se, že dávkování 600 t/ha je extrémně
vysoké a pH vzniklé směsi je silně zásadité. Optimální dávkování se pohybuje
v rozmezí 100 – 300 t/ha, pro
další aplikaci lze doporučit dávku 200 tun na hektar.
Experiment prokázal podstatné zlepšení vlastností sterilních uhelných jílovců a metoda je i vzhledem k obrovské produkci stabilizátu velmi perspektivní. Před jejím praktickým využitím však budou třeba další, rozsáhlejší pokusy na větších plochách.
Po ukončení pokusu byla provedena plošná technická rekultivace fytotoxické plochy aplikací sprašových hlín Rekultivovanou oblast vnitřní výsypky ukazuje obrázek číslo 4.
4.
Metody rekultivace sterilních ploch s výskytem žlutých jílů ve svrchním
horizontu
Žluté nadložní jíly tvoří svrchní horizont rekultivovaných lokalit v oblasti severočeské pánve naštěstí jen vzácně. Převážně jde o výsypkové lokality lomu Libouš.
Tyto horniny jsou zpravidla homogenní, silně vazké a slité. Vzhledem
k extrémně nepříznivým fyzikálním vlastnostem a vodnímu režimu nejsou pro
rekultivační využití vhodné. V jejich mineralogickém složení převládá
kaolinit, montmorillonit, křemen a illit.
Z hlediska chemismu jsou prakticky bezkarbonátové, půdní reakce
bývá slabě alkalická až slabě kyselá, sorpční schopnost je zpravidla vysoká. Za
nízký lze považovat obsah fosforu, draslík bývá většinou na úrovni hodnocení
středního a obsah hořčíku na úrovni obsahu vysokého. Ze zrnitostního hlediska
je lze považovat za extrémně jemnozrnné a tedy pro rekultivační účely nevhodné.
Jejich hydrofyzikální půdní vlastnosti
se nemění ani po delším období po uložení na povrch výsypky. Vytvářejí trvale slitou půdní strukturu
s nepříznivými infiltračními schopnostmi. V extrémních případech lze
takto postižené plochy označit jako sterilní. Jejich technická i biologická
rekultivace je velmi obtížná a zpravidla málo úspěšná.
Proto
byla testována aplikace elektrárenského popela z elektrárny Tušimice na
pokusných plochách výsypky Březno (vnější výsypka dolu Libouš). Cílem pokusu bylo zlepšení zrnitostního složení svrchního horizontu pokusných
ploch. Na tři plochy o rozloze 1 ha byly navezeny elektrárenské popely
v dávce 200 t na hektar a pluhováním
zapraveny do svrchního horizontu. Na odebraných vzorcích bylo
vyhodnoceno zrnitostní složení původních žlutých jílů a vzniklé směsi. Kromě
toho byl vzorek s aplikovaným popelem testován na přítomnost rizikových
stopových prvků. Bylo potvrzeno, že vyhovuje vyhlášce MŽP ČR číslo 13/1994 Sb.
pro ostatní půdy.
Při zjišťování zrnitostního složení vzorků byla využita kombinace hustoměrné zkoušky a sítového rozboru. Po rozdružení vzorků máčením byly stanoveny obsahy na sítech 12 mm, 10 mm, 9 mm, 8 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm a 0,1 mm. Pro frakci pod 0,50 mm byla použita analýza na přístroji CILAS 1064 LIQID. Laboratorní rozbory provedla zkušební laboratoř č. 1078 akreditovaná ČIA dle ČSN 721017. Výsledky analýzy udává následující tabulka číslo 5.
Tabulka č. 5: Výsledky zrnitostní analýzy žlutého jílu před a po
aplikaci elektrárenského popele
|
laboratorní číslo vzorku |
zrnitostní kategorie I % |
zrnitostní kategorie II % |
zrnitostní kategorie III % |
zrnitostní kategorie IV % |
skelet % |
|
žlutý jíl |
76 |
17 |
1 |
5 |
1 |
|
směs po aplikaci popele |
56 |
28 |
2 |
10 |
4 |
zrnitostní kategorie I - frakce pod 0,01 mm, zrnitostní
kategorie II - frakce 0,01-0,05 mm,
zrnitostní kategorie III - frakce 0,05-0,1 mm, zrnitostní kategorie IV - frakce
0,1-2 mm, skelet - frakce nad 2 mm
Výsledky zrnitostních analýz prokazují významné zlepšení
zrnitostního složení horniny po aplikaci elektrárenského popela. Zatímco
původní žlutý jíl lze zařadit ze zrnitostního hlediska do kategorie jílů, směs
s elektrárenským popelem lze charakterizovat jako zeminu jílovohlinitou.
Dosud však nebylo vyřešeno rovnoměrné zapravení popelů do jílové vrstvy.
Makroskopický popis vzorků bohužel prokázal, že popel tvoří v jílech spíše
jednotlivé izolované shluky. Navzdory tomuto problému je metoda
z dlouhodobého hlediska perspektivní, další výzkum bude zaměřen na
vypracování optimální metodiky zapravení elektrárenského popele do svrchního
horizontu rekultivovaných lokalit.
V současnosti je však jedinou prakticky využívanou
rekultivační metodou aplikace organických hmot (kompostů) s upraveným
poměrem C : N (25) zapravených do hloubky 0,30-0,50 m rekultivovaného povrchu
výsypky a následný dvouletý přípravný agrocyklus (pěstování plodin na zelené
hnojení).
5. Metody rekultivace fytotoxických ploch
kontaminovaných kyselými
důlními
vodami
Jde o
plochy extrémně nevhodné pro rekultivační účely. V severočeské hnědouhelné
pánvi se naštěstí vyskytují pouze vyjímečně a to zejména v oblastech
výchozů uhelné sloje. Půdní reakce povrchu terénu dosahuje na těchto plochách
až hodnot 2 (vodní výluh). Je to způsobeno kombinací kyselých důlních vod a
rozvětralé uhelné hmoty ve svrchním horizontu lokality. Pro rekultivaci těchto
ploch je nutný soubor opatření uvedených v kapitole 2 doplněný účinným
odvodněním lokality.
Příkladem
fytotoxické plochy tohoto typu je oblast na jižních svazích bývalého lomu
Obránců míru. Řešitelský kolektiv VÚHU, a.s. (ing. J. Halíř, PhD, M.
Pletichová, ing. L. Žižka) zde v současnosti ověřuje novou metodiku úpravy
plochy spočívající v aplikaci slínovců a biologickém čištění vody.
Výsledky práce budou po dokončení publikovány řešiteli.
6. Závěr
Cílem tohoto příspěvku je charakteristika fytotoxických ploch severočeské
pánve se zaměřením na možnosti jejich rekultivace. Jsou zde porovnány
rekultivační metody využívající aplikace zúrodnitelných hornin s metodami
pokusně používajícími elektrárenské stabilizáty a popele.
První dosažené výsledky
prokazují, že se tyto progresivní metody mohou stát významným doplňkem aplikace
zúrodnitelných hornin na řadě lokalit. Proto budou výzkumné práce v této
oblasti i nadále pokračovat. Experimenty potvrzují nutnost diferencovaného
přístupu k jednotlivým lokalitám založenému na důsledné analýze
konkrétního stanoviště, volbě vhodného rekultivačního aditiva a promyšlené koncepci budoucího využití
lokality.
Práce vznikla
s podporou Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci
výzkumného záměru č. MSM 4456918101 „Výzkum fyzikálně chemických vlastností
hmot dotčených těžbou a užitím uhlí a jejich vlivů na životní prostředí
v regionu severozápadních Čech“.
Přehled použité literatury :
/1/ Čermák,
P. : Metodické podklady pro hodnocení protierozní odolnosti
výsypkových
zemin a vegetační nebo jinou úpravu v SHR
Zpráva, VÚMOP Praha, 1993
/2/ Fišera,
E. a kol. : Radovesická výsypka a její začlenění do ekosystému území
Referát, konference RVM,
1992
/3/ Ondráček,V. a kol.: History, the present and perspectives of the
Bílina mines area
reclamations
Surface Mining – Braunkohle, 1/2003
/4/ Řehoř,
M. : Výzkum vhodnosti skrývkových zemin pro rekultivační účely
Posudek,
M.S. VÚHU, 1994
/5/ Řehoř, M. a kol.: Application of modern restoration methods on localities of
Bilina mines
Sborník II. Mezinárodního
kongresu hnědé uhlí, Wroclaw 1996
/6/ Řehoř, M. a kol.: Využití doprovodných surovin získaných při povrchové těžbě
hnědouhelných ložisek pro rekultivaci těchto lokalit
Referát, VŠB – TU Ostrava, 2002
Přehled
obrázků:
Obrázek
číslo 1: Situace rekultivovaných lokalit
Obrázek
číslo 2: Fytotoxická plocha na výsypce Střimice (JPG 0301)
Obrázek
číslo 3: Úspěšná rekultivace povrchu výsypky Střimice (JPG 0307)
Obrázek
číslo 4: Rekultivovaná plocha na vnitřní výsypce dolu Bílina (JPG 0313)