Интегральная эколого-геохимическая оценка техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината

Курышев, Александр Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Интегральная эколого-геохимическая оценка техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Интегральная эколого-геохимическая оценка техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината"

0050136»о

На правах рукописи

Курышев Александр Александрович

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННО-НАГРУЖЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА

ПРИМЕРЕ ОСКОЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 5 [,-;др ¿112

Екатеринбург-2012

005013685

Работа выполнена в ФГЪОУ ВПО «Воронежский государственный университет» и ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Косинова Ирина Ивановна

Официальные оппоненты - Гуман Ольга Михайловна доктор геолого-

минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «УГГУ», кафедра Гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии, профессор

Футорянский Леонид Дмитриевич кандидат геолого-минералогических наук, ФАУ «Главгосэкспертиза России» Екатеринбургский филиал, главный специалист,

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный университет»

Защита состоится 28 марта 2012 г. в 10-00 час. в ауд. 3326 на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 27 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.280.01

А.Б.Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие промышленного производства в XX и XXI веках привело к заметному ухудшению качества окружающей природной среды. Появились так называемые техногенно-нагруженные территории (ТНТ). Под ТНТ предлагается понимать территории, обладающие высоким природно-ресурсным потенциалом, в пределах которых ведется активная промышленная и хозяйственная деятельность человека. В этой связи первоочередной задачей является интегральная оценка отдельных техногенно-нагруженных территорий в целях выработки приоритетных направлений природоохранной деятельности с преобладанием доли либо профилактических, либо реабилитационных мероприятий. Практическая значимость интегральных оценок заключается также в сравнительной оценке отдельных участков ТНТ, прогнозе возможностей их дальнейшего использования как в промышленных, так и сельскохозяйственных, селитебных, рекреационных целях. Системы природоохранных мероприятий в укрупненном виде можно подразделить на два блока: профилактический и реабилитационный. Стоимостные показатели этих блоков значительно отличаются (С.Н. Бобылев, В.В. Глухов, В.В. Куриленко, H.H. Лукьянчиков, Е.В. Рюмина). Существующая в настоящее время система эколого-геологических оценок дифференцированно характеризует отдельные компоненты природной среды. Такой подход возможен для оценки локальных объектов, не оказывающих значимого негативного воздействия. Применение данных методик для техногенно-нагруженных территорий не дает целостного представления о сложившейся эколого-геологической ситуации, в результате внедряемые природоохранные мероприятия не взаимоувязаны, недостаточно эффективны, нередко противоречат друг другу.

В этой связи актуальность настоящей работы заключается в разработке единого интегрального подхода при эколого-геохимических оценках техногенно-нагруженных территорий, позволяющего формировать научно обоснованную, практически эффективную систему природоохранных мероприятий.

Одними из наиболее ярких представителей техногенно-нагруженных территорий являются районы крупных металлургических предприятий. Многие из них располагаются в европейской части России, где богатый природно-ресурсный потенциал территории сопровождается развитой промышленной инфраструктурой и высокой плотностью населения (около 100 человек км ). Особенности влияния черной металлургии на компоненты природной среды рассмотрены в работах Е.П. Волынкиной, О.Н. Грязнова, О.М. Гуман, Э.Ф. Емлина, В.В. Ильяша, И.И. Косиновой, А.И. Кочетова, JIM. Симонян. Выявлено, что эколого-геохимический фактор трансформации ЭГС является одним из ведущих.

Современным направлением развития черной металлургии является создание электрометаллургических комбинатов. У авторов предшествующих исследований (Л.М. Симонян, А.И. Кочетова и др.) рассматриваются две противоположные позиции. Согласно первой электрометаллургия -

экологически чистое производство. Второй подход свидетельствует о значительном преобразовании эколого-геологических систем в зонах влияния комбинатов. Несомненно, что рассматриваемый вид промышленного воздействия оказывает влияние на комфортность среды обитания, уровень которого в настоящее время недостаточно изучен. В этой связи нами для актуализации разрабатываемых методических подходов выбран крупнейший в России Оскольский электрометаллургический комбинат (г. Старый Оскол, Курская магнитная аномалия - КМА). Результаты исследований его воздействия на природную среду станут основой обоснования системы природоохранных мероприятий и послужат маркером дальнейших эколого-геологических оценок зон влияния электрометаллургических комбинатов.

Цель работы - разработка методики интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ эколого-геологических условий территории Старооскольского района КМА.

2. Изучение особенностей пространства абиотических и биотических признаков района размещения Оскольского электрометаллургического комбината.

3. Разработка методики интегральной эколого-геохимической оценки с учетом особенностей пространства абиотических и биотических признаков техногенно-нагруженных территорий.

4. Интегральная эколого-геохимическая оценка территории Оскольского электрометаллургического комбината.

5. Обоснование приоритетной системы природоохранных мероприятий.

6. Разработка эколого-геологического мониторинга района крупного электрометаллургического предприятия на базе интегральной эколого-геохимической оценки.

Объект исследований - эколого-геологическая система зоны влияния Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК).

Предмет исследований - моделирование интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженной территории.

Фактический материал. В основу диссертации положены эколого-геохимические исследования автора в рамках НИР «Разработка проекта мониторинга состояния почв и подземных вод на территории промплощадки ОАО «ОЭМК» и в зоне его влияния». Исследования проводились в период с 2005 по 2009 гг. и включали полевые, аналитические и камеральные работы. Также в диссертационной работе использовались материалы ОАО «Белгородгеология», Управления по экологии Оскольского электрометаллургического комбината.

наблюдений. Экологическая оценка состояния приземного слоя атмосферы включала анализ 500 наблюдений по ведущим загрязняющим элементам.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных методов анализа и статистической обработки фактического материала, а также системного подхода в изучении объекта, использованием общепринятых критериев оценки полученных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ведущая роль в распределении геохимических потоков вещества в эколого-геологической системе Старооскольского района Курской магнитной аномалии принадлежит приповерхностному блоку, включающему отложения мезозойской и кайнозойской эратем. Формирование техногенно-нагруженной территории обусловлено наличием богатого природно-ресурсного потенциала (крупнейшее железорудное месторождение России) и развитой техногенной инфраструктурой, включающей горнодобывающий и обрабатывающий комплексы, интенсивное сельское хозяйство, транспортную и строительную индустрии.

2. Методика интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий на основе многоуровневой графоаналитической модели, включающей три блока. Первый блок представляет собой статистическую векторную модель абиотической компоненты эколого-геохимического состояния ЭГС. Во втором - предлагается аккумулировать информацию по биотическим факторам ЭГС. Третий -систематизирует данные об изменениях состояния здоровья населения. Деградационные изменения в системе при ее техногенном преобразовании проявляются в виде накопления элементов на верхних уровнях графоаналитической модели.

3. Интегральная эколого-геохимическая оценка зоны влияния ОЭМК, соответствующая уровню экологического риска по всем анализируемым абиотическим и биотическим признакам. Среди абиотических компонент ЭГС максимально техногенно преобразованными являются почвы и приповерхностные отложения. Для них. определены ведущие загрязняющие элементы: хром и марганец. Среди биотических факторов в большей степени проявлена биохимическая деградация растительности.

Научная новизна.

Разработана и опробована новая методика интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий, отличающаяся построением статистической векторной модели абиотической компоненты эколого-геохимического состояния ЭГС. На ее основе строится интегральная модель, включающая абиотические эколого-геологические условия (ЭГУ), биотические факторы и медико-демографические показатели.

Впервые обобщены особенности пространства абиотических и биотических признаков района размещения Оскольского электрометаллургического комбината.

На основе интегральной эколого-геохимической оценки выделены участки, перспективные для различных видов освоения: промышленного, водо-и сельскохозяйственного, рекреационного.

Определены основные направления формирования системы эколого-геологического мониторинга в зонах крупных электрометаллургических предприятий, позволяющие эффективно планировать и контролировать природоохранные мероприятия.

Теоретическая значимость работы определяется интегральным подходом при эколого-геохимической оценке зоны влияния крупного электрометаллургического предприятия. Обоснованы количественные параметры состояния эколого-геологических систем, необходимые для получения интегральных оценок. Использование предлагаемой методики возможно на предприятиях-аналогах.

Практическая значимость работы определяется возможностью количественной оценки состояния эколого-геологической системы в 12 км зоне влияния Оскольского электрометаллургического комбината. На основе полученных результатов предложена система эколого-геологического мониторинга. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при эколого-геохимической оценке предприятий аналогов.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались автором: на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 2006, 2007); Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2007); Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва, 2007); молодежной научной конференции, посвященной памяти чл.-кор. АН СССР К.О. Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (г. Санкт-Петербург, 2007); научной сессии Воронежского государственного университета (секция экологической геологии. Воронеж, 2008, 2009); Межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2008, 2011); Международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (Воронеж, 2008, 2009); Всероссийской межвузовской научной конференции «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2008); Научной сессии Воронежского государственного университета (Воронеж, 2010,2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных литературных источников. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, включающих 35 рисунков, 20 таблиц, 20 формул. Список использованной литературы состоит из

140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и основные задачи исследования, определяются объект и предмет исследований, указаны научная новизна и положения, выносимые на защиту, приводятся сведения о теоретической и практической значимости работы.

1. Состояние изученности проблемы

В главе на основе современных представлений об эколого-геологических оценках, изложенных в работах П.А. Ваганова, Г.А. Голодковской, Д.В. Гричука, О.Н. Грязнова, О.М. Гуман, Э.Ф. Емлина, Д.Г. Зилинга, В.А.Королева, И.И. Косиновой, В.В. Куриленко, Б .А. Ревича, Ю.Е. Саета, В.Т. Трофимова и др., рассматриваются современные подходы к интегральным оценкам состояния природной среды техногенно-нагруженных территорий (ТНТ). Описываются экологические последствия деятельности металлургических предприятий. Представлена техноструктура объекта исследований и технология производства с точки зрения их влияния на окружающую среду.

Сделан вывод о том, что существующие подходы к интегральным оценкам эколого-геологических условий техногенно-нагруженных территорий по своей сути являются дифференцированными и не дают целостного представления о состоянии изучаемого объекта.

2. Оценка эколого-геологических условий Старооскольского района

КМА

В главе приведена характеристика эколого-геологических условий и социально-экономической структуры Старооскольского района КМА.

Абиотическая компонента. В геологическом строении района принимают участие породы двух структурных этажей - докембрийского и фанерозойского. Первый составляет кристаллический фундамент В КМ, второй - его осадочный чехол, образующий положительную структуру первого порядка - Воронежскую антеклизу. В строении осадочного чехла можно выделить отложения палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов. Палеозойская эратема сложена отложениями девонской системы, представлена глинами, алевритами, песками, песчаниками, известняками. Мезозойская эратема включает в себя отложения юрской и меловой систем. В литологическом отношении это песчано-глинистые и мергельно-меловые породы. В геоструктурном отношении массивы мергельно-меловых пород мелового возраста неоднородны. Кайнозойская эратема включает отложения неогеновой и четвертичной систем (рис. 1). В разрезе неогена выделяются олигоценовые и плиоценовые образования, разделяющиеся на несколько горизонтов и свит. Четвертичные отложения в изучаемом районе представлены широким генетическим диапазоном континентальных образований всех четырех отделов системы. Анализ особенностей геологического строения Старооскольского района КМА позволяет выделить приповерхностный блок, в

Рис. ¡.Геологическая карта четвертичных отложений территории Старооскольского района (по материалам Р.В. Красненкова, C.B. Друцкой, 1998 г.)

Условные обозначения

Дочетзертичные отложения.

Крупные карьеры s масштабе

Границы стратиграфо-генатических типов отложений достоверные и предполагаемые

Предполагаемая граница донского оледенения

ш т

т ( % J

ш I IO у

-т LUX -

л 1

г 1 шш

<1 CL СО

1 о .L

к /Т

' ш !

LUfl)

ш И ■

Ъ ui*s

а ■

I ш

ш ш (

а о_

со

О Г

ь СП

СО

III,

о HI"

< ш

К CL

О L

с X

с я

1 ^

prl-Ш

illl-lll

«к1 II

в|И1л»К

Техногенные отложения! на карте показаны поверх закраски подстилающих пород) Отвалы карьеров.До 25м.

Аллювиальные отложения.Пески,суглинки.До 18м.

• Нерасчленанный комплекс субаэральных образований.делювиальньгх отложений Слонов и аллювиально-делювиальных выполнений дреаж«

донского оледенения и на нижнеплейстоценовых отложениях во внвтдниковои области(на карте показаны штриховкой поверх закраски подстилающих пород). Суглинки с горизонтами погребенных почв. 3-20М* *

Нерасчлененныв субээрэльные образований во внеледниковой области. Суглинки с горизонтами погребенных почв. До 20м.

• Среднее-верхнее звенья.Делювиальные отложения 2оТ" виальные выполнения древних балок во внеледниковой области.Суглинки.До 20м.

• Нерасчлененный комплекс оубазральных образований,яелювиальных отложений склонов и аллювиально-делювиальных выполнений древних балок на сред-не^ГГеновых отложениях (на карте показан штриховкой поверх закраски подстилающих пород).Суглинки с горизонтами погребенных почв. 1-5м.

Аллювиальные отложения первой и второй надпойменной террас объединенные. Пески,суглинки.До 20м.

Мончаловский- осташковский горизонты.Аллювиальные отложения первой надпойменной террасы.Пески,сугпинки.До 25м.

IbJIIrrt-W

Миеуликский-калннинский горизонты.

Аллювиальные отложения второй

Ihllffil

Utlliir

ЩЖШЗ olfavfc

надпойменной террасы.Пески,суглинки.До 25м.

Аллювиальные отложения третьей надпойменной террасы.Пески,суглинки.До 13м.

Аллювиальные отложения четвертой надпойменной террасы.Пески,суглинки.До 15м.

Стрелицкая-лискинская овиты нерасчлененныв.Аллювиальные отложения. Пески,глины,прослои погребенных почв.До 20м.**

tf! мучениям» гормзонт.Аллювиальные отложения.Пески.супаси.До Юм.

ttysliifl

: : fe Водно-ледниковые отложения времени отступания ледника. I Пески. До 20м.

ЩШР-

Водно-ледниковые отложения времени максимального распространения ледника. Пески. До 8м.

Ледниковые отложения-основная мореиа.Суглинки с редкими валунами.

1:1 До 20м.

Ill Ильинский горизонт.Аллюаиальные отложения.Пески,глины,суглинкиДо 15м.

пределах которого происходит

наиболее активная вертикальная

горизонтальная геохимическая миграция вещества. Данный блок включает породы мезозойской и кайнозойской эратем. В литологическом отношении они представлены песчано-глинистыми и мергельно-меловыми отложениями, мощность которых составляет около 60 м.

В почвах природных ландшафтов Старооскольского района КМА значительная часть соединений металлов сосредоточена в кристаллических решетках первичных и вторичных минералов. Подвижность тяжелых металлов низкая и обусловлена наличием карбонатных соединений.

Основными для района являются маастрихт-туронский и альб-сеноманский водоносные горизонты. Они тесно связаны между собой и объединяются в единый верхне-нижнемеловой водоносный комплекс, который характеризуется различной степенью защищенности и глубиной залегания 2835 м. Установлены основные формы существования элементов в подземных водах района - простые катионные, гидрокарбонатные, карбонатные и гидроксокомплексы. Простые катионные формы наиболее характерны для миграции железа (II), марганца, цинка в околонейтральных водах. Преимущественный гидрокарбонатный состав подземных вод определяет распространение гидрокарбонатных комплексов с металлами. Наиболее высокая доля миграции в виде таких комплексов отмечена для свинца и меди (РЬНС03+ > РЬ(НСОЗ)2° > СиНС03+). По мере роста рН вод увеличивается миграция в виде карбонатных комплексов, которые становятся основными формами переноса марганца, железа (II), меди, цинка, свинца (МпСО30 > БеСОз0 > Си(С03)2 > гпСОз0 > 2п(С0з)22- > рьсо3°). в комплексе с гидроксид-ионом осуществляется перенос значительной доли свинца - РЬОН+ в околонейтральных и слабощелочных водах; цинка - ZnOH' в слабощелочных средах; а также железа (III) - Ре(ОН)3°, Ре(ОН)2+, Ре(ОН)4" в широком диапазоне рН.

Цитологические особенности пород района, распространение и гидродинамика подземных вод определяют направления и интенсивность миграции потоков вещества, оказывают непосредственное влияние на эколого-геохимическую обстановку.

Биотическая компонента. Растительность Старооскольского района Белгородской области типично лесостепная. Леса представлены лиственными породами, травянистая растительность - разнотравно-луговая. Луга являются вторичными растительными сообществами, возникающими на месте сведенных лесов. В пределах района встречаются луга пойменные, приуроченные к днищам речных долин и балок, и внепойменные (суходолы), занимающие водоразделы и склоны балок.

Социально-экономическая характеристика. Старооскольский район КМА отличается сложной техногенной инфраструктурой. Мощный промышленный комплекс сочетается с интенсивным развитием сельского хозяйства. Ведущие виды экономической деятельности - горнодобывающее и обрабатывающее производства, сельское хозяйство, транспортная и строительная индустрия. Открытие и разработка железорудных месторождений КМА кардинально изменили техноструктуру региона, преобразуя его в

техногенно-нагруженный. Горнодобывающие и сопутствующие предприятия стали значимыми факторами формирования эколого-геологической ситуации. Объект исследования - ОАО "Оскольский электрометаллургический комбинат" - построен в середине семидесятых годов. Железорудное сырье поступает на комбинат с расположенного в непосредственной близости Лебединского ГОКа. Оба предприятия образуют единый горно-металлургический комплекс. В этой связи интегральная оценка эколого-геохимических условий зоны влияния ОЭМК становится особенно актуальной. Она позволит наиболее полно оценить влияние антропогенно измененных компонентов окружающей среды на здоровье человека и четко ориентировать природоохранные мероприятия.

3. Методика интегральной оценки эколого-геохимических условий техногенно-нагруженных территорий

Предлагается система формирования базы данных для интегральной эколого-геохимической оценки. Она должна обеспечивать регистрацию, накопление и систематизацию результатов состояния ЭГС. Наполнение базы данных осуществляется по результатам полевых, аналитических и камеральных работ на обследуемом объекте.

В процессе полевых работ производится сбор экологически значимой геохимической информации. Время и объемы их проведения определяются наблюдаемыми компонентами природной среды и масштабами эколого-геологических систем.

Применительно к исследуемому объекту содержание химических веществ в атмосферном воздухе определяется по результатам работы передвижной лаборатории в соответствии с размещением основных производств. Отбор гидрогеохимических проб осуществляется из наблюдательных скважин, приуроченных к источникам загрязнения, а также из существующих водозаборных скважин. Сеть отбора приповерхностных отложений на промплощадке - прямоугольная, равномерная, с шагом 100 м, в зоне влияния объекта - радиальная, по восьми румбам (профилям), с шагом 500 м. Длина профилей определяется высотой заводских труб и соответствующим радиусом атмосферных выбросов. Целесообразно совмещение пробоотбора почв и растительности.

В ходе камерального этапа по общепринятым методикам рассчитываются суммарные показатели для экологической оценки каждого блока модели: индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), суммарный показатель загрязнения почв и приповерхностных отложений (2С), суммарный показатель загрязнения подземных вод (СПЗ), а также коэффициенты концентрации тяжелых металлов в растительности (К„) и показатель младенческой смертности (т0).

Для обобщения исходной информации предлагается единый подход при эколого-геохимической оценке территорий. На его основе разработана новая методика интегральной оценки эколого-геохимических условий ТНТ. Она предполагает комплексный анализ состояния территории с использованием методов математической статистики и приведение результатов к единой унифицированной шкале. Ранги эколого-геохимических оценок приняты согласно работам В.Т. Трофимова, Д.Г. Зилинга и, соответственно,

подразделяются на норму, риск, кризис, бедствие. В целях получения интегральной оценки производится нормирование показателей степени комфортности жизнедеятельности по отдельным компонентам среды путем их деления на экологическую норму (таблица 1).

Алгоритм формирования интегральной оценки следующий:

1. Расчет комплексных показателей по информационным блокам.

2. Интегрирование абиотической информации в векторной форме.

3. Обработка биотической информации по методу матричной оценки.

4. Интегральная эколого-геохимическая оценка на основе графоаналитической модели ЭГС.

Таблица 1

Оценочные критерии для показателей состояния ЭГС

Показатель (информационный блок) Оценка состояния ЭГС

экологическая норма (Н) экологический риск (Р) экологический кризис(К) экологическое бедствие (Е)

Уровень загрязнения воздуха (по ИЗА) менее 1 1-1,4 1,4-2,8 более 2,8

Уровень загрязнения подземных вод (по СПЗ) менее 1 1-5 5-10 более 10

Уровень химического загрязнения почв и приповерхностных отложений тяжелыми металлам и (по менее 1 1 -2 2-8 более 8

Комплексный биохимический показатель (по К*) менее I 1-2 2-3 более 3

Медико-демографические показатели изменения здоровья населения (по показателю младенческой смертности) Без изменения показателей в сторону увеличения 1,0-1,5 1,5-2,0 более 2,0

1. Расчет комплексных показателей для отдельных информационных блоков производится путем вычисления рангового математического ожидания по стандартным формулам. На основе содержащейся в блоках информации получаем комплексные показатели о состоянии приземного слоя атмосферы (2Г), почв и приповерхностных отложений (7^), подземных вод (2^), растительности (¿б), об изменении здоровья населения ^я).

Результаты считаются достоверными, если при полученной относительной ошибке и математическом ожидании не происходит пересечения с соседним рангом (интервалом).

2. Интегрирование абиотической информации путем построения статистической векторной модели. Трехмерная метрика абиотического пространства признаков предполагает, что по каждой оси откладываются

комплексные показатели загрязнения 2К для твердой, жидкой и газообразной сред.

На рис. 2 представлена трехмерная комплексная модель абиотического пространства признаков, где по каждой координате проведено четырехуровневое ранжирование.

Комплексное загрязнение по трем средам оценивается величиной индекс

вектора V: _

г,-.^2}+22ж+27г (1)

Он вычисляется по результатам экспериментальных измерений и сравнивается с пороговым эталонным индекс-вектором для каждого ранга (таблица 2). Приведенные в таблице значения получены по формуле (1), где в качестве 2* поочередно используются граничные значения для ранга экологической нормы (2, = 2Ж = 2Т = 1), риска (2^ = 2Ж^ 2Г = 2), кризиса (2г = 2Ж = 2Г = 3), бедствия (2, >3, 2Ж> 3, 2Г> 3).

Рис. 2. Комплексное пространство абиотических признаков. Условные обозначения: 1 - номер ранга; I - экологическая норма; II - экологический риск;

г, - индекс вектор

Таблица 2

Пороговые значения эталонного индекс-вектора

Оценка состояния ЭГС г,

Экологическая норма (Н) < 1,73

Экологический риск (Р) 1,73-3,46

Экологический кризис (К) 3,46 - 5,2

Экологическое бедствие (Б) > 5,2

3. На основе критериев нарушенности экосистем, по В.В. Виноградову, составляется биохимическая матрица. В ней по каждому выделенному уровню экологической оценки рассчитывается показатель встречаемости отдельных элементов. Ранговое математическое ожидание, полученное по сумме показателей встречаемости, позволяет определить величину комплексного биохимического показателя

4. Построение графоаналитической модели интегральной эколого-геохимической оценки с учетом абиотических и биотических компонентов ЭГС представлено на рис. 3. Это пирамида из трех уровней, которые связанны между собой весовыми коэффициентами. Согласно Ч. Элтону, на каждый последующий уровень переходит только 10 % вещества и энергии = 0,1

= 0,15э). Следует подчеркнуть, что указанные соотношения характерны для территорий, не испытавших значимых техногенных преобразований. Такие преобразования приводят к возникновению эколого-геохимических аномалий на уровне ПДК, поэтому для техногенно-нагруженных территорий необходимо использование соответствующих коэффициентов техногенного накопления (/,). При переходе с абиотического на биотический уровень пирамиды это усредненный показатель биологического поглощения При расчете

коэффициента техногенного накопления ^ необходимо учитывать соотношение содержания выявленных ранее элементов загрязнителей в сельскохозяйственной продукции и предельно допустимых уровней их потребления для человека.

Каждый уровень характеризуется собственным комплексным показателем. Для абиотических факторов - это индекс-вектор, для растительности - комплексный биохимический показатель, для человека -показатель младенческой смертности. Указанные параметры откладываются по шкале, находящейся в основании соответствующего блока.

Поскольку все показатели приведены к единой четырехбалльной шкале, возможен расчет интегрального показателя состояния ЭГС в виде площади соответствующего многоугольника (5М) с учетом, во-первых, соотношений между уровнями и, во-вторых, коэффициентов техногенного накопления (см. рис. 3).

Человек

л уо О ¿с; с о

Экологическая • Экологический ■ Экологический ' Экологическое норма риск кризис бедствие

Рис. 3. Графоаналитическая модель состояния ЭГС

Сравнение полученного значения с эталонными (таблица 3) позволяет отнести состояние эколого-геологической системы к одной из четырех общепринятых категорий.

Таблица 3

Пороговые значения интегрального показателя состояния ЭГС

Оценка состояния ЭГС

Экологическая норма (Н) <27,75

Экологический риск (Р) 27,75 - 55,5

Экологический кризис (К) 55,5 - 83,25

Экологическое бедствие (Б) > 83,25

Графоаналитическая модель предполагает установление основных связей между блоками, характеристики которых измеряются. На первом этапе человек с использованием абиотического и биотического блоков получает энергию, необходимую для жизнедеятельности. При этом из атмосферы и гидросферы напрямую в организм поступают вредные вещества, которые на втором этапе с использованием систем выделения сбрасываются в окружающую среду в виде продуктов метаболизма. Коэффициент ^ учитывает накопленную в организме и не сброшенную в окружающую среду абиотическую энтропию. Аналогичным образом через трофические цепи в организм с пищей поступают вредные вещества, накопленную энтропию которых характеризует коэффициент В

модели учитывается их аддитивное взаимодействие абиотических и биотических факторов в организме человека. Оно представлено суммацией площадей соответствующих многоугольников, каждый из которых характеризует накопленную энтропию.

Таким образом, предлагаемая методика решает задачу интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий по пяти блокам исходной информации, объединяя пространство абиотических и биотических признаков.

4. Интегральная эколого-геохимическая оценка зоны влияния ОЭМК

Проведен покомпонентный анализ состояния эколого-геохимических условий района ОЭМК. Выявлены ведущие загрязнители приземного слоя атмосферы, почв и приповерхностных отложений, подземных вод и растительного покрова. Составлена классификация влияния различных элементов и соединений на физиологические системы организма. Рассмотрена динамика изменения демографических показателей для района исследований.

Состояние приземного слоя атмосферы. Суммарный показатель загрязнения воздуха рассчитывался на основе индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). По этому параметру вся исследуемая территория соответствует зоне экологической нормы. Выявлена техногенная атмохимическая ассоциация элементов, представленная оксидами марганца, ванадия и меди.

Почвы и приповерхностные отложения. По нормированному суммарному показателю загрязнения (Zc) на участке выделяются все возможные категории загрязнения почв и приповерхностных отложений тяжелыми металлами (рис. 4). На территории промплощадки отчетливо проявлены зоны экологического риска и кризиса. Локально встречаются участки экологического бедствия. Пространственное размещение этих зон позволяет связывать их с конкретными источниками: электросталеплавильным цехом (ЭСПЦ), шлаковым отвалом, автомагистраль на отрезке от шлакового отвала до скрапных дворов. Максимальное значение нормированного Zc фиксируется здесь в районе бывшего склада цеха производства поддонов (ЦПП) и составляет 8,8. Зона экологической нормы проявлена лишь на востоке и юго-востоке промплощадки (около 20 %). В зоне влияния максимальное загрязнение по нормированному Zc составляет 16,3. Для остальной территории в целом показатели не превышают 0,5, за исключением отдельных производств. Так, у карьера по добыче глин выделяется участок экологического риска, а в районе цеха по переработки извести - зона экологического кризиса. К ведущим загрязняющим элементам относятся хром и марганец техногенного происхождения.

Подземные воды. В качестве ведущих загрязнителей водоносных комплексов неоген-четвертичного и мелового возрастов выявлены железо и марганец природного происхождения (до 2,5 ПДК).

о к

2,5 км

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: Площадки литогеохимического опробования: $$ - точки опробования

Изолинии концентраций:

_а^

5 а) достоверные, б) предполагаемые

Оценочная шкала загрязнения по нормированному показателю 2.С.

[;;:;: норма < 1

I - контур врезки ¡Т7"7^ риск 1-2 I |

I . ,

|■-.- .■■; кризис 2-8 I _ _

ЕУИ бедствие >8

Рис. 4. Эколого-геохимическая карта почв и приповерхностных отложений (по нормированному

Растительность. Растительный покров, находясь в тесной взаимосвязи с литосферой и атмосферой, является чутким индикатором изменения условий существования. По данным тератологических исследований территории, выявлено преобладание зон экологического риска. Намечается отчетливый переход к ситуации экологического кризиса. Локально проявлены участки экологического бедствия.

Сравнение полученных биохимических данных с фоновыми значениями по ЦЧР выявило, что для марганца, хрома и никеля превышение фона не наблюдается. Содержание ванадия выше фона в 2,1 раза. Наибольшие концентрации характерны для меди.. По этому элементу отмечаются превышения фона на порядок. Согласно рядам биологического поглощения, медь относится к группе элементов сильного захвата, что обусловливает ее высокие концентрации в травянистой растительности. Показатель биологического поглощения по меди для исследуемой территории составляет 6,6. Данный элемент формирует ярко выраженные техногенные биогеохимические аномалии.

Медико-демографические показатели оценивались по уровню младенческой смертности. Данный показатель является максимально эффективным при оценке экологически зависимых заболеваний (Б.М. Балыгин, Г.Г. Онищенко, Ю.Е. Сает и др.). Ведущей причиной смерти во всех наблюдаемых пунктах являются врожденные аномалии. Причем по району исследований этот показатель практически в два раза выше, чем в целом по Белгородской области. На втором месте в качестве причины смерти выступают болезни органов дыхания, нервной системы, некоторые паразитарные и инфекционные заболевания.

В результате эколого-геохимических исследований выявлен преобладающий уровень трансформации биотических компонент ЭГС относительно абиотических. Значение комплексного показателя для атмосферы 1. Для приповерхностных отложений 2Т = 1,17, для подземных вод 2Ж = 1,3, что соответствует экологическому риску. Комплексный биохимический показатель по растительности 2$. составляет 1,7.

Для получения интегральной эколого-геохимической оценки зоны влияния ОЭМК проведены необходимые расчеты и построения согласно разработанной методике. В трехмерном пространстве построен индекс-вектор характеризующий состояние абиотической компоненты. Этот показатель составляет 2,01, что соответствует экологическому риску.

Завершающий этап интегральной эколого-геохимической оценки представляет собой построение графоаналитической модели состояния ЭГС и расчет интегрального показателя (рис. 5).

В основании каждого уровня графоаналитической модели интегральной эколого-геохимической оценки территории откладываются значения комплексных показателей.

По абиотическим факторам он составляет 2,01 (экологический риск), по биотическому фактору 1,7 (экологический риск), по уровню младенческой смертности -1,17 (экологический риск).

Человек

Рис. 5. Интегральная эколого-геохимическая модель зоны влияния Оскольского электрометаллургического комбината

Для расчета коэффициентов техногенного накопления использована следующая схема:

1. При переходе с абиотического на биотический уровень пирамиды усредненный показатель биологического поглощения, по результатам проведенных исследований равный 5, позволяет определить коэффициент техногенного накопления Ь=5.

2. При расчете коэффициента техногенного накопления г! учитывается соотношение содержания выявленных ранее элементов загрязнителей в сельскохозяйственной продукции и предельно допустимых уровней их потребления для человека. Величина данного показателя в пределах района исследований составляет 3>4.

В итоге проведенных расчетов и построений можно сделать следующие выводы:

1. Эксплуатация электрометаллургического комбината оказывает воздействие на абиотические компоненты природной среды в зоне своего влияния на уровне экологического риска.

2. Выявлено преобладание деградационных процессов в биотической компоненте ЭГС относительно абиотической.

Интегральный эколого-геохимический показатель состояния ЭГС позволяет отнести исследуемую территорию к категории экологического риска №=38,94).

Заключение

В ходе проведенных исследований были решены поставленные в работе задачи:

1. Проведен анализ эколого-геологических условий Старооскольского района КМА. Выделен блок приповерхностных отложений, определяющий основные направления геохимического потока вещества в разрезе. Среди основных геохимических ассоциаций выделены природные (железо, марганец) и техногенные (хром, свинец, цинк). Биогеохимические ассоциации представлены медью и ванадием. Систематизированы данные по экономической и промышленной структуре Старооскольского района КМА, обосновано его отнесение к техногенно-нагруженным территориям.

2. Разработана методика интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий на базе графоаналитической модели. Она включает абиотические компоненты эколого-геохимических условий, биотические факторы и медико-демографические показатели, индексированные коэффициентами техногенного накопления.

3. Изучены особенности пространства абиотических и биотических признаков района размещения Оскольского электрометаллургического комбината. Выявлено преобладание деградационных процессов, проходящих в биоте. Это проявлено в виде тератологических и биохимических преобразований, соответствующих рангу экологического риска и кризиса. Анализ состояния здоровья населения по показателю младенческой смертности также позволяет отнести данную территорию к рангу экологического риска. Эколого-геохимическая оценка состояния абиотической компоненты природной среды выявила ее заметное преобразование в зоне влияния комбината (ранг экологического риска). Основные загрязняющие компоненты, определенные в ходе исследований: для приземного слоя атмосферы -взвешенные вещества и марганец, для приповерхностных отложений - хром и марганец, для подземных вод - яселезо и марганец.

4. Проведена интегральная эколого-геохимическая оценка зоны влияния Оскольского электрометаллургического комбината. Она позволяет сделать следующие выводы относительно объекта исследования:

а) интегральная эколого-геохимическая оценка по комплексу абиотических и биотических признаков относит зону влияния ОЭМК к . категории экологического риска;

б) наблюдается активная реакция со стороны биоты на наметившийся переход абиотических компонентов к ситуации экологического риска. Следует отметить, что на уровне морфологических признаков она проявляется сильнее, чем по биохимическим показателям;

в) по результатам интегральной оценки в зоне влияния ОЭМК выделены участки перспективные для различных видов освоения: промышленного, водо-и сельскохозяйственного, рекреационного;

г) приоритетной в данных эколого-геохимических условиях является система профилактических природоохранных мероприятий. Не выявлена

необходимость внедрения финансовоемких систем защиты и реабилитации природной среды в зоне влияния электрометаллургического комбината.

5. Разработана система эколого-геологического мониторинга как ведущего инструмента профилактических природоохранных мероприятий на примере ОЭМК. Данная система базируется на результатах интегральной эколого-геохимической оценки, позволяет эффективно контролировать состояние ЭГС и планировать социально-экономические программы развития региона.

Публикации по теме диссертационной работы:

1 Базарский О.В. Оптимальное размещение сети точек пробоотбора при эколого-геологических исследованиях / О.В. Базарский, A.A. Курышев, В.В. Шабанов // Вестник Воронежского государственного университета. Сер.

Геология. - 2010.-№ 2. - С. 296-301.

2. Курышев A.A. Особенности применения биотических показателей при эколого-геологической оценке техногенно-нагруженных территорий / A.A. Курышев, И.И. Косинова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология. - 2011. —№ 1. - С. 231-235.

3 Курышев A.A. Интегральная эколого-геохимическая оценка техногенно-нагруженных территорий на примере крупного электрометаллургического комбината / A.A. Курышев, И.И. Косинова // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - № 4. - С. 99-103.

4 Интегральная оценка уровня загрязнения приповерхностной части литосферы г. Липецка / С.Ю. Боков [и др.] // Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты: материалы междунар. науч.-пракг. конф., 6-10 ост. 2009 г. - Воронеж, 2009. - С. 130-134.

5 Косинова И.И. Графические методы эколого-геологических оценок территорий / И.И. Косинова, A.A. Курышев // Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология: материалы междунар. конф., посвящ. 90-лет. Воронеж, гос. ун-та, г. Воронеж, 12-16 нояб. 2008 г. -

Воронеж,2008.-С. 309-310.

6 Косинова И.И. Методические особенности разработки критериев оценки' почвенных отложений / И.И. Косинова, A.A. Курышев // Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья Российской Федерации: материалы 11-й междунар. науч.-практ. конф., 12 дек. 2007 г. -

Липецк, 2007.-С. 104-106.

7 Курышев A.A. Биотические критерии эколого-геологических

оценок / A.A. Курышев // Геологи 21 века: материалы 9-й всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых спец. - Саратов, 2008. - С. 134-135.

8 Курышев A.A. Влияние дисперсности пылевых выбросов на загрязнение компонентов природной среды / A.A. Курышев II Молодые -наукам о Земле: материалы межвуз. науч. конф. студ., аспирантов и молодых ученых.-М, 2008.-С. 229.

9. Курышев A.A. Влияние тяжелых металлов зоны крупного металлургического предприятия на состояние здоровья населения / A.A. Курышев, А.Е. Косинов // Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития: тр. 9-го Междунар. симпозиума молодых ученых, аспирантов и студ., 21-24 нояб. 2007 г. -М., 2009. - С. 139-140.

10. Курышев A.A. Методика интегральных эколого-геологических оценок техногенно-нагруженных территорий / A.A. Курышев II Геологи 21 века: материалы 7 Всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых спец., г. Саратов, 28-31 марта 2006 г. - Саратов, 2006. - С. 122-123.

11. Курышев, A.A. Методологические аспекты оценки суммарных воздействий загрязняющих веществ на компоненты природной среды / A.A. Курышев, А.Е. Косинов // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии. - Воронеж, 2008.

С. 55-59.

12. Курышев A.A. Оценка эколого-геологических условий Старооскольского района КМА / A.A. Курышев // Школа экологической геологии и рационального недропользования: материалы 9-й межвуз. молодежной конф. - СПб., 2008. - С. 247-249.

13. Курышев A.A. Пространственное распределение соединений азота в приповерхностных отложениях зоны влияния ОЭМК / A.A. Курышев // Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья Российской Федерации: материалы 10-й Всерос. науч.-практ. конф., г. Липецк, 6 дек. 2006 г. - Липецк, 2006. - С. 68-69.

14. Курышев A.A. Совершенствование современных методик эколого-геологических оценок территорий / A.A. Курышев // Гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг: сб. науч.-метод. материалов. - Воронеж, 2006 . - Вып. 2, ч: 1. - С. 70-72.

15. Курышев A.A. Характеристика загрязнения воздушной среды Старооскольского района КМА / A.A. Курышев // Материалы науч. Сес. Воронеж, гос. ун-та. Секция экологической геологии. - Воронеж, 2009. - Вып. 2. - С. 70-72.

16. Курышев A.A. Характеристика природных и очищенных подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения в ЦЧР / A.A. Курышев, И.С. Лавриков // Сборник научно-методических материалов. -Воронеж, 2005. - Вып. 28, ч. 2. - С. 96-99.

17. Курышев A.A. Эколого-геологическая характеристика зоны влияния крупного металлургического комбината / A.A. Курышев // Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы 18-й молодежной науч. конф., посвящ. памяти чл.-кор. АН СССР К.О. Кратца, СПб., 8-13 окт. 2007 г. - СПб., 2007. - С. 303-305.

18. Курышев A.A. Эколого-гидрогеохимическая характеристика альб-сеноманского горизонта Старооскольского района КМА / A.A. Курышев // Геологи XXI века: материалы 8-й Всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых спец., г. Саратов, 28-30 марта 2007 г. - Саратов, 2007. - С. 48-49.

19. Лавриков И.С. Сравнительный анализ качества подземных вод ряда районов ЦЧР, используемых в целях питьевого водоснабжения / И.С. Лавриков, А.А. Курышев // Геологи XXI века: материалы б-й Всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых спец., 5-7 апр. 2005 г. - Саратов, 2005. - С. 168-170.

Подписано в печать 9Ц. 01 ,2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 30.

Издательство УГТУ 620144, г. Екатеринбург ул. Куйбышева, 30 ФГБОУ ВПО «Уральский гос. горный ун-т»

Отпечатано с оригинал-макета В лаборатории множительной техники изд-ва УГТУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Курышев, Александр Александрович, Воронеж

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

61 12-4/84

На правах рукописи

Курышев Александр Александрович

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННО-НАГРУЖЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ ОСКОЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -доктор геолого-минералогических наук, профессор, И.И. Косинова

Воронеж, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ...................................................11

1.1. Современные подходы к интегральным оценкам состояния природной среды техногенно-нагруженных территорий..................................................11

1.2 Экологические последствия деятельности металлургических предприятий...........................................................................................................22

1.3 Характеристика объекта исследований и технологии производства. 29

2 ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СТАРООСКОЛЬСКОГО РАЙОНА КМА..............................................................33

2.1 эколого-геологические условия старооскольского района КМА.....33

2.1.1 Геологическое строение.............................................................................33

2.1.2 Характеристика почвенного покрова.......................................................43

2.1.3 Геоморфология и неотектоника района...................................................47

2.1.4 Гидрогеологические условия....................................................................51

2.1.5 Характеристика растительности...............................................................57

2.1.6 Социально-экономическая структура......................................................60

3 МЕТОДИКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ТЕХНОГЕННО-НАГРУЖЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ..........................64

3.1 Формирование базы данных для интегральной оценки..........................64

3.1.1 Методика полевых и аналитических исследований...............................65

3.1.2 Оценка воздействия на атмосферу...........................................................70

3.1.3 Оценка воздействия на литосферу............................................................72

3.1.4 Оценка воздействия на растительный покров.........................................76

3.1.5 Оценка антропоэкологических аспектов.................................................80

3.2 Интегральная оценка абиотических и биотических факторов.............83

4 ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ОЭМК.....................................................................................................90

4.1 Покомпонентная оценка эколого-геохимических условий района ОЭМК.......................................................................................................................90

4.1.1 Атмосфера...................................................................................................90

4.1.2 Подземные воды.........................................................................................96

4.1.3 Почвы и приповерхностные отложения.................................................101

4.1.4 Растительность..........................................................................................109

4.1.5 Антропоэкологические аспекты.............................................................112

4.2 Основные формы миграции тяжелых металлов в природных средах района Оскольского электрометаллургического комбината...................116

4.3 Интегральная оценка эколого-геохимических условий в зоне влияния электрометаллургического комбината.........................................................121

5 ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАК ОСНОВА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В РАЙОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ...................................................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие промышленного производства в XX и XXI веке привело к заметному ухудшению качества окружающей природной среды. Появились так называемые техногенно-нагруженные территории. Они обладают высоким природно-ресурсным потенциалом, и в их пределах ведется активная промышленная и хозяйственная деятельность человека. Уровень трансформации компонентов природной среды зависит от эколого-геологических условий района, социально-экономической структуры, медико-демографических особенностей, используемых технологических способов и производств. Системы природоохранных мероприятий в укрупненном виде можно подразделить на два блока: профилактический и реабилитационный. Стоимостные показатели этих блоков отличаются на порядки [65, 66]. В этой связи первоочередной задачей является интегральная оценка отдельных техногенно-нагруженных территорий (ТНТ) в целях выработки приоритетных направлений природоохранной деятельности с преобладанием доли либо профилактических, либо реабилитационных мероприятий. Практическая значимость интегральных оценок заключается также в сравнительной оценке отдельных участков ТНТ, прогнозе возможностей их дальнейшего использования, как в промышленных, так и сельскохозяйственных, селитебных, рекреационных целях. В настоящее время существующая система эколого-геологических оценок дифференцированно характеризует отдельные компоненты природной среды. Такой подход возможен для оценки локальных объектов, не оказывающих значимого негативного воздействия. Применение данных методик для техногенно-нагруженных территорий не дает целостного представления о сложившейся эколого-геологической ситуации, в результате внедряемые природоохранные мероприятия не взаимоувязаны, недостаточно эффективны, нередко противоречат друг другу.

В этой связи актуальность настоящей работы заключается в разработке единого интегрального подхода при эколого-геохимических оценках

техногенно-нагруженных территорий, позволяющего формировать научно обоснованную, практически эффективную систему природоохранных мероприятий.

инфраструктурой и высокой плотностью населения (около 100 человек км ). Особенности влияния черной металлургии на компоненты природной среды рассмотрены в работах Е.П. Волынкиной, В.В. Ильяша, И.И. Косиновой, А.И. Кочетова, Л.М. Симонян. Выявлено, что эколого-геохимический фактор трансформации ЭГС является одним из ведущих.

Особенностью металлургического производства является негативное воздействие на все составляющие окружающей среды. Это загрязнение почв по причине массового складирования отходов, сброс недостаточно очищенных сточных вод в естественные водоемы, а также выбросы в атмосферу большого количества вредных веществ. Так, например, для металлургических предприятий актуальна проблема переработки техногенных образований. Известно, что для выработки одной тонны стали традиционным способом в производство вовлекается более трех тонн первичных природных сырьевых ресурсов. Образующиеся после выплавки стали доменные шлаки накапливаются в отвалах и шламохранилищах, изымая из оборота при этом городские и сельскохозяйственные земли и создавая дополнительную нагрузку на территорию (так, только на территории металлургических предприятий Уральского региона скопилось свыше 6 млрд тонн подобных отходов).

Все металлургические предприятия являются источниками загрязнения атмосферы пылью, оксидами углерода, азота и серы. Установлено, что предприятия черной металлургии выбрасывают в атмосферу до 25% металлосодержащей пыли и окиси углерода от общего количества этих веществ, попадающих в атмосферу в результате промышленных процессов. На металлургию приходится распространение в атмосфере почти 50%

неутилизируемых промышленностью окислов серы (только предприятиями Заполярного филиала «Норильского никеля» выбрасывается в атмосферу 979 тыс. тонн серы в год). Кроме того, технологический цикл подразумевает выбросы в атмосферу целого спектра токсичных для человеческого организма веществ включая бенз(а)пирен, фториды, соединения марганца, ванадия и хрома.

Современным направлением развития черной металлургии является создание электрометаллургических комбинатов. Они осуществляют производство стали из металлизированных окатышей, получаемых методом прямого восстановления железа. У авторов предшествующих исследований (Л.М. Симонян, А.И. Кочетова и др.) рассматриваются две противоположные позиции. Согласно первой электрометаллургия - экологически чистое производство. Второй подход свидетельствует о значительном преобразовании эколого-геологических систем в зонах влияния комбинатов. Несомненно, что рассматриваемый вид промышленного воздействия оказывает влияние на комфортность среды обитания, уровень которого в настоящее время недостаточно изучен. В этой связи нами для актуализации разрабатываемых методических подходов выбран крупнейший в России Оскольский электрометаллургический комбинат (г. Старый Оскол, Курская магнитная аномалия - КМА). Результаты исследований его воздействия на природную среду позволят обосновать необходимую систему природоохранных мероприятий, могут служить маркером дальнейших эколого-геологических оценок зон влияния электрометаллургических комбинатов.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка методики интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ эколого-геологических условий территории Старооскольского района КМА.

3. Интегральная эколого-геохимическая оценка территории Оскольского электрометаллургического комбината.

4. Обоснование приоритетной системы природоохранных мероприятий.

5. Разработка системы эколого-геологического мониторинга района крупного электрометаллургического предприятия на базе интегральной эколого-геохимической оценки.

Фактический материал. В основу диссертации положены эколого-геохимические исследования автора в рамках НИР «Разработка проекта мониторинга состояния почв и подземных вод на территории промплощадки ОАО «ОЭМК» и в зоне его влияния». Исследования проводились в период с 2005 по 2009 г. и включали полевые, аналитические и камеральные работы. Также в диссертационной работе использовались материалы ОАО «Белгородгеология», Управления по экологии Оскольского электрометаллургического комбината.

В сферу наблюдений были включены приповерхностные отложения (169 образцов), подземные воды (180 проб), тератологические наблюдения (150 проб). Анализ демографических показателей проводился по данным федеральной медико-статистической службы и включал около 1 тыс. наблюдений. Экологическая оценка состояния приземного слоя атмосферы включала анализ 500 наблюдений по ведущим загрязняющим элементам.

Положения, выносимые на защиту:

(крупнейшее железорудное месторождение России) и развитой техногенной инфраструктурой, включающей горнодобывающий и обрабатывающий комплексы, интенсивное сельское хозяйство, транспортную и строительную индустрии.

2. Методика интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий на основе многоуровневой графоаналитической модели, включающей три блока. Первый блок представляет собой статистическую векторную модель абиотической компоненты эколого-геохимического состояния ЭГС. Во втором — предлагается аккумулировать информацию по биотическим факторам ЭГС. Третий -систематизирует данные об изменениях состояния здоровья населения. Деградационные изменения в системе при ее техногенном преобразовании проявляются в виде накопления элементов на верхних уровнях графоаналитической модели.

3. Интегральная эколого-геохимическая оценка зоны влияния ОЭМК, соответствующая уровню экологического риска по всем анализируемым абиотическим и биотическим признакам. Среди абиотических компонент ЭГС максимально техногенно преобразованными являются почвы и приповерхностные отложения. Для них определены ведущие загрязняющие элементы: хром и марганец. Среди биотических факторов в большей степени проявлена биохимическая деградация растительности.

Научная новизна. Разработана и опробована новая методика интегральной эколого-геохимической оценки техногенно-нагруженных территорий, отличающаяся построением статистической векторной модели абиотической компоненты эколого-геохимического состояния ЭГС. На ее основе строится интегральная модель, включающая абиотические ЭГУ, биотические факторы и медико-демографические показатели.

На основе интегральной эколого-геохимической оценки выделены

участки перспективные для различных видов освоения: промышленного, водо-и сельскохозяйственного, рекреационного.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались автором на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 2006, 2007); Международной научно - практической конференции «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2007); Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва 2007); молодежной научной конференции, посвященной памяти чл.-кор. АН СССР К.О. Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (г. Санкт - Петербург 2007); научной сессии Воронежского государственного университета (секция экологической геологии, Воронеж, 2008, 2009); Межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт -Петербург, 2008, 2011); Международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (Воронеж, 2008, 2009); Всероссийской межвузовской научной конференции «Молодые - наукам о земле» (Москва, 2008); Научной сессии Воронежского государственного университета (Воронеж, 2010, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 статей (в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ)

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных литературных источников. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, включающих 35 рисунков, 20 таблиц, 20 формул и список литературы из 140 наименований.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору И.И. Косиновой за помощь на всех этапах выполнения работы, профессору О.В. Базарскому и доценту A.A. Валялыцикову за ценные рекомендации по разработке методической части. Отдельная благодатность доценту В.В. Ильяшу за содействие в сборе материалов, необходимых для написания работы. А также всем сотрудникам кафедры экологической геологии за замечания и предложения, которые способствовали совершенствованию работы.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Современные подходы к интегральным оценкам состояния природной среды техногенно-нагруженных территорий

В настоящее время для решения ряда задач, связанных с охраной геологической среды в пределах промышленных районов, используются методы нового направления геологии — экологической геологии.

Объектом изучения экологической геологии, согласно В.Т. Трофимову и Д.Г. Зилингу [128] является, верхняя часть литосферы (включающая подземные воды и газы) как абиотическая компонента экосистем высшего уровня организации. С поз�

Информация о работе

Курышев, Александр Александрович
кандидата геолого-минералогических наук
Воронеж, 2012
ВАК 25.00.36

Диссертация

Интегральная эколого-геохимическая оценка техногенно-нагруженных территорий на примере Оскольского электрометаллургического комбината - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы