Карта сайта RSS Facebook Twitter Youtube Instagram VKontakte Odnoklassniki
Главная < Наука < Публикации < Подробнее

КУЛЬНЕВ В.В. Геоэкологические модели депонирующих сред территории горнодобывающих предприятий

Диссертационный совет Д 215.007.01 при Военном авиационном инженерном университете (г. Воронеж) (394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д.54а) объявляет, что диссертацию на соискание ученой степени кандидата географических наук представил Кульнев Вадим Вячеславович: «Геоэкологические модели депонирующих сред территории горнодобывающих предприятий», специальность 25.00.36 – геоэкология.

Предполагаемая дата защиты диссертации 14 июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат географических наук, доцент В.П. Закусилов

специальность 25.00.36 — Геоэкология


АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Базарский Олег Владимирович

Официальные оппоненты

  • доктор географических наук, с.н.с, Умывакин Василий Митрофанович
  • кандидат географических наук, доцент Межова Лидия Александровна

Ведущая организация кафедра физической географии и геоэкологии  Курского государственного университета

С диссертацией можно ознакомиться в учебной библиотеке Военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж).

Актуальность. В настоящее время, как правило, экологическое состояние техногенно нагруженных территорий оценивается по отдельным компонентам на их соответствие предельно-допустимой концентрации (ПДК) [ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.7.2041-06].

Пространственное распределение поллютантов и их концентрация могут су-щественно различаться на территории горнодобывающих предприятий, где располагается целый ряд источников техногенного загрязнения, образуя сложный техногенный комплекс.

Накопление поллютантов происходит в воде и в почве. Они образуют депонирующую среду, а атмосфера выступает в роли переносчика загрязняющих веществ. Под депонирующей средой будем понимать сложный комплекс техногенно измененных поверхностных, подземных, и технологических вод, а также почв, формирующих единую систему массопереноса.

На территории горнодобывающих предприятий имеется три категории вод: поверхностные водоемы и водотоки, подземная гидросфера и технологические воды этих предприятий. При этом формируется специфическая водная среда, отличающаяся большим объемом поступления подземных вод в поверхностные за счет системы дренажных скважин. Кроме того, ряд поверхностных вод заводится в гидротехнические тракты, делающие невозможной на определенной территории их инфильтрацию в подземную гидросферу. С другой стороны, в районе хвостохранилищ и отстойников технологических вод, наоборот, наблюдается их значительная инфильтрация в подземные воды. Массоперенос в подземных водах зависит от геологического строения территории и геохимической обстановки, формируемой вмещающими породами. Все эти факторы приводят к чрезвычайно сложной геоэкологической ситуации на территории горнодобывающих предприятий.

Покомпонентный анализ поллютантов в отдельных точках депонирующей среды не может охарактеризовать геоэкологическую обстановку территории в це-лом. При этом не возможен сравнительный анализ геоэкологического состояния различных горнодобывающих предприятий, построение достоверных моделей депонирующих сред и рациональное планирование природоохранных мероприятий.

Поэтому, разработка методики комплексной геоэкологической оценки депо-нирующих сред и их моделей является весьма актуальной задачей.

Методику, характеризующую одну депонирующую среду в целом, назовем частной, а характеризующую геоэкологическое состояние обеих сред – воды и почвы – комплексной.

В этой связи научной задачей работы является разработка методики и моделей комплексной геоэкологической оценки техногенно нарушенных территорий, позволяющих оценить как геоэкологическое состояние отдельных депонирующих сред, так и комплексное геоэкологическое состояние территории в целом, с целью повышения эффективности природоохранных мероприятий.

Объект исследования – депонирующие среды территории горнодобывающего предприятия.

Предмет исследования — показатели геоэкологического состояния территории горнодобывающего предприятия.

Цель исследования — повышение эффективности планирования природо-охранных мероприятий на территории горнодобывающих предприятий на основе разработанных геоэкологических моделей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Разработана методика комплексной геоэкологической оценки техногенно- нагруженных депонирующих сред, включающая в себя:
новый показатель загрязнения депонирующей среды, адекватно описываю-щий ее геоэкологическое состояние при большом числе поллютантов, возникающих при добыче и переработке многокомпонентного сырья горнодобывающих предприятий;
частную методику, характеризующую геоэкологическое состояние одной депонирующей среды;

2. Построены геоэкологические модели депонирующих сред, основанные на разработанной методике.

3. Создана эффективная система природоохранных мероприятий для действующих горнодобывающих предприятий, основанная на построенных моделях.

Фактический материал. Исходными материалами при решении поставлен-ных задач явились результаты полевых работ и аналитических исследований, систематизированных в результате камеральной обработки, полученные лично автором в период с 2006 по 2010 гг., а также материалы исследований ОАО «Ковдорский ГОК» и ОАО «Мурманская геологоразведочная экспедиция» за 1999 – 2005 гг.. Общее число отобранных и исследованных проб по депонирующим средам – 2015. Научно-исследовательское направление было выбрано автором в 2006 г., работа выполнялась в период с 2006 по 2010 гг. Автором в результате полевых и камеральных исследований были получены научные и практические результаты, которые легли в основу диссертационной работы.

Защищаемые положения.

1. Методика комплексной геоэкологической оценки техногенно нагруженных депонирующих сред. Соответствует пункту 6 паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология».

2. Геоэкологические модели депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский ГОК». Соответствует пункту 14 паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология».

3. Комплексная геоэкологическая оценка депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский ГОК», и универсальная система природоохранных мероприятий для горнодобывающих предприятий. Соответствует пункту 6 паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология».

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана методика комплексной геоэкологической оценки техногенно нагруженных депонирующих сред, отличающаяся новым уточненным показателем загрязнения, позволяющая сравнивать горнодобывающие предприятия по уровню их экологической опасности;

2. Построены геоэкологические модели депонирующих сред, отличающиеся использованием разработанной методики и модифицированного метода картографирования территории по неравномерной сети пробоотбора, позволяющие выявлять пространственно-временные характеристики очагов экологической опасности и эффективно планировать природоохранные мероприятия;

3. Рекомендована система природоохранных мероприятий для горнодобы-вающих предприятий, эффективность которой проверена на территории ОАО «Ковдорский ГОК», добывающего сложное многокомпонентное сырье.
Практическая значимость

1. Методика комплексной геоэкологической оценки состояния депонирующих сред может быть использована для сравнения экологической опасности различных горнодобывающих предприятий и оценки эффективности проведенных природоохранных мероприятий. Так засевание травой дамбы хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК» позволило снизить уровень экологической опасности территории с ранга «экологический кризис» до уровня «экологическая норма».

2. Картографические модели депонирующих сред могут быть использованы для выявления очагов экологической опасности и их характеристик, а также рационального планирования природоохранных мероприятий.

Апробация работы проведена в виде докладов на различных научных конференциях. Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века» (г. Саратов, 2005, 2009 г.), научная сессия Воронежского государственного университета, секция экологической геологии, (г. Воронеж, 2008, 2009). Международная научно-практическая конференция «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях» (г. Воронеж, 2008, 2009). Годичная сессия научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (г. Москва, март 2008 г.). Научно-методическая конференция (г. Воронеж, ВВВАИУ, 2005, 2006 год). Геологические опасности: 15 Всероссийская конференция с международным участием (г. Архангельск, 2009 г.). Геология и геоэкология - XIX конференция молодых ученых, посвященная памяти члена-корреспондента АН СССР профессора К. О. Кратца (г. Апатиты, ноябрь 2008г.). Научная сессия Воронежского государственного университета, секция геология, (г. Воронеж, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 статьи (в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ)

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Объем диссертации составляет 181 страницу, включая 77 рисунков, 25 таблиц. Список использованных литературных источников включает 162 наименования, в том числе 2 на иностранном языке.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение 1. Методика комплексной геоэкологической оценки техногенно нагруженных депонирующих сред.

Предлагаемая методика основана на статистических методах обработки данных химического анализа загрязнения депонирующих сред. Обработка данных производилась по многолетним статистическим рядам гидрохимических измерений. В течение одиннадцати лет ежемесячно отбирались пробы воды на ключевых гидропостах и водопонижающих скважинах. Общее число точек пробоотбора – пятнадцать.

По результатам анализа данных были выбраны пятнадцать основных компонентов и показателей, определяющих загрязнение окружающей среды на территории комбината, измерение которых проводилось в течение всего периода мониторинга. Это: азот аммонийный; азот нитритный; азот нитратный; хлорид-ион; сульфат-ион; фосфат-ион; анионактивные синтетические поверхностно-активные вещества; ионы кальция; магния; марганца; железа; нефтепродукты, а также такие показатели как химическое потребление кислорода, биохимическое потребление кислорода и общая жесткость.

Для исследования природных вод и почв ранее использовался суммарный показатель загрязнения (СПЗ), который обозначим буквой S. Он рассчитывается путем нормирования поллютантов в пробе относительно предельно-допустимых концентраций.

       n
S = ? К i – (n – 1) (1),
      i=1

где— Кi коэффициент концентрации по каждому элементу, рассчитывается по формуле:

Кi = Сi/Спдкi (2),

где Ci — концентрации i-го элемента в анализируемой пробе; СПДКi— предельно допустимая концентрация данного элемента; — количество анализируемых элементов.

У этого показателя есть один существенный недостаток. Он хорошо работает в случаях, когда для всех загрязняющих веществ измерения дают результаты больше ПДК, то есть Кi ? 1. Однако, для сравнения техногенно нагруженных территорий, у которых отдельные участки имеют существенно различный уровень загрязнения, этот показатель становится не эффективным.

В работе предложен уточненный суммарный показатель загрязнения (СПЗУ) – Sу , лишенный указанного недостатка.

Уточнённый суммарный показатель загрязнения рассчитывается по формуле:

        n
Sу = ? К i – log2n (3)
       i=1

Здесь также как и в классическом СПЗ производится суммирование коэффи-циентов концентраций загрязняющих веществ, однако количественно число этих веществ n ограничивается не линейным, а логарифмическим законом. Основание логарифма равно двум, так как для Sу минимальное количество поллютантов n=2. Логарифмический закон выбран потому, что отклик биоты на суммарное воздействие множества факторов логарифмический. В этом случае показатель Sу становится ограниченным снизу. Предложенный уточненный суммарный показатель загрязнения позволяет с единых позиций описать экологическое состояние таких природных геосфер как литосфера и гидросфера. Ранжирование справедливо для тридцати двух видов загрязняющих веществ, что достаточно для практических целей, и позволяет четко классифицировать экологическую ситуацию по классическим рангам.

На рис.1 представлены зависимости величины Sу от числа загрязняющих веществ, при различных значениях коэффициента концентрации. Предполагалось, что все они для различных поллютантов одинаковы.

Кривая 1 соответствует уровню природного фона, находясь в отрицательной области. Она пологая, достигая минимума - 3 при 16 ? n ? 32. По-видимому, это достаточное число микроэлементов, необходимых организму человека для комфортного функционирования. Кривая 2 рассчитана для Кi = 0,5, кривая 3для Кi = 1, кривая 4 для Кi = 2, кривая 5для Кi = 3 и кривая 6 для Кi = 4.

Диапазон изменения Sу оценивался на базе гидрохимических данных уровня загрязнения природных вод территории ОАО «Ковдорский ГОК» по пятнадцати компонентам, измеряемым ежемесячно в течение одиннадцати лет в пятнадцати точках пробоотбора. Объем выборки составляет 1980 измерений. Для каждого текущего измерения рассчитывалась величина Sу, которая лежит в интервале – 3 ? СПЗУ ? 16,8. Эти значения были распределены существенно неравномерно, минимизируясь в области больших значений Sу, привязанных к техногенным источникам. Очевидно, что ранжирование диапазона изменения Sу должно быть неравномерным, но таким, чтобы в каждый выделенный ранг попадало, примерно, одинаковое количество измерений.

Для определения числа рангов предлагается следующая эмпирическая формула:

N = 5lg [Sу] (4),

где [Sу] = 19,8 – диапазон изменения Sу. Тогда расчетное число рангов N=7. Область определения СПЗУ не ограничена сверху, то есть для очень загрязненной среды формула (4) может определять число рангов больше семи. Однако верхние ранги будут лежать в области бедствия, где длительное существование биоты невозможно. Поэтому их введение не имеет смысла. Для чистой среды число рангов может быть меньше семи, но тогда теряется общность описания геоэкологической обстановки. Из этих соображений выбрано Sу = 7.

С учетом одинаковой репрезентативности каждого ранга в таблице 1 приведено ранжирование Sу, а названия и экологическая опасность рангов являются общепринятыми.

Таблица 1 – Ранжирование геоэкологической ситуации по уточненному суммарному показателю загрязнения

Sу
Ранг
R1
R2
- 3 ? * <- 1
Природный фон
0,2
0,1
- 1? * < 0
Техногенный фон
1,0
0,3
0 ? * ? 2
Экологическая норма
2,0
0,7
2 < * ? 4
Экологический риск
3,1
1,2
4 < * ? 8
Компенсируемый кризис
4,2
1,8
8 < * < 16
Некомпенсируемый кризис
5,3
3,0
5,8
3,5
* ? 16
Бедствие
6
4,1

Примечание: R1 – уровни риска для водной депонирующей среды;
R2 – уровни риска для почвенной депонирующей среды.

Видно, что самым широким является диапазон изменения некомпенсируемого кризиса, равный восьми единицам Sу. При таком ранжировании он становится репрезентативным. Самым узким репрезентативным рангом является техногенный фон, равный одной единице Sу, так как большая часть загрязнений окружающей среды, не превышающих ПДК, лежит в ранге техногенного фона.

Отметим качественные характеристики, предложенные в таблице рангов.

Ранг природного фона соответствует естественному состоянию природной геосферы, когда биота находится с ней в динамическом равновесии в микроэле-ментном смысле, то есть обеспечивает биоту необходимым для жизнедеятельности количеством минеральных и органических веществ.

Ранг техногенного фона соответствует повышенному содержанию некоторых веществ в природной геосфере за счет антропогенной нагрузки. В этом случае, природное равновесие нарушается, и излишек этих веществ, ставших для биоты вредными, сбрасывается в окружающую среду за счет основных систем выведения загрязняющих веществ, работающих в штатном режиме.

Ранг экологической нормы предполагает дальнейшее нарушение природного равновесия, когда избыток вредных веществ выводится за счет включения всех возможных систем выведения, и не наблюдается их накопления в организме человека.

Ранг экологического риска предполагает накопление загрязняющих веществ в ослабленных организмах, а в остальных работу всех систем выведения с предельной нагрузкой. В этом случае, возможны экологически обусловленные заболевания слабых организмов, но эта связь статистически слабая.

Ранг компенсируемого кризиса предполагает столь высокую концентрацию загрязняющих веществ в организме, что они накапливаются в нем и вызывают достоверно установленные экологические заболевания. Однако изменение среды обитания организма и медицинские мероприятия позволяют привести организм в нормальное состояние.

Ранг некомпенсируемого кризиса предполагает чрезвычайно высокое накопление вредных веществ в организме, так что изменение среды обитания и лечение позволяют только снизить их уровень. В организме происходят необратимые изменения, приводящие к преждевременной гибели.

Ранг бедствия делает невозможным длительное существование основной части биоты в такой природной среде. При этом только отдельные организмы за счет генетических мутаций могут приспособиться к новой природной геосфере их жизнедеятельности, давая начало новой популяции.

Вычислив Sу по всем точкам пробоотбора, можно усреднить его по всей территории деятельности горнодобывающих предприятий для обеих депонирующих сред, то есть получить частный СПЗУ для каждой среды:

__              m
Sу г = 1/m? Sуi (9)
                 i=1

где Sу i – значение СПЗУ для водной депонирующей среды в i-ой точке, m – число точек пробоотбора.
Аналогично для почвенной депонирующей среды имеем для q точек пробоотбора:
___           q
Sу п = 1/q? Sуi (10)
                 i=1

Поскольку атмосфера является чрезвычайно динамичной геосферной оболочкой, способной к быстрому разбавлению примесей и самоочищению, то определять её частный СПЗУ не имеет смысла. Речь может идти только о депонирующих средах, накапливающих загрязняющие вещества. Кроме того, атмосферные загрязнения в основном газообразные, не коррелирующие с водными и почвенными загрязняющими веществами.

Следующим шагом методики является вычисление комплексного СПЗУ территории по двум депонирующим средам. Если поллютанты в этих средах не коррелируют между собой, то их комплексный СПЗУ можно представить точкой в ортогональном пространстве признаков. Если наблюдаются корреляционные связи различных поллютантов, то ортогональная система координат преобразуется в косоугольную, углы между ортами которой определяются коэффициентами корреляции. Поскольку связи могут быть различными, то построить такое пространство признаков чрезвычайно сложно. Поэтому рекомендуется комплексный анализ депонирующих сред производить по одному и тому же набору поллютантов. Тогда угол между ортами равен нулю, и производится алгебраическое сложение СПЗУ двух депонирующих сред –воды и почвы. Комплексный СПЗУ территории равен:
___            __        __
< Sу > = (Sу г + Sу п) /2 (11)

Эта величина характеризует одним числом экологическое состояние иссле-дуемой техногенно нагруженной территории, и может отслеживаться по результатам мониторинга, позволяя давать обоснованные природоохранные рекомендации.

В ряде случаев объем статистической выборки может быть недостаточен для репрезентативного вычисления Sу. Тогда предлагается эвристическая методика вычисления Sу, основанная на экспертных оценках. По экспертным оценкам каждому рангу Sу по верхней границе присвоены уровни риска в баллах по шестибалльной шкале. R1 – уровни риска для водной депонирующей среды, R2 – для почвенной депонирующей среды (таблица1). Для повышения точности оценки широкий ранг некомпенсируемого кризиса поделен пополам.

Между предикторами R1 и R2 и предиктантом СПЗУ установлена связь с ис-пользованием уравнений регрессии.

Для водной депонирующей среды:

Sу г = - 3,5796 + 3,2687 R1 (12)

Для почвенной депонирующей среды:

Sу п = - 1,99 + 5,164 R2 (13)

Для вычисления комплексного СПЗУ территории составлено двухкомпонентное уравнение регрессии:
__
< Sу > = a0 + a1R1 + a2R2 = -1,9961 + 0,0097R1 + 5,1496R2 (14)

Таким образом, при малом числе измерений, эксперт присваивает этой совокупности величины риска R1 и R2 , а затем по соответствующим уравнениям регрессии вычисляется величина либо частного СПЗУ, либо комплексного <Sу>. По попаданию вычисленного предиктанта в соответствующий диапазон оценивается экологическое состояние либо отдельной депонирующей среды, либо в комплексе.

Положение 2. Геоэкологические модели депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский ГОК».

В ходе выполнения диссертационной работы был произведен покомпонент-ный анализ загрязнения водной депонирующей среды территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК» как по времени, так и по пространству. Были выявлены превышения ПДК по отдельным поллютантам и определены наиболее загрязненные точки пробоотбора.

Анализ результатов показал, что покомпонентный анализ позволяет выявить только основные источники загрязнения. При этом наблюдался стохастический характер колебания поллютантов по пространству и времени, связанный со сложной системой их массопереноса, случайными метеофакторами и текущими уровнями сброса загрязняющих веществ комбинатом. Колебания коэффициентов концентрации были достаточно велики. Эти факторы свидетельствуют о необходимости построения статистических моделей депонирующих сред, причем базовым параметром должен быть Sу, который и рассчитывается по разработанной методике.

На рисунке 2 приведен график динамики интегрального изменения Sу водной депонирующей среды усредненный по всей территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК». Усреднение производилось по пятнадцати точкам пробоотбора.

Данный график наглядно показывает, что до 2005 года состояние территории оценивалось как благоприятное. Уровень интегрального Sу водной депонирующей среды находился в рамках природного и, начиная с 2002 года, техногенного фона. В период с 2006 по 2008 гг. произошло увеличение уровня загрязнения водной депонирующей среды.

Область значений интегрального Sу не выходит за рамки экологической нормы в связи со щелочным характером природных вод территории. После проведенных в 2008 году природоохранных мероприятий по уменьшению пыления хвостохранилища, ситуация стала меняться в положительную сторону, и в 2009 году значение СПЗУ снова вернулось в область техногенного фона.

Знание только динамики процесса не позволяет рационально спланировать природоохранные мероприятия, так как не ясны пространственные характеристики очагов загрязнения. Для решения этой задачи были построены картографические модели загрязнения депонирующих сред. Стандартная методика построения карт основана на равномерной сети наблюдений. Входные величины – покомпонентная концентрация поллютантов в различных точках пробоотбора. Построение карт по отдельным поллютантам производится с использованием программного обеспечения Golden Software Surfer 8. Карта суммарного загрязнения строится путем наложения покомпонентных слоев, что возможно только для ограниченного числа поллютантов.

Сеть пробоотбора для водной среды, как правило, не равномерная, привязанная к основным источникам загрязнения. Поэтому стандартная методика построения картографических моделей была модифицирована следующим образом.

1. Входными величинами модели являются значения Sу, вычисленные по вышеизложенной методике во всех точках пробоотбора.

2. Вся территория горнодобывающего предприятия разбивается на три области. Первая, в которую входят карьер, ГОК, отвалы и селитебная зона, где сосредоточена большая часть точек пробоотбора. Вторая, включает входят хвостохранилище и отстойники технологических вод, с малым числом точек пробоотбора. Между ними располагается третья область, где нет точек пробоотбора. На картографических моделях центральная линия этой зоны обозначена как АА'.

В первой области карта строится по стандартной методике с проведением линий равного загрязнения (изолиний). Для каждой точки из второй области определяются “ближайшие соседи”, и интерполяция производится по выбранным кратчайшим расстояниям. Затем по линии АА' области объединяются, и полученная карта является пространственной геоэкологической моделью многокомпонентного загрязнения территории горнодобывающего предприятия.

По разработанной методике были построены геоэкологические модели обеих депонирующих сред. В качестве примера приведены три характерные карты для водной депонирующей среды (рис. 3 – 4) территории ОАО «Ковдорский ГОК». Почвенные пробы были отобраны по равномерной сети наблюдения в 35 точках. Пробоотбор проводился с глубины 10-15 см по методу конверта.

Анализ почв должен производиться по тем же компонентам, что и для водной депонирующей среды. Однако ряд показателей характерен только для водной депонирующей среды. Поэтому из 15 показателей были выбраны только девять, указанных в таблице 2. Железо отсутствует, поскольку это основной элемент месторождения, равномерно распределенный в почвенной депонирующей среде в значительных концентрациях. Не для всех этих компонентов для почвенной депонирующей среды установлены ПДК. Поэтому был произведен статистический анализ отношения известных для исследуемой территории фоновых значений компонентов к установленным ПДК. В среднем отношение ПДК к фоновым значениям оказалось равным двум.

На этом основании для данной территории по известным фоновым значениям были вычислены территориальные ориентировочно допустимые концентрации (ТОДК) для поллютантов с неустановленными ПДК (Таблица 2).

Таблица 2 – Расчет территориальной ориентировочно-допустимой концентрации (ТОДК)

Элемент
ПДК
(мг/м3)
фон
(мг/м3)
ПДК/фон
Нормируемые
компоненты
Территориальный фон
(мг/м3)
ТОДК
(мг/м3)
Цинк
90
55
1,64
Кальций
4,5
9,0
Медь
33
30
1,10
Магний
2,8
5,6
Никель
50
20
2,50
Нитраты
42,3
84,6
Свинец
32
12
2,67
Аммоний
19
38,0
Мышьяк
6
2
3,00
Нитриты
31,1
62,2
Марганец
1500
1000
1,50
Фосфаты
146,8
293,6
Ванадий
150
90
1,67
Марганец
63,4
126,8
 
 
 
 
Хлориды
0,3
0,6
 
 
 
 
Сульфаты
0,8
1,6


Затем по разработанной методике была построена геоэкологическая модель загрязнения почвенной депонирующей среды (рис. 3).

Проведенный анализ моделей водной депонирующей среды показал, что первоначально ее состояние в 1999 году было благоприятным, на уроне природного и техногенного фона.

Через 8 лет после увеличения производительности комбината, экологическое состояние водной депонирующей среды резко ухудшилось. Появились значительные области экологического риска и компенсируемого кризиса (рис. 4).

После проведенных в 2008 году природоохранных мероприятий по засеванию дамбы хвостохранилища травой геоэкологическое состояние водной депонирующей среды существенно улучшилось. Остались отдельные зоны экологического риска, но в целом ее состояние среды можно охарактеризовать как благоприятное.

Пространственный анализ загрязнения почвенной депонирующей среды показывает, что как и в случае загрязнения водной депонирующей среды, наблюдаются три неблагоприятные зоны. В зоне карьера наблюдается компенсируемый кризис. В зоне проходческого водоотлива, отстойника карьерных вод, хвостохранилища и известкового карьера почвы попадают в область экологического риска. Остальные области находятся в ранге экологической нормы и техногенного фона. Природный фон для почвенной депонирующей среды не наблюдается.

Конфигурация различных областей для исследуемых депонирующих сред существенно различна, что объясняется существенно различными сетями пробоотбора, поскольку отбор проб водной депонирующей среды производился по существующей сети, а отбор почвенных проб по равномерной сети. Однако связь неблагоприятных зон по депонирующим средам в купе с источниками загрязнения подтверждена.

Регулярное загрязнение депонирующих сред территории, превышающее ПДК, наблюдается только вблизи техногенных источников соответствующих компонентов. Не выявлено ни одного поллютанта сильно загрязняющего всю исследованную территорию. Указанный факт говорит о низкой пространственной миграционной способности исследуемых поллютантов на территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК», исключая хлор, выбросы которого из селитебной зоны незначительны.

Превышение ПДК в отдельных точках наблюдается по следующим поллютантам: кальцию, магнию, и, соответственно, общей жесткости, марганцу, как элементу сопутствующему железу; сульфатам, вымываемым из отвалов вскрышных скальных пород; формам азота, возникающим при буровзрывных работах.

Концентрация железа, одного из добываемых компонентов, в водной депонирующей среде территории не превышает ПДК, что объясняется ее щелочным характером и невысокой степенью растворимости в ней железа.

Проанализированы корреляционные связи исследуемых компонентов с рН водной депонирующей среды в различных точках пробоотбора. При этом загрязнение железом и марганцем снижалось при увеличении рН за счет уменьшения их растворимости.

Положение 3 Комплексная геоэкологическая оценка депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский ГОК» и универсальная система природоохранных мероприятий.

Для комплексного анализа загрязнения исследуемых депонирующих сред территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК» в 2009 году был произведен расчет средних значений Sу почв и вод всей территории. Также рассчитывались среднеквадратичные отклонения, и коэффициенты вариации. Результаты данных расчетов представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Интегральное загрязнение депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский горно-обогатительный комбинат»

Депонирующая среда
среднее Sу
Среднеквадратичное отклонение
Коэффициент вариации
Sу вода
-1,25
0,55
0,44
Sу почва
1,48
0,24
0,16

Водная депонирующая среда на территории деятельности комбината в 2009 году классифицируется как принадлежащая к природному фону, но близко к границе техногенного фона. Коэффициент вариации достаточно высокий, что свидетельствует о неравномерности загрязнения данной депонирующей среды. Большая часть территории может быть отнесена к природному фону, а вблизи источников загрязнения наблюдается экологические кризис и риск. Воды территории имеют щелочной характер, поэтому многие поллютанты в них слаборастворимы. Отсюда и благоприятная экологическая обстановка по водной депонирующей среде территории.

Почвенная депонирующая среда территории классифицируется как принадлежащая к экологической норме. Коэффициент вариации незначительный, что свидетельствует об относительно равномерном загрязнении на уровне экологической нормы при усреднении загрязнений путем ветрового переноса. Почвенная депонирующая среда территории в большей степени накапливает загрязняющие вещества, так как в целом ее реакция слабощелочная и миграция поллютантов затруднена.

Комплексный показатель геоэкологического состояния территории согласно уравнению (11), определяется как сумма Sу депонирующих сред. Для исследованной территории комплексный СПЗУ равен 0,115, то есть соответствует рангу экологической нормы, что опять объясняется щелочным характером пород, слагающих территорию комбината.

Далее проведена оценка комплексного геоэкологического состояния территории ОАО «Ковдорский ГОК» по второй части методики, основанной на экспертных оценках, при несистематических измерениях.

Для этого взяты данные 2009 года для воды по гидропосту №1, проходческому водоотливу и ручью Железорудному. В этих точках уровни загрязнения как близки, так и существенно различаются. Данные по почве были взяты вблизи этих же точек пробоотбора. Результаты экспертных оценок сведены в таблицу 4. На основе приведенных в ней данных комплексный Sу территории, вычисленный по уравнению (14), равен 0,08, то есть находится в ранге экологической нормы. Полученный результат при эвристическом анализе состояния территории всего по трем точкам близок к количественному, но несколько занижен. То есть, использование эвристической экспертной методики оценки геоэкологического состояния техногенно нагруженных территорий вполне возможно. Экспертный подход дает ошибки классификации только вблизи границ экологических рангов.

Таблица 4 – Экспериментальные и экспертные оценки загрязнения депони-рующих сред территории деятельности ОАО «Ковдорский горно-обогатительный комбинат»

Точка пробоотбора
Sу
R1
Sу
R2
Гидропост №1
- 2,6
0,1
- 0,37
0,2
Проходка
7,1
4,1
- 0,32
0,2
р. Железорудный
- 2,6
0,1
1,92
0,7
среднее
1,9
1,47
1,23
0,37

Проведенные по разработанной методике исследования и анализ картографических моделей позволил предложить следующую обоснованную систему природоохранных мероприятий для действующих горнодобывающих предприятий.

1. По хвостохранилищам и проходческим водоотливам хвостохранилищ:
1.1.Хвостохранилища горнодобывающих предприятий являются техногенными источниками вторичного минерального сырья. Рекомендуется реализовать их вторичную переработку;
1.2.Для новых отходов производства следует организовать полигон хвостов с глинобетонным водоупором, препятствующим попаданию загрязняющих веществ в водную депонирующую среду. Поверхность неразрабатываемых хвостов либо засевать травой, либо заливать специальными смолами с целью ликвидации их пыления;
1.3.Для эффективной очистки поверхностных стоков с хвостохранилищ должна быть организована дренажная система с биологической очисткой на полях фильтрации.

2. По карьеру:
2.1.Организовать защиту бортов карьера от стоков, стекающих в карьер, отводя их в специальные отстойники карьерных вод;
2.2.Дренажные воды из карьера также откачивать в водоотстойники, организовав биологическую очистку технологических вод;
2.3.Снизить потери нефтепродуктов в карьере от специализированной техники, исключив заправочные работы в карьере.
2.4.Загрязненные технологические воды перебрасывать только по закрытым гидротехническим каналам, организовав их очистку и вторичное использование;
2.5. Сильно загрязненные участки почвы подвергнуть разубоживанию;

3.По отвалам вскрышных пород:
3.1. Организовать вторичную переработку отвалов для извлечения полезных компонентов;
3.2. Использовать породу для изготовления строительно-дорожных материалов.

4. По предприятиям в целом:
4.1. Целесообразно проведение мониторинга комплексного геоэкологического состояния территории горнодобывающих предприятий по предложенной методике с целью объективной оценки влияния комбината на природную среду и оценки эффективности природоохранных мероприятий.
4.2. Для эффективного планирования природоохранных мероприятий необходимо использовать разработанные картографические модели многокомпонентного загрязнения депонирующих сред, что позволит оценить пространственные характеристики очагов загрязнения и рационально реализовывать природоохранные мероприятия.
4.3. При планировании природоохранных мероприятий необходимо учитывать рН депонирующих сред, так как многие поллютанты в щелочной среде являются слаборастворимыми, и обладают невысокой миграционной способностью.
4.4. Флуктуации уровня загрязнения территории деятельности комбината связаны с метеорологическими факторами и атмосферным переносом поллютантов по розе ветров. Поэтому целесообразно использовать точечные биоиндикаторы атмосферного загрязнения территории в тех же точках пробоотбора, в которых производится отбор проб воды и почвы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенных исследований решены следующие поставленные задачи:

1. Создана методика оценки геоэкологического состояния отдельных депонирующих сред, и геоэкологического состояния территории горнодобывающих предприятий в целом, позволяющая классифицировать их по степени экологической опасности. Методика основана на уточненном критерии загрязнения окружающей среды и отработана как для количественного анализа больших статистических выборок, так и для экспертного эвристического анализа малых рядов наблюдений.

2. Построены картографические модели пространственного загрязнения депонирующих сред территории ОАО «Ковдорский ГОК», позволяющие выделить экологически опасные участки территории и рационально планировать природоохранные мероприятия;

3. Создана обоснованная система природоохранных мероприятий для горнодобывающих предприятий, снижающих техногенную нагрузку на окружающую среду, эффективность которых оценивается по результатам мониторинга.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований комплексное геоэкологическое состояние территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК» можно отнести к рангу «экологическая норма», то есть состояние депонирующих сред благоприятно для жизнедеятельности населения, несмотря на сложность добываемого в течение многих лет многокомпонентного сырья. Благоприятная обстановка объясняется двумя факторами. Во-первых, природными особенностями территории, воды которой имеют щелочной характер, обеспечивающий низкую растворимость в ней загрязняющих веществ, являющихся продуктами деятельности предприятия. Во-вторых, почвы территории имеют слабо щелочную реакцию, их мощность обычно не превышает десяти сантиметров. Они подвержены сильному выветриванию. Эти особенности почв приводят к тому, что основной вклад в комплексное загрязнение территории вносят именно почвы, загрязненность которых приближается к экологическому риску. Проведенные в 2008 году мероприятия по засеванию дамбы хвостохранилища травой, сделанные по промежуточным рекомендациям диссертационной работы, о чем имеется акт внедрения, позволили существенно улучшить геоэкологическое состояние территории деятельности ОАО «Ковдорский ГОК».
Разработанная методика комплексной оценки геоэкологического состояния территории деятельности горнодобывающих предприятий, картографические модели и система универсальных природоохранных мероприятий могут быть внедрены на всех горнодобывающих предприятиях, что позволит производить сравнительный анализ их геоэкологической эффективности, отслеживать ее динамику, и эффективно планировать природоохранные мероприятия.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Кульнев В. В., Комплексная методика геоэкологической оценки территории горнодобывающих предприятий // В. В. Кульнев, О. В. Базарский // Вестник МГОУ. Серия естественные науки, раздел «Науки о Земле. Экология» 2011, №1 с. 143 – 148

2. Кульнев, В В. Динамика и пространственное загрязнение природ-ных вод территории деятельности ОАО «Ковдорский горно-обогатительный комбинат»/ В.В. Кульнев // Вестник ВГУ, Серия Геология, 2010, №2 с. 302 – 313

3. Кульнев, В В. Изучение загрязнения природных вод территории дея-тельности ОАО "Ковдорский ГОК" при помощи пространственно-временного анализа / В.В. Кульнев // Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы 21-й молодежной научной конференции, 18-25 окт. 2010 г. — СПб, 2010 .— Т. 2. - С. 30-33.

4. Кульнев,В.В. Пространственно-временная динамика загрязнения по-верхностных и подземных вод в районе деятельности ОАО "Ковдорский горно-обогатительный комбинат" / В.В. Кульнев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии.— Воронеж, 2010 .— Вып. 3. - С. 52-57.

5. Кульнев В В. Применение корреляционного анализа для пространственно-временного изучения содержания сульфатов в природных водах в зоне влияния ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии.— Воронеж, 2009 .— Вып. 2. - С. 63-66.

6. Кульнев, В В. Корреляционный метод Пирсона как способ изучения процессов миграции форм азота в природных водах на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях: материалы 5-й Международной научно - практической конференции, г. Воронеж, 16 дек. 2009 г. — Воронеж, 2009 .— Ч. 2. - С. 98-102.

7. Кульнев, В В. Применение корреляционного анализа для пространст-венно-временного изучения содержания кальция в природных водах в зоне влияния ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев // Геологи 21 века: материалы 10-й Всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых специалистов, г. Саратов, 8-10 апр. 2009 г. — Саратов, 2009 .— С. 82-84.

8. Кульнев, В В. Применение корреляционного метода Пирсона для изучения процессов миграции форм азота в природных водах на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев, О.В. Базарский // Геологические опасности: материалы 15-й всерос. конф. с междунар. участием.— Архангельск, 2009 .— С. 264-266.

9. Кульнев, В В. Пространственно-временное изучение содержания магния в природных водах на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" при помощи корреляционного анализа / В.В. Кульнев // Геологи 21 века: материалы 10-й Всерос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых специалистов, г. Саратов, 8-10 апр. 2009 г. — Саратов, 2009 .— С. 84-86.

10. Кульнев, В В. Пространственно-временное изучение содержания фосфатов в природных водах на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" при помощи корреляционного анализа / В.В. Кульнев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии.— Воронеж, 2009 .— Вып. 2. - С. 61-63.

11. Кульнев, В. В. Эколого-гидрохимическая оценка природных вод территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев, О.В. Базарский // Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии: материалы годичной сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, 20-21 марта 2008 г. — М., 2008 .— С. 323-326.

12. Кульнев, В В. Анализ корреляционных связей между загрязнением природных вод / В.В. Кульнев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии.— Воронеж, 2008 .— С. 53-55.

13. Кульнев,В В. Применение корреляционного анализа в целях пространственно-временного изучения содержания марганца в природных водах на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" // Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях: материалы 4-й Междунар. науч. - практ. конф. (г. Воронеж, 12 дек. 2008 г.).— Воронеж, 2008 .— Ч. 4. - С. 107-109.

14. Кульнев, В В. Анализ корреляционных связей форм азота, железа и фосфатов с водородным показателем природных вод на территории деятельности ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев // Гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг: сб. науч. - метод. материалов.— Воронеж, 2007 .— Вып. 30, ч. 1. - С. 87-92.

15. Кульнев, В В. Эколого-гидрохимическая оценка загрязнения природных вод формами азота в зоне влияния ОАО "Ковдорский ГОК" / В.В. Кульнев // Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях: материалы 2-й Междунар. науч. - практ. конф., 21 дек. 2006 г. — Воронеж, 2006 .— Ч. 2. - С. 216-223.

Наверх
ServerCode=node1 isCompatibilityMode=false