Влияние абиотических факторов на элементы биоты экосистем при открытой разработке месторождений строительных материалов

Озарян, Юлия Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние абиотических факторов на элементы биоты экосистем при открытой разработке месторождений строительных материалов
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Влияние абиотических факторов на элементы биоты экосистем при открытой разработке месторождений строительных материалов"

На правах рукописи

005019980

ОЗАРЯН Юлия Александровна

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕМЕНТЫ БИОТЫ ЭКОСИСТЕМ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

(на примере ОАО «Корфовский каменный карьер»)

Специальность: 25.00.36 - «Геоэкология»

(горно-перерабатывающая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2012

005019980

Работа выполнена в ФГБУН Институт горного дел Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Научный руководитель доктор технических наук

Галченко Юрий Павлович

Официальные оппоненты

Алыменко Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН

Чмыхалова Светлана Валерьевна, кандидат технических наук, доцент, профессор ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет

Ведущая организация ФГБУН Институт горного дела Уральского

отделения РАН

Защита состоится «27» апреля 2012 г. в 16-00 часов на заседани диссертационного совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институ Уральского отделения РАН: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78А тел./факс +7 (342) 216-75-02, E-mail: bba@rni-perm.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ] Горный институт Уральского отделения РАН

Автореферат разослан « марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бачурин Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В Хабаровском крае расположено множество месторождений полезных ископаемых: от общераспространённого минерального сырья до драгоценных металлов. На границе особо охраняемой природной территории - Большехехцирского государственного природного заповедника находится месторождение гранодиоритов, освоение которого с целью получения строительных материалов началось ещё в 1907 году.

В Российской Федерации добыча строительных материалов составляет не менее 1,4 млрд. т в год. Известно, что на сегодняшний день в России добыто и размещено в породных отвалах и хвостохранилищах более 500 млрд. м3 отходов добычи и переработки полезных ископаемых.

Открытая добыча полезных ископаемых оказывает наиболее сильное воздействие на качество среды обитания. При этом зона её техногенного поражения намного превышает площадь, занятую самим предприятием и его промплощадкой. Это обусловлено отчуждением земель, уменьшением биоразнообразия уникальных дальневосточных экосистем и рядом других абиотических факторов. Различные научные и природоохранные организации исследуют вопросы экологической безопасности в зоне воздействия горнопромышленного комплекса, однако практически не изучена проблема влияния открытой добычи строительных материалов на компоненты окружающей среды с целью определения пределов их толерантности.

Методологический подход к разрешению этой проблемы предусматривает трансформацию глобального противоречия между био- и техносферой в цепь локальных противоречий между предприятием и реальными экосистемами, каждое из которых преодолевается путем целенаправленного создания и применения геотехнологий, позволяющих не превышать пороги возмущения биоты, допустимого по условиям её существования. Именно поэтому становятся весьма актуальными исследования, направленные на определение специфики воздействия техногенных факторов на компоненты природной среды в процессе эксплуатации месторождений строительных материалов.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР 2008-2011 гг. ИГД ДВО РАН «Создание научных основ предупреждения кризисных

экологических ситуаций в горнопромышленных районах российского Дальнего Востока» (2006 - 2008 гг.), № госрегистрации 012000613511; «Создание научных основ оценки и управления экологическим риском при освоении твердых полезных ископаемых в горнопромышленных районах Дальнего Востока» (2009-2011 гг.), № госрегистрации 01200953154.

Цель работы: изучение особенностей влияния абиотических факторов на элементы биоты при открытой разработке месторождений строительных материалов.

Основные научные задачи:

1. Изучение особенностей техногенного воздействия и охраны окружающей среды при ведении открытых горных работ;

2. Исследование взаимодействия природной и технической составляющих систем открытого освоения месторождения;

3. Техногенное изменение состояния атмосферы;

4. Изучение демутационных процессов растительных сообществ в зонах техногенного воздействия карьера;

5. Разработка предложений и рекомендаций по повышению экологической безопасности геотехнологии.

Идея диссертации: использование методов биоиндикации для изучения техногенных факторов горного производства и последующей их регламентации.

Предмет исследования: природно-техническая система (ПТС) открытого освоения месторождения строительных материалов.

Объект: абиотические факторы горно-перерабатывающей отрасли и подверженные их влиянию элементы биоты экосистем.

В работе использован комплекс научных методов, включающий: анализ и обобщение литературных данных; методы химического анализа; тест-систему «Стерильность пыльцы растений-биоиндикаторов»; метод оценки качества среды по уровню асимметрии морфологических структур растительности; расчет выбросов от неорганизованных источников в промышленности строительных материалов; математическую и статистическую обработку полученных данных.

Научная новизна:

1. Установлено, что техногенные новообразования при разработке месторождений стройматериалов не только занимают территорию экосистем, но и становятся причиной появления вторичных экологических воздействий на эти экосистемы;

2. Выявлены закономерности формирования, условия транзита и депонирования пылевого потока при работе карьера;

3. Обоснована и предложена новая методика определения предельно допустимого депонирования минеральной пыли на фотосинтезирующей поверхности растений, основанная на использовании соотношения интенсивности дыхания растений с изменяющейся в процессе техногенного воздействия их биологической продуктивностью;

4. Впервые исследованы демутационные процессы на поверхности породных отвалов предприятия, осваивающего месторождение строительных материалов, во временном интервале 550 лет и установлено, что на отвалах 5, 10 и 15-летнего возраста качество среды оценивается как критическое, на отвале, в котором вскрышные породы хранятся 25 лет, зафиксированы существенные отклонения от нормы и только спустя 40-50 лет экологическое состояние оценивается как условно нормальное;

5. Исходя из основных положений теории биоценологии, обоснован и предложен новый критерий оценки устойчивости экосистемы к внешним воздействиям и метод его определения.

Защищаемые положения:

1. В природно-технической системе структура и интенсивность техногенных факторов регулируются составом технологического цикла, а уровень их экологической опасности определяется видовым разнообразием и устойчивостью эдификаторной синузии фитоценоза экосистемы;

2. Характер дигрессивных процессов в нарушаемых открытыми горными работами экосистемах определяется структурой и интенсивностью техногенного воздействия, а скорость и качество биологической реабилитации этих экосистем зависит от видового состава и расстояния до сложноструктурных растительных сообществ естественной биоты;

3. Устойчивость вторичных растительных сообществ на поверхности хранилищ твёрдых отходов карьера определяется продолжительностью хранения отходов и позицией этих хранилищ по отношению к ненарушенным экосистемам.

Практическая значимость работы:

1. Предложен системный подход к комплексной оценке экологической ситуации в зоне воздействия горнопромышленного комплекса;

2. Обоснована методика определения пределов толерантности экосистем;

3. Рекомендована структура видового состава вторичных фитоценозов для ускорения процессов реабилитации биоты нарушенных экосистем при проведении рекультивационных мероприятий;

4. Доказано, что при складировании тонкодисперсных отходов отвалы, необходимо располагать вблизи естественных лесных сообществ;

5. Разработан способ биологического закрепления пылящих поверхностей на карьере строительных материалов.

Научное значение работы состоит в выявлении закономерностей воздействия абиотических факторов на биоту и её отклика на те или иные воздействия, а также в обосновании комплексного подхода к экологически безопасному ведению горных работ.

Достоверность результатов подтверждена:

1. Материалами натурных наблюдений (4 сезона, 603 пробы);

2. Использованием комплекса данных, полученных при помощи классических и оригинальных методик;

3. Математической обработкой полученных данных;

4. В экспериментальных работах - определением необходимого количества вариантов исследования, в том числе контрольного в пятикратной повторности;

5. Регулярным проведением фенологических наблюдений;

6. Сопоставлением полученных данных с результатами исследования фоновой территории.

Личный вклад автора: постановка задач исследования; выбор методик; анализ литературных данных по исследуемой проблеме; отбор проб в полевых условиях; исследование растительности по выбранным методикам; проведение экспериментальных исследований в полевых и производственных условиях; математическая обработка и анализ полученных данных; разработка предложений и рекомендаций по снижению негативного воздействия открытой добычи строительных материалов на компоненты биоты; выявление закономерностей; исследование демутационных процессов на породных отвалах. Автором выполнен основной объем исследований, проведен анализ полученных данных, сформулированы основные

положения диссертации, составляющие её новизну и практическую значимость.

Апробация работы. Научные результаты и положения работы были представлены автором на различных региональных, всероссийских и международных научных мероприятиях: ХП Международная экологическая конференция студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (МГГУ, г. Москва, 2008); Международный форум-конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПбГГУ, г. Санкт-Петербург, 2009г.); III Международная научная конференция «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск, 2009 г.); Х1-ХШ краевой Губернаторский конкурс-конференция молодых ученых (г. Хабаровск, 2009-2011); Международная конференция «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2009-2011);. XVI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ, г. Москва, 2009 г.); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (ВоГТУ, г. Вологда, 2008-2010 г.); кроме этого полученные результаты были представлены на Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи НТТМ-2010 (Москва, 2010 г.) и конкурсе «ДВ- регион» (Хабаровск, 2010).

Публикации: результаты, полученные в ходе научного исследования, опубликованы в 10 работах, из них 8 - в периодических изданиях, утвержденных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации: работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объём работы включает 174 страниц текста, 40 рисунков, 38 таблиц. Список используемых источников содержит 179 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Природные комплексы Дальнего Востока уникальны и разнообразны. Они являются культурным и материальным наследием страны. Большую ценность представляют пищевые ресурсы края, к которым относятся различные виды ореха, дикорастущие ягоды, грибы, медоносные древесные и травянистые растения. На территории Хабаровского края находятся особо охраняемые территории

различного назначения, в том числе пять государственных природных заповедников. В связи с тем, что регион является горнодобывающим, и в его пределах расположены различные месторождения полезных ископаемых, неизбежно оказывается негативное воздействие горнопромышленного комплекса на элементы биоты экосистем. Существует ряд способов, для снижения влияния геотехнологии на биоту. Однако, проблема комплексной оценки воздействия на компоненты окружающей среды и воспроизводства продуктивности земель, нарушенных в процессе добычи строительного сырья на Дальнем Востоке, практически не изучена.

Большой вклад в решение экологических проблем при эксплуатации горнопромышленного комплекса страны внесли академики Вернадский В.И., Трубецкой К.Н., Осипов В.И., член-корр. РАН Данилов-Данильян В.И., доктора наук Галченко Ю.П., Ельчанинов Е.А., Калабин Г.В., Куликова Е.Ю., Крупская JI.T., Мельников Н.В., Папичев В.И., Певзнер М.Е., Петров K.M., Реймерс Н.Ф., Саксин Б.Г., Чаплыгин H.H. и др.

В работе рассмотрен вопрос влияния абиотических факторов на элементы биоты экосистем при открытой разработке месторождений строительных материалов. Исходя из горно-геологических и сложившихся горнотехнических условий, на Корфовском каменном карьере принята транспортная система разработки, цикличная, экскаватором с погрузкой в автотранспорт. Вскрытие горизонтов разработки осуществляется открытым способом групповыми наклонными траншеями.

Инициатором экологических исследований в районе расположения месторождения выступила д.б.н., проф. Л.Т. Крупская, под руководством которой в 1986 г. здесь были выполнены первые рекультивационные мероприятия с использованием почвенных микроорганизмов.

Техногенное разрушение литосферы при извлечении необходимых полезных ископаемых не только изменяет состояние прилежащих участков, но и порождает систему разнообразных воздействий на абиоту и биоту экосистем природно-территориальных комплексов, в пределах которых располагаются добывающие предприятия. Величина и качество этих воздействий определяются типом геотехнологии, а экологические последствия - особенностями

строения нарушаемой при этом экосистемы. Отбор проб почвогрунтов и растительности, производился по схеме, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Карта-схема района исследования

Особенностью последствий развития горного производства является то, что некоторые техногенные экологические факторы становятся причиной появления вторичных техногенных факторов, характер и интенсивность влияния которых на природные объекты зависит уже не от геотехнологии, применяемой при выемке запасов, а от внутренних свойств и особенностей первичного техногенного фактора. Очень важно, что действие большинства вторичных факторов продолжается и после завершения разработки месторождения. Наиболее развитая система вторичных факторов появляется в связи с отторжением земной поверхности в различных целях, а именно: способ использования отторгаемых участков земной поверхности обуславливает структуру появляющихся вторичных экологических факторов (рис. 2).

В соответствии с существующими общими представлениями о механизме техногенного загрязнения природных систем, по характеру участия в общем процессе, выделяются три основных экологических блока: 1) источники загрязнений - элементы техносферы, в которых воспроизводятся техногенные вещества, поступающие в природную

среду; 2) транзитные среды - элементы абиоты экосистем, в которых происходит прием, транспортировка и частичная трансформация техногенных веществ; 3) депонирующие среды - элементы биоты, в которых техногенные вещества накапливаются и преобразуются.

СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Складирование твёрдых отходов

Селитебная инфраструктура

Промышленная инфраструктура

Транспортные магистрали

Промплощадки

ВТОРИЧНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Пылевое загрязнение

Загрязнение инертными отходами

Химическое загрязнение

Загрязнение продуктами сгорания

Рекреационное изменение

ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

ГИДРОСФЕРА

Загрязнение термальными стоками

БИОСФЕРА

Рис. 2. Структура вторичных техногенных экологических факторов

Исследование состояния и изменения элементов депонирующей среды должно раскрывать причинно-следственные связи этих изменений и проводиться по схеме:

В области изучения источников загрязнения среды, поиск путей снижения техногенных воздействий и действенной защиты окружающей среды при освоении недр должен строиться на основе обратной логики:

Научной основой здесь является анализ внутренней структуры геотехнологии и физической сути основных технологических процессов с целью определения причин появления тех или иных техногенных поллютантов и раскрытия механизма их превращения в факторы экологической опасности.

Основными источниками загрязнения воздушного пространства при добыче и переработке строительных материалов являются все производственные операции: бурение, взрывные работы, экскавация, транспортировка и складирование горной массы, проезд автомобильного транспорта, работа специальной техники. Исходя из технологической схемы подготовки, добычи и переработки горной массы очевидно, что основным источником загрязнения являются пыль и пылегазовые выбросы, которые образуются при: 1) буровзрывных работах; 2) работе горно-транспортного оборудования; 3) транспортировке; 4) работе дробилок, грохотов, а также в местах пересыпки и складирования готовой продукции (рис. 3).

0.63 1.45

17.7

16,2

53,7

и Буровые работы

я Взрывные работы

и Дробилка щековая

» Дробилка конусная

(3 ед.) и Грохот (8 ед.)

т Транспортировка конвеером

Рис. 3. Интенсивность источников техногенной пыли

Как видно из приведенных данных, основное количество минеральной пыли образуется при механическом дроблении породы и её разделении на фракции путём грохочения. Поэтому главной задачей геотехнологии в области снижения экологических последствий добычи нерудных ископаемых становится поиск путей локализации пылевых потоков, формирующихся в результате

переработки добытой горной массы в конечную продукцию предприятия.

Принятая на предприятии технологическая схема обуславливает появление вторичных источников минеральной пыли, увеличивающих пылевую нагрузку (табл. 1).

Таблица 1. Количество пыли, выделяемой от вторичных источников (в расчете на 1 тыс. м3 отработанной горной массы)

№ Источник выделения пыли Кол-во

п/п неорганической т %

1. Транспортирование горной массы: 0,019 11,4

1.1. Автодорога 0,018 10,8

1.2. Кузов самосвала 0,001 0,6

2. Отвалообразование 0,005 3,0

3. Склады щебня 0,142 85,5

3.1. Склад щебня № 1 0,054 32,5

3.2. Склад щебня № 2 0,051 30,7

3.3. Склад щебня № 3 0,037 22,4

ИТОГО: 0,166 100

Установлено, что структура пылевого загрязнения атмосферы характеризуется преобладанием низкоинтенсивных, но длительных по времени выбросов пыли от работы дробильно-сортировочного комплекса.

Поведение пыли в транзитной среде (атмосфере) зависит от её гранулометрического состава и состояния атмосферы, а также протекающих в ней динамических процессов. Депонирование пылевых выбросов в природной среде происходит на листовой поверхности фитоценозов и в почвенном покрове. Соотношение количества пыли, депонированной в каждой из названных сред, определяется величиной листового индекса (или величиной проективного покрытия) фитоценоза. Выполненное исследование механизма влияния пылевого загрязнения листовых пластинок на изменение биопродуктивности позволило обосновать методику расчёта предельно допустимого, по условиям существования растений, количества техногенной пыли на листовых пластинках (Птах, г/см2):

пшх 3 к,

( \ V Л/'У

К2-Къ-Кл,

где, /г - средние размеры частиц пыли; у - объемный вес материала; К] - коэффициент, учитывающий степень сплошности листового покрова, численно равный листовому индексу или показателю проективного покрытия для конкретного фитоценоза; В - интенсивность дыхания растений - определяется экспериментально, методом Бойсен-Иенсена для каждого изучаемого вида или группы видов-эдификаторов; Ар - продуктивность растительного покрова в условиях пылевого загрязнения; К2 - доля пылевой фракции в породе; -коэффициент, учитывающий влажность пыли; К* - коэффициент, учитывающий влияние климатических условий на депонирование пыли.

Учитывая, что территория горного отвода предприятия ранее была покрыта лесной растительностью, очевидна необходимость её восстановления путём проведения природоохранных мероприятий. Для осуществления этой цели, возникает потребность в изучении процессов самозарастания нарушенных горными работами земель, в частности породных отвалов. Кроме этого, изучение процессов естественного зарастания нарушенных земель имеет важное значение для определения пределов толерантности и оценки устойчивости организмов и их самовосстановительного потенциала.

Выполненные экспедиционные наблюдения за видовым составом растительности на отвалах различного возраста показали, что уже через 1-2 года, после образования отвала на его поверхности появляется пионерная травянистая растительность, представленная 2-3 видами. Она представлена травами семейств: бобовые (клевер розовый, донник лекарственный), злаковые (лисохвост луговой, мятлик луговой), астровые (полынь обыкновеная, пижма обыкновенная, одуванчик лекартсвенный, скерда кровельная и др.) и других. Из древесных видов в демутационных процессах принимают участие ива Шверина, ива сахалинская, тополь Максимовича, береза белая, ольха и другие. Общая динамика изменения видового разнообразия показана на рис. 4.

Видовое разнообразие растительности на площадке, заложенной на фоновой территории, насчитывает 46 видов, что ровно в два раза превышает количество видов на отвале 50-летнего возраста.

Такое протекание процессов самозарастания объясняется низким содержанием органической части в субстрате и его неблагоприятными физико-механическими характеристиками. В основном почвогрунты состоят из каменисто-песчаной смеси, в результате чего влага в субстрате не задерживается - это является причиной отсутствия необходимого для произрастания растительности водного режима.

Рис. 4. Изменение количества видов во времени

На основе анализа полученных данных выделены основные растительные сообщества и построен сукцессионный ряд узловых фитоценозов самовосстановления растительности на породных отвалах.

Кроме этого, проведена оценка стабильности развития растительности по величине флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков. Она представляет собой отклонения от строгой билатеральной симметрии вследствие несовершенства онтогенетических процессов и проявляется в незначительных ненаправленных различиях между сторонами (в пределах нормы реакции организма). Исследуемый фитоценоз является вторичным растительным сообществом, возникшим на месте породных отвалов.

Согласно методике, для биомониторинга стабильности развития вторичных сообществ выбрана береза белая (ВеШ1а а!Ьохтегш$), которая присутствует во всех вторичных фитоценозах, за

исключением 1 и 5-ти летнего отвала. В ходе работы вычислен интегральный показатель стабильности развития (7С*103) - величина среднего относительного различия между сторонами для растений на отвалах различного возраста (рис. 5).

к'103

30 I.........

Рис. 5. Интегральный показатель стабильности развития вторичных фитоценозов

Известно, что изменение билатеральных морфологических признаков растений зависит не только от внешнего воздействия, но и от качества субстрата, на котором они произрастают. В связи с этим, проведено исследование накопления поллютантов в горнопромышленных отходах предприятия, в сравнении с природным фоном. Из полученных данных видно, что содержание всех исследуемых элементов незначительно превышает фоновое, но при этом Мп, Си, 7м, РЬ и Hg не превышают кларк. Концентрация Бе выше кларковой лишь в точках 1 и 2. Выявлено, что с увеличением времени хранения отходов снижается концентрация всех элементов, кроме этого отмечена тенденция падения концентрации элементов в пробах 2010 г. по отношению к 2009 г., что определяется сочетанием механических, физико-химических и биогенных миграционных процессов.

Показателем уровня содержания элемента в пробе является коэффициент концентрации Кс, который определяется отношением содержания элемента в исследуемом объекте к фоновому (табл. 2).

Кроме этого, проведен количественный анализ проб растительности, отобранной на исследуемых площадках, который позволил сделать вывод о том, что происходят процессы миграции химических элементов из породных отвалов в надземные части растений.

Таблица 2. Результаты расчета коэффициентов концентрации (Кс) исследуемых химических элементов в почвогрунтах

Название элемента Значение показателя Кс Название элемента Значение показателя Кс

Мп 1,08 W 1,7

As 1,4 Fe 1,9

Cu 1,6 Sn 2,6

Zn 1,7 Hg 2,7

Мо 1,7 Cd 5,1

Прослеживается закономерность изменения концентрации элементов в растительности, от их содержания в породных отвалах. Исходя из этого, очевидно снижение содержания элементов в биоматериале, отобранном на породных отвалах различного возраста.

Накопление тяжелых металлов в исследуемом районе не превышало нормальных концентраций и потому не оказывало влияния на развитие самого растения, но может заметно изменять характеристики его физиологических функций. Данная проблема была исследована в ходе экспедиционных работ с 2008 по 2010 гг. с применением тест-системы «Стерильность пыльцы растений-биоиндикаторов».

Исследован фактор влияния времени хранения горнопромышленных отходов на показатели стерильности пыльцы. Установлено, что при времени хранения вскрыши от 20 лет и более значение исследуемого показателя находится в диапазоне, который характеризует экологическую ситуацию, как удовлетворительную, а

уровень повреждения - ниже среднего, от 40 лет и старше экологическая ситуация благоприятная, состояние растительности -среднее (рис. 6).

I,___

Рис. 6. Зависимость условного показателя повреждаемости (УПП) от времени хранения отходов в породных отвалах

В результате проведенных исследований были разработаны и экспериментально проведены биотехнические методы предотвращения пыления отвалов твёрдых отходов на предприятии, осваивающем месторождения строительных материалов (на основе запатентованного ранее способа). Для снижения пыления отвалов необходимо закрепление поверхности. Этого возможно достичь обеспечив устойчивый плотный растительный покров. Учитывая недостаток органической части в субстрате, предложено внесение в него лежалых опилок, которые являются хорошим средством для мульчирования. Безусловными плюсами использования древесных остатков, в частности опилок, для улучшения характеристик субстрата являются: 1. Обеспечение необходимого воздушного и водного режима; 2. Повышение поглотительной способности; 3. Размножение почвенных микроорганизмов; 4. Обогащение питательными веществами; 5. Снижение колебания температуры субстрата.

Для определения оптимального варианта сочетания факторов воздействия, были определены четыре варианта исследования, каждый в пятикратной повторности, в соответствии с планированием научного эксперимента: 1. Полив раствором с концентрацией гуматов 0,08 г/л; 2. Добавление в субстрат влажных древесных опилок;

3. Полив раствором с концентрацией гуматов 0,08 г + опилки;

4. Контрольный вариант - без использования опилок, полив водой. Показателями, по значению которых оценивали оптимальность предлагаемых вариантов, стали: всхожесть семян; количество всходов; высота всходов (мм); вес биомассы в сыром и воздушно-сухом виде.

Для эксперимента выбраны неприхотливые виды трав, характерных для данной местности: клевер розовый (Trifolium hybridium L.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris), пижма обыкновенная (Tanacetum L.). Предусмотрено регулярное проведение фенологических наблюдений, в результате которых выявлено, что третий вариант оказался наиболее эффективным по всем показателям. Полученные результаты подтвердились и при исследовании биомассы в сыром и воздушно-сухом виде.

Проведенные исследования, позволили сделать вывод о том, что для снижения пылевой нагрузки в местах расположения горнопромышленных отвалов наиболее рационально проводить санитарно-гигиеническую рекультивацию с учетом разработанных мероприятий, которая позволит закрепить поверхность и значительно снизить пыление отвалов. Выявлено, что эффективного положительного результата, возможно, достичь при совокупном действии гуминовых препаратов и внесении древесных отходов (Ш вариант). При использовании предлагаемого способа пылеподавления породных отвалов вносятся эффективные ускорители роста и развития растений и, способствующие структурированию почвогрунтов и внесению органической части, лежалые опилки. Это способствует достижению максимально положительного эффекта за более короткие сроки.

Кроме предлагаемого способа пылеподавления, рациональным решением, предупредительного характера, является расположение отвалов ближе к местам естественной лесной растительности. А также формировать отвалы меньшие по своим размерам, это будет способствовать более скорому процессу самовосстановления.

Следует учесть, что вторичные растительные сообщества расположенные вблизи хорошо развитого естественного фитоценоза являются более устойчивыми к абиотическим факторам воздействия геотехнологии. Это позволит повысить уровень экологической безопасности процессов освоения строительного камня и улучшить среду обитания в зоне воздействия горного предприятия.

С целью снижения выбросов пыли в период эксплуатации месторождения рекомендуется: модернизация дробильно-сортировочного оборудования путем применения современных технических решений; выемочно-погрузочные работы производить с наименьшей высотой погрузки и выгрузки; в засушливый период при отвалообразовании бульдозером грунтов, увлажнять их; дополнительное увлажнение грунтов при транспортировке их самосвалами.

Таким образом, основным мероприятием по снижению выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ и экологического риска на горном предприятии является усовершенствование источников выброса, т.е. горнотранспортного оборудования и дорожно-строительной техники, в плане уменьшения расхода топлива, повышения степени его сжигания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование литературных данных свидетельствует, что: процессы освоения месторождений строительных материалов способствуют неизбежному разрушению природного ландшафта, уничтожению почвенного покрова, нарушению биогеоценоза, снижению биоразнообразия растительного и животного мира, а проблема комплексной оценки негативного воздействия на компоненты окружающей среды и воспроизводства продуктивности земель, нарушенных в процессе добычи строительного сырья на Дальнем Востоке, практически не изучена.

Природно-климатические условия района расположения предприятия определяют медленное течение процессов самовосстановления компонентов биоты, а вторичные природные комплексы имеют низкий потенциал устойчивости к абиотическим факторам.

Проведенный биоиндикационный анализ, свидетельствует о том, что во всех точках обследования значения рассчитанного условного показателя повреждаемости (УПП) выше, чем на фоновой территории. Выявлены закономерности изменения УПП в зависимости от времени хранения горнопромышленных отходов и от расстояния места отбора проб от предприятия.

Выявлено неблагоприятное влияние на устойчивость экосистем техногенного фактора - пыления. При повышенной запыленности воздуха наблюдается ухудшение или полное прекращение роста растений.

Выявлена особенность демутационных процессов на породных отвалах горного предприятия - это увеличение продуктивности и усложнение строения фитоценоза во времени, что определяет положительную динамику в характере смены фитоценоза.

Определена взаимосвязь между химическим составом горнопромышленных отходов и интенсивностью процессов образования вторичных фитоценозов. Таким образом, более устойчивыми являются сообщества, развивающиеся на породных отвалах, где техногенное воздействие снижено более 30 лет.

Оценка стабильности развития живых организмов по уровню ассиметрии морфологических структур свидетельствует о том, что: развитие вторичных фитоценозов на породных отвалах оценивается как нестабильное, а качество среды обитания - как критическое, но при увеличении времени хранения отходов до 20 лет и более экологическая ситуация характеризуется как условно нормальная. Кроме этого, расположение отвалов рядом с заповедником способствует более быстрому восстановлению техногенно нарушенной среды.

Определен оптимальный состав растительности для проведения мероприятий по закреплению пылящей поверхности породных отвалов.

Предложены рациональные природоохранные решения предупредительного характера: располагать отвалы ближе к естественным лесным растительным сообществам, формировать отвалы меньшие по своим размерам, для ускорения самовосстановления.

Модернизация парка специального транспорта и

технологического оборудования позволит значительно снизить

образование пыли и пылегазовых выбросов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Озарян Ю.А., Кошелева Т.А., Рассказова М.И., Вовчук Е.Е. Обеспечение экологической устойчивости природной среды путём рекультивации при освоении месторождений гранодиоритов (на примере ОАО «Корфовский каменный карьер») // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009 - № 7. - С. 163-168.

2. Новороцкая А.Г., Озарян Ю.А., Кошелева Т.А., Вовчук Е.Е. Обоснование способа рекультивации земель, нарушенных добычей гранодиорита (на примере ОАО « Корфовский каменный карьер») // Дальний Восток-2: Сборник статей. Отдельный выпуск горного информационно- аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). - 2009. - № ОВ 4. - С. 337-341.

3. Озарян Ю.А., Кошелева Т.А. Обеспечение экологической безопасности процессов освоения строительного сырья в Хабаровском крае (на примере ОАО «Корфовский каменный карьер») // Отдельный выпуск № 2 Горного информационно-аналитического бюллетеня: Труды студентов и молодых ученых-1. -2010.-С. 38-40.

4. Озарян Ю.А., Вовчук Е.Е. Специфические особенности восстановления земель, нарушенных в процессе добычи строительных материалов (на примере ОАО «Корфовский каменный карьер») // Проблемы региональной экологии. - 2010. -№3. - С. 141-144.

5. Мамаев Ю.А., Крупская Л.Т., Озарян Ю.А. К вопросу об экологических проблемах освоения месторождений строительного сырья // Горный журнал. - 2010. - № 2. - С. 78-79.

6. Озарян Ю.А. К вопросу обеспечения экологической безопас-ности отходов добычи и переработки строительного сырья // Проблемы региональной экологии. - 2011. - №5. - С. 64—66.

7. Озарян Ю.А. Воздействие процессов освоения месторождений строительных горных пород на компоненты окружающей среды (на примере ОАО «Корфовский каменный карьер») II Молоды ученые - Хабаровскому краю: материалы ХШ краевого конкурса молодых ученых и аспирантов, Хабаровск, 14-25 января 2011 г. ■ Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та. - 2011. - Т. 2. ■ С. 92-95.

8. Озарян Ю.А. Исследование экологической устойчивост экосистем на территории горнопромышленного освоения / Экологические системы и приборы. - 2012. - № 1. - С. 38-41.

9. Озарян Ю.А. Исследование пылевого загрязнения экосистем при открытой разработке месторождений строительных материалов // Экологические системы и приборы. - 2012. - № 2. - С. 48-54.

10. Крупская Л.Т., Бычев М.И., Петрова Г.И., Саксин Б.Г., Крупский В.Т., Бубнова М.Б., Левинзон (Озарян) Ю.А., Гула К.Е. Способ воссоздания продуктивности нарушенных горными работами земель с использованием гуминовых препаратов // Патент № 2275779 Российская Федерация, МПК 7, заявл. 25.10.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13.

03АРЯН Юлия Александровна

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕМЕНТЫ БИОТЫ ЭКОСИСТЕМ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (на примере ОАО «Корфовский каменный карьер»)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.03.2012. Формат 60х84'/16. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Зак. 108. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Озарян, Юлия Александровна, Хабаровск

61 12-5/3338

УРАН Институт горного дела ДВО РАН

На правах рукописи

Озарян Юлия Александровна

Специальность 25.00.36- «Геоэкология» (горно-перерабатывающая промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Ю.П. Галченко

Хабаровск - 2012

29 34

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение 4

1. Изучение особенностей техногенного воздействия и охраны ^ ^ окружающей среды при ведении открытых горных работ

1.1. Освоение месторождения, как развитие природно-технической ^ ^ системы

1.2. Особенности строения природной составляющей

1.3. Развитие технической составляющей

1.4. Изученность проблемы

2. Исследование взаимодействия природной и технической 61 составляющих систем открытого освоения месторождения

2.1. Анализ общей структуры техногенного воздействия 61

2.2. Исследование характера техногенного изменения биоты 66

2.3. Обоснование общих подходов к определению пределов ?? толерантности фитоценозов

3. Исследование техногенного изменения состояния атмосферы ^

3.1. Исследование источников минеральной пыли ^ ^

3.2. Механизмы транзита и депонирования техногенной пыли

3.3. Методика определения пределов толерантности фитоценозов по 1 ^ пылевому фактору

4. Исследование особенностей демутации растительных сообществ в зонах техногенного воздействия карьера

4.1. Исследование особенностей демутационных процессов в зоне техногенного воздействия

4.2. Исследование устойчивости растительных сообществ к техногенным факторам открытых горных работ

4.3 Исследование устойчивости вторичных фитоценозов при разработке

карьера строительных материалов

4.4. Обоснование методики определения устойчивости фитоценозов 141

5. Предложения и рекомендации по повышению экологической

107

117

135 141 149

безопасности геотехнологии

Заключение

157

Список используемых источников

1 175 Приложение 1

178

Приложение 2

* 179 Приложение 3

180

Приложение 4

ВВЕДЕНИЕ

Природные комплексы Дальнего Востока уникальны и разнообразны. Они являются культурным и материальным наследием страны. Флора и фауна Хабаровского края насчитывает сотни видов. Большую ценность представляют пищевые ресурсы края, к которым относятся различные виды ореха, дикорастущие ягоды, грибы, медоносные древесные и травянистые растения. Известны многим дальневосточные лекарственные растения - Женьшень (Panax ginseng), Элеутерококк (Eleutherococcus), Лимонник (Schisandra), Аралия (Arälia), а также множество травянистых видов, часть из которых занесены в Красные книги РФ и Хабаровского края. По территории Хабаровского края протекает р. Амур, входящая в мировую десятку крупнейших рек. В бассейне реки располагается множество ценнейших природных комплексов, отличающихся высоким биоразнообразием. Кроме этого, регион является горнодобывающим, и в его пределах расположены месторождения полезных ископаемых: от общераспространённого минерального сырья до драгоценных металлов. На границе особо охраняемой природной территории -Болыпехехцирского государственного природного заповедника находится месторождение гранодиоритов, освоение которого с целью получения строительных материалов началось ещё в 1907 году.

Академик Н.В. Мельников отмечал, что генеральным направлением развития горнодобывающей отрасли является обеспечение опережающего роста открытого способа добычи, на долю которого в производстве строительного сырья, угля и руд приходится 75%. В России добыча строительных материалов составляет не менее 1,4 млрд.т (по данным Минэнерго России). Увеличение объемов добычи и мощности предприятий вызывают рост отрицательного воздействия горнопромышленного комплекса на компоненты окружающей среды. В настоящее время только в России извлечено из недр и находится в отвалах и хвостохраннлищах около 500 млрд. м3 горных пород и отходов переработки полезных ископаемых.

В целом, открытая добыча твердых полезных ископаемых (в том числе и строительных материалов) оказывает существенное негативное влияние на биоту природных экосистем. При этом зона её техногенного поражения намного превышает площадь, занятую самим предприятием и его промплощадкой. Как на глобальном, так и на региональном уровне, экологическая безопасность связывается, преимущественно, с биосферной устойчивостью, которая сегодня уже приобрела значение одного из важнейших факторов сохранения природы при развитии человеческого общества.

Методологический подход к разрешению этой проблемы предусматривает трансформацию глобального противоречия между био- и техносферой в цепь локальных противоречий между предприятием и реальными экосистемами, каждое из которых преодолевается путем целенаправленного создания и применения геотехнологий, позволяющих не превышать пороги возмущения биоты, допустимого по условиям её существования. Именно поэтому становится весьма актуальной научная задача определения специфики воздействия техногенных факторов на компоненты природной среды в процессе эксплуатации месторождений строительных материалов. Таким образом, целью работы явилось: изучение особенностей влияния абиотических факторов на элементы биоты при открытой разработке месторождений строительных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

3. Техногенное изменение состояния атмосферы;

4. Изучение демутационных процессов растительных сообществ в зонах техногенного воздействия карьера;

5. Разработка предложений и рекомендаций по повышению экологической безопасности геотехнологии

Идея диссертации: использование методов биоиндикации для изучения техногенных факторов горного производства и последующей их регламентации. Предмет исследования: природно-техническая система открытого освоения месторождения строительных материалов. Объект: абиотические факторы горно-перерабатывающей отрасли и подверженные их влиянию элементы биоты экосистем.

В работе использован комплекс научных методов, включающий: анализ и обобщение литературных данных; методы химического анализа; тест систему «Стерильность пыльцы растений-биоиндикаторов»; метод оценки качества среды по уровню асимметрии морфологических структур растений; расчет выбросов от неорганизованных источников в промышленности строительных материалов, математическую обработку полученных данных.

Научная новизна:

4. Впервые исследованы демутационные процессы на поверхности породных отвалов предприятия, осваивающего месторождение строительных материалов во временном интервале 5-50 лет и установлено, что на отвалах 5,10 и 15- летнего возраста качество среды оценивается как критическое, на отвале,

в котором вскрышные породы хранятся 25 лет зафиксированы существенные отклонения от нормы и только спустя 40-50 лет экологическое состояние оценивается как условно нормальное;

Защищаемые положения:

Практическая значимость работы:

2. Обоснована методика определения пределов толерантности экосистем;

3.Рекомендована структура видового состава вторичных фитоценозов для ускорения процессов реабилитации биоты нарушенных экосистем при проведении рекультивационных мероприятий;

4. Доказано, что при складировании тонко дисперсных отходов отвалы, необходимо располагать вблизи естественных лесных сообществ;

5. Разработан способ биологического закрепления пылящих поверхностей

на карьере строительных материалов.

Научное значение работы состоит в выявлении закономерностей

воздействия абиотических факторов на биоту и её отклика на те или иные воздействия, а также в обосновании комплексного подхода к экологически

безопасному ведению горных работ.

Достоверность результатов подтверждена:

1. Материалами натурных наблюдений (4 сезона, 603 пробы);

2. Использованием комплекса данных, полученных при помощи

классических и оригинальных методик;

3. Математической обработкой полученных данных;

4. В экспериментальных работах определением необходимого количества вариантов исследования, в том числе контрольного в пятикратной повторности;

5. Регулярным проведением фенологических наблюдений;

6. Сопоставлением полученных данных с результатами исследования

фоновой территории;

7. Апробацией на конференциях.

составляющие её новизну и практическую значимость.

Апробация работы: научные результаты работы были представлены автором на различным всероссийских и международных научных мероприятиях: XII Международная экологическая конференция студентов

молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации н высокие технологии XXI века» (г. Москва, 2008), Международный форум-конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), III.IV Международная научная конференция «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2009, 2011 гг.); Х1-ХШ краевой Губернаторский конкурс-конференция молодых ученых (г. Хабаровск, 20092011); Международная конференция «Неделя горняка» (г. Москва, 2009-2011);. XVI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодь« ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2009 г.); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (г. Вологда, 2008-2010 г.), Всероссийская выставка научно-технического творчества

молодежи НТТМ-2010 (Москва.).

Работа выполнена в соответствии с планами НИР 2008-2011 гг. ИГД ПВО РАН « Создание научных основ предупреждения кризисных экологических ситуаций в горнопромышленных районах российского Дальнего Востока» (2005 - 2008 гг.), № госрегистрации 012000613511; «Создание научных основ оценки и управления экологическим риском при освоении твердых полезных ископаемых в горнопромышленных районах Дальнего Востока» (2009-2011 гг.), № госрегистрации 01200953154, а также при поддержке программы (У.М.Н.И.К. ГК № 6672р/8820).

Публикации: результаты, полученные в ходе научного исследования, опубликованы в 10 работах, 8 из них во входящих в перечень рецензируемых

периодических изданий, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объём диссертации: работа состоит из введения, пяти глав,

заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы включает 179 страниц текста, 40 рисунков 38 таблиц. Список используемых

источников содержит 179 наименований.

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ВЕДЕНИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

1.1 Освоение месторождения, как развитие природно-технической системы

Освоение запасов любого месторождения неизбежно связано с полным или частичным рушением как абиоты, так и биоты природных экосистем. При этом достаточно очевидно, что характер применяемых геотехнологий полностью определяет глубину дигрессии естественной биоты. Тем не менее, хотя сегодня вошло в обращение понятие природно-технической системы, как некоего единого объекта, при решении любых технических или экологических вопросов составляющие этого целого рассматриваются совершенно независимо

друг от друга.

В мировой научной теории и практике исследованием экологических последствий антропогенного воздействия на земли начали активно заниматься с 60-х годов прошлого века. Большой вклад в решение экологических проблем при развитии минерально-сырьевого комплекса в нашей стране внесли академики Вернадский В.И., Сукачев В.Н., Трубецкой К.Н., Осипов В.И., член-корр. РАН Данилов-Данильян В.И., доктора наук Агошков А.И., Галченко Ю.П., Калабин Г.В., Крупская Л.Т., Папичев В.И., Певзнер М.Е., Петров K.M., Реймерс И.Ф., Саксин Б.Г., Н.Н.Чаплыгин, и др. [21, 27,28,143, 148, 150, 109,

55, 127, 117, 130, 131, 150,158, 112, 113,147-149].

Сегодня сформировалось несколько научных подходов к изучению

антропогенной нарушенности территории: общий (экономико-

природопользовательский); ландшафтный; геотехносистемный

(функциональный); природнотехносистемный; антропоэкосистемный

(экотехносистемный).

Корфовское месторождение гранодиорита разрабатывается с 1907 года. Оно разведано по квадратной сети шурфами и скважинами колонкового бурения. Климат района - умеренный, муссонный. По данным П.В. Новороцкого, 75 % дней в году погоду определяет континентальный воздух умеренных широт, 18 % - воздушные арктические массы [97].

Рис. 1.1. Карта-схема расположения объекта исследования

Продолжительность вегетационного периода составляет 140-145 дней. Среднегодовое количество осадков достигает 600 мм и более, максимум приходится на лето-осень (около 90 %), зимой же их меньше (не более 10 %). Поэтому снежный покров имеет небольшую высоту, что способствует глубокому промерзанию грунтов от 1,2 до 2,1 метра.

Чаще всего в этом районе преобладают ветры юго-западного и северовосточного направлений. Наибольшая повторяемость в течение года ветров со

скоростью более 5 м/сек отмечается зимой, наименьшая - летом. Сильные ветры (со скоростью 15 м/сек и выше) преобладают в период с ноября по март (около 15 дней). Наибольшая повторяемость слабых ветров отличается в зимний период (17-24 % дней), наименьшая - в мае и ноябре (0-11 % дней). Штилей зимой -14 % , а летом - более 12 % [97].

Климатическая характеристика изучаемого района дана по метеорологической станции «Хабаровск», для этого проанализированы среднемноголетние данные с 1995 по 2007 гг. [152] (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Климатическая характеристика района исследования (1995 -2007 гг.)____,

Климатический параметр Среднегодовое значение

Среднегодовая скорость ветра, м/с 3-4,5

Максимальные порывы ветра, м/с 4,1-4,5

Преобладающая скорость ветра, м/с 4,1-4,4

Направление ветра Ю-З

Повторяемость штилей, % 46

Относительная влажность, % 48

Максимальные значения влажности, % Июль-август (76-80 %)

Минимальные значения влажности, % Март-апрель (18-20 %)

Годовая сумма осадков, мм 500-650

Количество осадков с мая по сентябрь, % 70