Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Техногенные изменения геологической среды и их контроль в условиях эксплуатации крупного предприятия химической промышленности

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Зинюков, Юрий Михайлович, Воронеж

Г) *>

/ {'у*

V-' / г'

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗИНЮКОВ Юрий Михайлович

ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ИХ КОНТРОЛЬ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРУПНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (на примере АО "МИНУДОБРЕНИЯ" г. Россошь Воронежской области)

11. 00. 11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Бочаров Виктор Львович

Воронеж - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4-7 Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. 1. Организация мониторинга природной среды 8-10

1. 2. Организация мониторинга геологической среды 10 - 14

1. 3. Организация системных исследований 14 - 16

1. 4. Системный подход в геологии 16 - 19

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ УСЛОВИЙ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

2. 1. Физико-географический очерк 20 - 23

2. 2. Геологическое строение района 23 - 29

2. 3. Гидрогеологические условия 30 - 35

2. 4. Естественные условия защищенности подземных вод 36 - 37

2. 5. Типизация техногенных условий территории 38 - 41

2. 6. Техногенные условия площадки Россошанского 41 - 51

химического комбината

Глава 3. ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОССОШАНСКОГО ХИМКОМБИНАТА

3. 1 Методика наблюдений 52 - 57

3. 2. Изменение гидрогеодинамической обстановки 58 - 66

3. 3. Режим подземных вод и его изменение под влиянием 66 - 74 техногенных факторов

3. 4. Устойчивость оснований и сооружений 75 - 83

3. 5. Изменения гидрогеохимический условий 84 - 97

3. 6. Гидрохимическая характеристика территории 98 - 104

3. 7. Характеристика засоленности грунтов 104 - 109

3. 8. Характеристика химсостава атмосферных осадков 109 - 111

3. 9. Стационарные наблюдения и динамика изменения 112 - 128

химического состава подземных вод

3. 10. Изотопно-геохимическая характеристика 129 - 140

подземных вод

Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

4. 1. Источники вещества 141 ~ 145

4. 2. Факторы формирования химического состава 145 - 148

4. 3. Процессы формирования химического состава 148 - 158

4. 4. Характеристика основных загрязняющих компонентов 159 - 166

Глава 5. ПРОГНОЗНЫЕ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

5. 1. Математическое моделирование процесса 167 - 170 формирования гидрокупола и прогноз изменения уровней грунтовых вод

5. 2. Прогнозирование техногенного загрязнения 170 - 185

подземных вод на основе статистических моделей

5. 3. Прогноз нитратного загрязнения подземных вод 185 - 199

Глава 6. ОПТИМИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

'РОССОШАНСКИЙ ХИМКОМБИНАТ - ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА"

6. 1. Структурно-иерархическая модель ПТС 200 - 207 "Россошанский химкомбинат ~ геологическая среда"

6. 2. Обоснование мониторинга ПТС 207 - 214

"Россошанский химкомбинат - геологическая среда"

6. 3. Рекомендации по управляющим воздействиям 214 - 218

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

219 - 226 227 - 234

У

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия потребности общества в минеральных удобрениях и других химических продуктах, увеличивающих рост сельскохозяйственной продукции, привели к созданию ряда новых предприятий по производству минеральных удобрений. К числу таких предприятий относится и Россошанский химический комбинат (АО"Ми-нудобрения"г. Россошь), введенный в эксплуатацию в 1976 году. Расширение сети химических комбинатов привело к значительному росту техногенной нагрузки на природную среду. В связи с чем, весьма остро встали проблемы, связанные с охраной окружающей среды и геологической среды, в частности. Актуальными становятся вопросы применения новых комплексных методов разрешения проблемных ситуаций, связанных с ростом техногенной нагрузки на геологическую среду.

Решение данных проблем наиболее перспективно в рамках изучения взаимодействующих природных и техногенных объектов в качестве единой природно-технической системы (ПТС). Такой подход позволяет учитывать интересы и производства, и общества (с точки зрения защиты окружающей среды).

Поскольку функционирование крупного промышленного предприятия ориентировано на длительный срок (несколько десятилетий), то и наблюдения за его взаимодействием с геологической средой также должны проводиться в течении всего срока эксплуатации. Продолжительные комплекные наблюдения могут успешно проводиться в рамках мониторинга природно-технических систем.

Данная работа посвящена оценке техногенных изменений геологической среды под влиянием эксплуатации Россошанского химкомбината (АО "Нинудобрения"), - их интенсивности, характеру, направленности, а также обоснованию мониторинга такой природно-технической системы как "Россошанский химкомбинат - геологическая среда" и ее важнейшему компоненту - подземным водам.

При этом основными задачами являлись:

- анализ материалов по организации мониторинга и системным исследованиям;

- анализ геолого-гидрогеологических условий исследуемой территории ;

- анализ техногенных условий территории;

- проведение наблюдений и оценка результатов наблюдений за состоянием геологической среды и техногенных объектов в ПТС "Россошанский химкомбинат - геологическая среда";

- прогнозирование изменений гидрогеологических условий в результате дальнейшей эксплуатации комбината;

- проведение системного анализа изучаемых объектов и совершенствование методики системных исследований ПТС типа "химкомбинаты по производству минеральных удобрений - геологическая среда";

- совершенствование методики организации мониторинга ПТС локального уровня на основе структурных моделей ПТС;

- разработка первичных управленческих мероприятий;

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ включала:

1. Сбор, систематизацию и анализ фактического материала для оценки состояния геологической среды территории на период строительства комбината;

2. Оценку техногенных условий территории;

3. Проведение комплекса геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических, геохимических и гидрогеохимических исследований.

4. Оценку техногенных изменений геологической среды в условиях эксплуатации Россошанского химкомбината;

5. Анализ процессов формирования химсостава подземных вод;

6. Проведение режимных наблюдений за состоянием геологической среды;

7. Прогнозирование изменений гидрогеологических условий в связи с дальнейшей эксплуатацией Россошанского химкомбината;

8. Анализ материалов по системным исследованиям и их адаптация при обосновании мониторинга ПТС "Россошанский химкомбинат геологическая среда".

Основой данной диссертации послужил авторский многолетний опыт комплексных геоэкологических исследований района АО "Мину-добрения" г. Россошь. Работы проводились в рамках большой научно-исследовательской темы: "Литомониторинг на промплощадке Россошанского химического комбината", выполнявшейся с июля 1986 года и включавшей в себя комплекс геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических, геохимических, гидрогеохимических и геоде-

зических наблюдений за состоянием природных (преимущественно геологических) и техногенных объектов.

Первые главы диссертации посвящены характеристике природных и техногенных условий территории исследований; анализу результатов наблюдений и оценки техногенных изменений геологической среды (преимущественно - подземных вод) в процессе эксплуатации комбината. В четвертой главе приводится характеристика условий формирования химического состава подземных вод исследуемого участка. В пятой главе дан прогноз изменения гидрогеологических условий (подтопление площадки и дальнейшее загрязнение подземных вод).

В заключительной части работы раскрываются особенности изучения природно-технических систем локального уровня на примере АО "Минудобрения" г. Россошь, характеризуется методика построения структурно-иерархических моделей П.ТС и оптимизация на их основе мониторинга геологической среды. Практический опыт, анализ литературных материалов и научные исследования автора позволили совершенствовать методику системного подхода к изучению взаимодействия предприятий химической промышленности (производство минеральных удобрений) с геологической средой; на примере данного объекта адаптировать данную методику. Такой подход позволяет полнее и глубже изучить данную ПТС, более обосновано подойти к выбору объектов и методов исследования, рационализировать организацию работ, с соответствующим снижением затрат труда и финансовых расходов на контроль и ликвидацию негативных последствий эксплуатации химического комбината. В целях уменьшения негативных изменений в изучаемой ПТС, автором рекомендуется ряд практических технических мероприятий управленческого характера.

Научная новизна работы заключается в выявлении качественно новых геохимических типов подземных вод техногенного генезиса как продукта многолетнего влияния эксплуатации химкомбината и связанной с ним изменением гидродинамической обстановки; в выявлении направленности и особенностей генетической трансформации химического состава подземных в результате интенсивного техногенного воздействия; в адаптации методики структурной идентификации процесса массопереноса при составлении прогноза нитратного загрязнения подземных вод района химического комбината; в разработке методики построения ПТС локального уровня "химические комбинаты геологическая среда", результатом которой явилось создание структурно-иерархической модели взаимодействующих природных и техногенных объектов, которая рассматривается как основа организации

эффективной сети наблюдений за подземными водами в рамках единой ПТС; в совершенствовании на ее основе методов организации и ведения мониторинга ПТС.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования методики организации и ведения мониторинга ПТС "химические комбинаты (производство минеральных удобрений) - геологическая среда" на основе структурно-иерархических моделей данных ПТС, позволяющих более обосновано подходить к выбору объектов и методов исследования, к организации режимной сети наблюдений, к составлению прогнозных моделей и выработке управляющих воздействий, полнее и глубже рассматривать исследуемые объекты. Опыт проведенных исследований дает информацию о техногенных изменениях геологической среды в процессе эксплуатации крупных .объектов химической промышленности, их характере, интенсивности и направленности; характеризует пути решения указанных проблем.

Основные положения работы неоднократно докладывались на ежегодных научных конференциях геологического факультета Воронежского госуниверситета (1990-1998гг. ) Автор выступал с докладами на: всесоюзной научной конференции "Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта", Ташкент, 1990 г. ; семинаре "Мониторинг геологической среды Украинской СССР. Теоретические и методические аспекты", Киев, 1990 г. ; семинаре "Экологическая экспертиза энергоблока Мб НВ АЭС", Обнинск, 1990 г. ; всесоюзном семинаре "Применение ЭВМ при гидрогеохимическом моделировании", Ленинград, 1991 г. ; II Областной научно-технической конференции "Вопросы региональной экологии", Тамбов,1995 г. ; постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии СПбГИ; кафедре гидрогеологии СПбГу.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. 1. Организация мониторинга природной среды.

Все возрастающая опасность негативного воздействия промышленного и сельскохозяйственого производства на состояние окружающей среды приводит к необходимости разработки системы предупреждения, контроля и прогнозирования состояния отдельных объектов окружающей среды. Такая информационная система наблюдения и анализа состояния природной среды и, в первую очередь,наблюдений за уровнями загрязнения и эффектов вызываемых ими в биосфере, получила название МОНИТОРИНГА [32,115].

В 1972 году на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде было принято предложение о создании глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) как составной части международной программы "Наблюдения за планетой". В развитие этого постановления ООН в СССР в том же году была создана Общегосударственная служба наблюдений и контроля за уровнем загрязнения среды на базе Госкомгидромета СССР.

В 1974 году на Первом межправительственном совещании по мониторингу в г.Найроби (Кения), созванном Советом Управляющих Программы ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) были разработаны рекомендации по определению принципов и целей ГСМОС, критериям приоритетности и приоритетным показателям оценки состояния природной среды [114]. Дальнейшее обоснование ГСМОС проводилось в рамках проекта N 14 программы ЮНЕСКО "Человек и биосфера", который возглавляет Всемирная метеорологическая организация. В 1976 году страны-члены СЭВ образовали свой координационный центр. В конце 70-х годов в числе приоритетных видов мониторинга эксперты ЮНЕП выделили: климатический, экологический, санитарно-гигиенический. Получил свое обоснование и развитие мониторинг фонового состояния биосферы [32,34].

Становлению мониторинга окружающей среды в значительной степени содействовал Международный совет научных обществ. Под его эгидой были скоординированы исследования техногенных изменений окружающей среды, их настоящих и отдаленных последствий в сфере экологии [14].

Концепция мониторинга первой половины 70-х годов развивалась в его дословном понимании как "слежение" за изменением соответс-

твующих показателей состояния окружающей среды (главным образом атмосферы и поверхностной гидросферы). С середины 70-х годов она претерпевает существенные изменения. В отличие от принятого понимания мониторинга как системы повторных наблюдений элементов окружающей природной среды в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой [115], Ю. А. Израэль предлагает конкретизировать это понятие: "мониторингом целесообразно называть систему наблюдений, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности" [32]. Он же, одним из первых, раскрывает структуру и задачи мониторинга.

В задачи мониторинга входят [33]:

- организация широких наблюдений за изменением состояния биосферы;

- обнаружение источников воздействия и причин изменения;

- оценка наблюдаемых изменений,выявление антропогенных эффектов;

- прогноз и определение тенденций в изменениях состояния биосферы.

Мониторинг включает в себя следующие основные элементы [32]:

1) наблюдение за факторами,воздействующими на окружающую среду и состоянием среды;

2) оценку фактического состояния природной среды;

3) прогноз состояния окружающей среды и оценку этого состояния.

В работе [34] Ю. А. Израэль подчеркивает,что "под мониторингом понимается целенаправленная программа наблюдений состояния природной среды. . . Мониторинг включает наблюдения, оценку и прогноз антропогенных изменений, выявление источников и причин этих изменений". Целевой подход к этой проблеме выделяется и за рубежом. Директор Департамента окружающей среды Великобритании А. Дж. Фе-йерклаф утверждает, что программа мониторинга должна создаваться с имеющимися нуждами, а полученные результаты должны служить руководством при принятии решений при управлении [100].

Обобщая накопленный опыт по комплексному мониторингу и подчеркивая особую роль его экологических аспектов, Ю. А. Израэль отмечает, что "... мониторинг является многоцелевой информационной системой. Его основные задачи: наблюдения за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния; определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия, а также степени их воздействия" [35,стр.181].

Организация мониторинга, по его мнению, представляется исключительно сложной, комплексной, многоплановой задачей. Связанные с этим вопросы должны рассматриваться всесторонне, так как только при комплексном рассмотрении возможно научно обоснованное управление качеством природной среды [33]. Таким образом, в 70-х годах была заложена основа многостороннего мониторинга.

1. 2. Организация мониторинга геологической среды

Рост техногенной нагрузки на литосферу (гидролитосферу [26]), выразившийся прежде всего в загрязнении и истощении эксплуатационных запасов подземных вод хозяйственно-питьевого назначения, подтоплении территорий городов и промышленных комплексов активизация ряда геодинамических процессов и явлений, заставил гидрогеологов и инженеров-геологов в свою очередь обратиться к идее организации мониторинга. В 80-х годах началась разработка теории литомониторинга. Основной е�