Влияние концентрации полиакриламида на перераспределение стока и контроль принесения взвешенных веществ с отвалов карста при моделируемом дожде

Почему дождь на отвалах имеет значение

Во многих угледобывающих районах после разработки остаются огромные насыпи рыхлой горной массы и почвы — так называемые отвалы. При сильных дождях эти оголённые, рассыпающиеся склоны отдают поток мутной воды по поверхности, а загрязнённая вода также просачивается в трещины нижележащих пород. В карстовых районах, где в коренной породе много пещер и каналов, такое просачивание быстро переносит загрязнения в подземные реки и водоисточники для водоснабжения. В данном исследовании изучали, может ли нанесение на поверхность отвалов распространённого почвенного кондиционера — полиакриламида (ПАМ) — замедлить эрозию и снизить риск загрязнения подземных вод.

Горная местность с множеством скрытых пустот

Исследование было сосредоточено на карьере по добыче угля в провинции Гуйчжоу на юго‑западе Китая — типичном карстовом ландшафте, сложенном растворимыми карбонатными породами. Здесь разработка пород привела к образованию крупных отвалов из пустой породы и угольного шлака. Материал на отвалах рыхлый, бедный питательными веществами и почти не покрыт растительностью, поэтому он легко разрушается при интенсивных летних ливнях. В карсте дождевая вода не только стекает по поверхности, но и уходит в трещины и каналы коренной породы, быстро попадая в подземные потоки. Поэтому особенно важно ограничивать как поверхностную эрозию, так и просачивание загрязнённой воды вниз с этих искусственных холмов.

Испытание помощника для истощённых почв

Чтобы исследовать это, учёные воссоздали участок отвала в лаборатории в зале для имитации дождя. Они заполнили стальную лотковую установку 30‑сантиметровой смесью, имитирующей отвал и желтую почву с места, затем наклонили её под крутым углом 30°. в основании лотка просверлили прорези, чтобы имитировать естественные трещины в породе, и три отдельные приёмные ёмкости собирали воду и осадок, сбегавшие по поверхности, прошедшие по неглубокому подповерхностному горизонту и вытекавшие снизу. Над модельным склоном располагался имитатор дождя, воспроизводивший контролируемые ливни, соответствующие сильным местным осадкам. Командой распыляли растворы ПАМ трёх концентраций — низкой (1‰), средней (3‰) и высокой (5‰) — и сравнивали их с необработанным контролем при тех же 90‑минутных дождях.

Как полимер меняет путь воды

ПАМ — длинноцепочечная молекула, которая набухает в воде и связывает частицы почвы в агрегаты, формируя тонкую клееобразную плёнку на поверхности. В экспериментах все обработки ПАМ изменяли движение дождевой воды по склону. Без ПАМ большая часть воды быстро проникала внутрь и появлялась в виде подповерхностного и подземного стока, унося мелкие частицы вниз. После нанесения ПАМ больше воды оставалось на поверхности и стекало в виде поверхностного стока, тогда как потоки из глубинных слоёв резко уменьшались, особенно при высокой концентрации. В среднем объёмы поверхностного стока выросли более чем на 17%, а доля подземного стока сократилась с почти половины общего в необработанном случае до менее одной десятой при сильной обработке ПАМ. Измерения потока показали, что полимер увеличивал внутреннее сопротивление воды и снижал её эрозионную силу, хотя поверхностная вода двигалась более турбулентно.

Меньше ила в движении, но есть компромисс

Параллельно с изменением путей стока ПАМ значительно сократил количество взвешенных частиц, покидающих склон. По сравнению с необработанной почвой полимер уменьшал перенос осадка поверхностной водой примерно на треть и сокращал подземные потери осадка почти вдвое. Более высокие концентрации, как правило, давали меньшую эрозию. Однако был и минус: самая сильная обработка ПАМ, хотя и лучше предотвращала подземное просачивание, также блокировала больше воды от проникновения в толщу почвы. Это могло сделать отвалы слишком сухими для приживаемости молодого растительного покрова, замедляя формирование той растительности, которая обеспечивает долгосрочную защиту. Средняя концентрация ПАМ дала более удачный баланс: она значительно снизила эрозию и глубокие утечки, при этом всё ещё позволяла проникать достаточному количеству воды для питания корней.

Поиск оптимума для более безопасной рекультивации

Для менеджеров по эксплуатации карьеров в уязвимых карстовых районах вывод исследования практичен. Распыление умеренной дозы ПАМ на недавно сформированные отвалы может быстро снизить эрозию, направить меньше загрязнённой воды в подземные каналы и сделать склоны более устойчивыми — не лишая при этом будущую растительность необходимой влаги. Авторы предлагают, что средняя обработка, около 3‰ для исследуемого материала, является эффективной отправной точкой. Они также подчеркивают необходимость долгосрочного полевого мониторинга, чтобы подтвердить безопасность ПАМ и продуктов его разложения для окружающей среды. При осторожном применении и в сочетании с мерами по озеленению этот простой полимер может стать полезным инструментом в превращении нестабильных отходных насыпей в более безопасные, озеленённые холмы.

Цитирование: Zhu, X., Yang, H. & Yan, Y. Effect of polyacrylamide concentration on runoff redistribution and sediment yield control from karst spoil heaps under simulated rainfall. Sci Rep 16, 14441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44802-z

Ключевые слова: эрозия карстовых почв, полиакриламид, отвалы угледобычи, сток и взвешенные частицы, защита подземных вод