Инженерно-экологическая оценка содержания тяжелых металлов в поверхностном слое вскрышных отвалов угольных разрезов

Актуальность. Всевозрастающее внимание к охране окружающей среды вызвало особый интерес к вопросам воздействия на почву тяжелых металлов. Актуальным этот вопрос становится для угледобывающих регионов. Влияние угледобычи на природные комплексы велико и разнообразно, при этом наибольшая техногенная нагрузка приходится на почвенный покров. Забайкальский край является регионом, где широко развита горнодобывающая промышленность, одной из отраслей которой является угледобыча. Разработка буроугольных месторождений ведется открытым способом, что, по мнению ряда исследователей, является причиной неблагоприятной экологической ситуации в регионе. В последние десятилетия внимание одних исследователей более всего привлекали вопросы размещения отходов и рекультивации земель, тогда как другие обращали внимание на высокую вероятность накопления тяжелых металлов в отвалах вскрышных пород, образованных деятельностью угледобывающих предприятий и расположенных на их территории. Не менее важным вопросом оставалась разработка нормативов качества почвы. В настоящее время единой системы нормирования степени загрязнения почвы не существует. Установленные разными системами нормирования, в том числе и зарубежными, пороговые значения разнятся.

Влияние угольных разрезов Восточного Забайкалья на природные комплексы наиболее подробно рассмотрено в работах по оценке воздействия предприятий разрез «Восточный», разрез «Тигнинский» и разрез.

Харанорский" на окружающую среду, в которых предполагается возможность накопления тяжелых металлов в почвах на территории предприятий и территории, прилегающей к предприятиям. О возможности загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами упоминается в работах.

Ю.М. Овешникова, Г. П. Бутина, H.A. Добрыниной. Отмечена дальнейшая миграция загрязняющих веществ вглубь по профилю почвы либо по трофическим цепям в организм животных и человека. Более детальных 4 исследований, посвященных вопросу накопления тяжелых металлов в почвах, подверженных прессингу угледобывающих предприятий, в Забайкальском крае проведено не было. Поэтому настоящая работа, посвященная изучению отвалов вскрышных пород, расположенных на территории угледобывающих предприятий Забайкальского края, а именно содержания тяжелых металлов в поверхностном слое отвалов вскрышных пород мощностью до 10 см и разработке подхода к оценке загрязнения его тяжелыми металлами приобретает актуальность.

Цель исследования: оценка степени загрязнения территории угледобывающего предприятия на основе дифференцированного подхода.

Основная идея работы: Для оценки степени загрязнения территории угледобывающего предприятия следует принять дифференцированный подход, заключающийся в установлении различных пороговых значений концентрации тяжелых металлов с учетом расстояния от карьера («источника загрязнения»), возраста отвала и установленной категории использования земель после проведения ее рекультивации.

Основные задачи исследования:

1. Изучение природно-климатических особенностей районов расположения предприятий и условий формирования почвенного покрова местностей, вовлеченных в производственный процесс.

2. Определение концентрации тяжелых металлов, содержания органического вещества и показателя кислотности рН в поверхностном слое отвалов вскрышных пород угледобывающих предприятий.

3. Анализ факторов, оказывающих влияние на поступление и накопление тяжелых металлов в поверхностном слое отвалов вскрышных пород угледобывающих предприятий с учетом особенностей производственного процесса изучаемых предприятий и природных характеристик района их расположения.

4. Анализ критериев оценки степени химического загрязнения почв с учетом вида использования земель и подхода к установлению порога.

5. Выявление закономерностей распределения концентрации элементов-загрязнителей в отвалах различного возраста с учетом расстояния от карьера.

Защищаемые научные положения:

1. Разработана единая система критериев оценки степени химического загрязнения почвы, которые выделены в две группы взаимодействующие друг с другом и тесно связанные между собой.

2. Разработан дифференцированный подход к оценке степени загрязнения территории угледобывающего предприятия, учитывающий удаление от источника загрязнения, возраст отвалов и установленную категорию использования земель после проведения их рекультивации и позволяющий снизить затраты на проведение биологического этапа рекультивации.

3. Разработана методика оценки степени загрязнения территории угледобывающего предприятия, основанная на дифференцированном подходе и учитывающая природно-климатические условия района расположения предприятия, природные характеристики почвенного покрова, возраст отвалов и вид использования земель после проведения рекультивации.

Объект исследования: территория угольных разрезов «Восточный», «Харанорский», «Тигнинский» Забайкальского края.

Предмет исследования: содержание тяжелых металлов в поверхностном слое почвы мощностью до 10 см отвалов вскрышных пород, расположенных на разном расстоянии от карьера.

Методологические и теоретические основы исследования.

При выполнении работы автор опирался на теоретические разработки в области геохимии, почвоведения, изложенные в трудах Н. Г. Зырина,.

М.А. Глазовской, В. А. Ковды, В. Б. Ильина, М. Я. Шпирта, Н. М. Воривохиной, Г. А. Юргенсона, Г. П. Бутина и др. Определение показателя органического вещества проведено согласно ГОСТ 26 213–91 «Почвы. Методы определения органического вещества». Определение показателя рН проведено в соответствии с требованиями ГОСТ 26 423– — 85 «Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки». Определение валового содержания тяжелых металлов проведено по методике определения никеля, меди, цинка, мышьяка, кадмия и свинца в почвах, которые изложены в РД 52.18.191 — 89 «Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом».

Достоверность и обоснованность выводов подтверждена представительностью взятых почвенных образцов и результатами экспериментальных лабораторных исследований, проведенных аккредитованной лабораторией, ошибка которых по данным математической обработки составила 2-^4%.

Личный вклад автора заключается в выборе объекта и предмета исследования, постановке целей и задач исследования. Автором проведен анализ и обобщение существующих систем нормирования качества почвы, проведен отбор представительного количества проб почв, выполнен анализ факторов, оказывающих влияние на концентрацию элементов-загрязнителей в поверхностном слое вскрышных отвалов. Критерии оценки степени химического загрязнения почвы сведены в единую систему, позволяющую проследить их взаимосвязь и взаимозависимость.

Научная новизна работы:

— впервые существующие нормативы и методы оценки степени химического загрязнения почвы сведены в единую систему. Нормативы разделены на две группы, тесно связанные между собой и взаимодополняющие друг друга;

— обобщены данные о концентрации тяжелых металлов в поверхностном слое отвалов вскрышных пород угледобывающих предприятий Забайкальского края, что позволит уточнить затраты на проведение рекультивации земель предприятий угледобычи;

— введено понятие дифференцированного подхода к оценке загрязнения почв территории угледобывающего предприятия, обоснованного результатами математической обработки данных, ' полученных в ходе проведения эксперимента, разработанной схемой отбора проб и необходимостью установления разных порогов на разном удалении от источника загрязнения (карьера).

Практическая значимость работы заключается в применении разработанного подхода к оценке степени загрязнения территории угольных разрезов «Восточный» и «Харанорский» и снижении затрат на проведение биологического этапа рекультивациивнедрении результатов диссертационного исследования на стадии предпроектных и проектных работ при выполнении Оценки воздействия ОАО «Разрез «Харанорский» и ООО «Читауголь разрез «Восточный», и при разработке раздела «Охрана окружающей среды» подраздела «Охрана и рациональное использование земельных ресурсов» в рабочих проектах для тех же угледобывающих разрезовиспользовании результатов диссертационных исследований автора при чтении дисциплин «Введение в специальность», «Экология горного производства», «Комплексное использование природных ресурсов» для студентов специальности 13.04.03.65 «Открытые горные работы».

Апробация результатов исследования. Основные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальный потенциал вузов — на развитие дальневосточного региона России» (Владивосток, 2004), IV Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2004), VI межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2005), Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2005), Международной научно-практической конференции «Дальневосточная весна, 2006» (Комсомольск-на-Амуре, 2006), VI, VII, VIII, IX Международной молодежной научной конференции (Чита, 2003, 2004, 2005, 2006) IV, V, VII Научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, 2004, 2005, 2007), на научном симпозиуме «Неделя горняка-2005, 2006» в МГГУ, г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них в реферируемых изданиях 2.

Объем и структура работы. Работа состоит из четырех глав, введения и заключения. Объем работы составил 130 печатных страниц, включая 25 рисунков и 22 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.техн.наук, профессору Ю. М. Овешникову, к.биол.наук, доценту Н. А. Добрыниной за помощь, консультации, поддержку и вниманиепрофессору, заслуженному деятелю науки РФ д. г.-м.наук. Г. А. Юргенсону за внимание и ценные советы при подготовке диссертацииколлективу ФГУП «Станция агрохимической службы Читинская» за помощь в проведении анализовдоценту Н. Ю. Гораш за консультации и помощь в подготовке раздела диссертации.

ВЫВОДЫ:

1. В четвертой главе сформулированы и обоснованы второе и третье научные защищаемые положения, заключающиеся в следующем:

— разработан дифференцированный подход к оценке степени загрязнения территории угледобывающего предприятия, учитывающий удаление от источника загрязнения, возраст отвалов и установленную категорию использования земель после проведения их рекультивации и позволяющий снизить затраты на проведение биологического этапа рекультивации;

— разработана методика оценки степени загрязнения территории угледобывающего предприятия, основанная на дифференцированном подходе и учитывающая природно-климатические условия района расположения предприятия, природные характеристики почвенного покрова, возраст отвалов и вид использования земель после проведения рекультивации.

2. По результатам проведенных анализов отмечено, что поверхностный слой отвалов, отсыпанных ранее, характеризуются более высокими значениями органического вещества.

3. Изменение показателя рН варьирует в широких пределах и в поверхностном горизонте отвалов, удаленных от карьера, принимает значение, близкое к характерному для почв, вовлеченных в производственный процесс.

4. Концентрация элементов (Мп, Ъп, РЬ, Си, Сс1, Со), находится в пределах существующих значений ОДК. Зарегистрировано превышение концентрации никеля в точке «граница карьера» в пробах, взятых на территории угольного разреза «Харанорский». Более детальное исследование содержание никеля в каштановых почвах, попадающих в зону ведения работ разреза «Харанорский», показало, что для почв данного типа характерно повышенное содержание никеля. На основании этого сделан вывод о невозможности применения норм ОДК для оценки загрязнения территории Харанорского угольного разреза никелем и предложено провести сравнение с фоновой концентрацией никеля, зарегистрированной в контрольном образце. Результаты сравнения показали отсутствие ненормируемого содержания никеля в поверхностном слое отвалов вскрышных пород Харанорского угольного разреза. Сравнение фактической концентрации никеля, цинка, кадмия и свинца, определяемых в 2003, 2005 и 2007 годах в отвалах угольного разреза «Восточный», с нормами ОДК показало отсутствие их превышения.

5. Окончательной принята схема 2007 года. За основу схемы взята «роза ветров». Выбрано 11 линий отбора в одном секторе (румбе) с наветренной стороны, на каждой лини отмечены точки на расстоянии 100 м от границы карьера, 300 м от границы карьера, 500 м от границы карьера, 900 м от границы карьера. Начальной точкой выбрана точка «граница карьера».

6. Анализ динамики концентрации элементов показал увеличение их концентрации. Отмечено увеличение концентрации цинка и кадмия во всех точках, кроме точки «граница карьера». Для свинца отмечено увеличение концентрации лишь в точке 900 м от границы карьера. В остальных точках концентрация свинца, зарегистрированная в 2007 г., ниже той, которая обнаружена в 2005 г.

7. Проведена оценка степени загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород тяжелыми металлами для двух случаев: если вид использования земель не установлен (земли с различными функциями) и для земель неаграраного назначения. В первом случае почвы отнесены к двум категориям загрязнения: «не загрязненная» и с «допустимой степенью загрязнения». С учетом динамики концентрации в положительную сторону и с учетом того, что фактическая концентрация элементов близка к установленному порогу, возникает опасность загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород кадмием, свинцом и цинком. Во втором случае констатируем отсутствие загрязнения и относим почвы предприятия к категории незагрязненных.

8. Разработана методика оценки степени загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород угледобывающих предприятий и алгоритм ее реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена важная научно-практическая задача по оценке степени химического загрязнения почв территории промышленного предприятия, в рамках которой разработана методика опробования территории предприятия и подход к оценке степени ее загрязнения тяжелыми металлами. На основании выполненных исследований сделаны следующие выводы:

1. Выявлены факторы, влияющие на поступление и накопление тяжелых металлов в поверхностном слое отвалов вскрышных пород, которые выделены в две группы: производственные и природные.

2. Критерии загрязнения почвы выделены в две группы: по методу установления и по назначению. В российской системе оценки загрязнения почвы отсутствует деление нормативов по назначению. Разработана система критериев оценки степени химического загрязнения почвы с учетом последующего вида использования земель. Виды использования земель, на которые распространяет свое действие ГН 2.1.7.2042;06, дополнены видами, заимствованными из зарубежной системы.

3. Разработан дифференцированный подход к оценке степени загрязнения почвы, заключающийся в установлении начального и конечного порога в зависимости от расстояниянижней пороговой границы и верхней пороговой границы в зависимости от вида дальнейшего использования земель. Установленный порог в некоторых случаях показал ужесточение требований, а в некоторых их послабление.

4. Предложенная система критериев оценки загрязнения почвы дополнена разработанным дифференцированным подходом, который не противоречит действующим нормативам, соответствует последним направлениям в области разработки критериев оценки степени химического загрязнения почвы.

5. Оценка загрязнения территории угледобывающих предприятий Забайкальского края по дифференцированному подходу при условии, что земли после рекультивации отнесены к землям неаграрного назначения показала отсутствие ненормируемого содержания тяжелых металлов. При условии предъявления к качеству земель после проведения их рекультивации более строгих требований зарегистрировано незначительное загрязнение территории угольного разреза «Восточный» никелем (по результатам 2003 г.). Существует риск загрязнения территории угольного разреза «Восточный» свинцом, кадмием, цинком.

6. Разработана методика обследования территории угледобывающего предприятия, которая учитывает факторы, влияющие на поступление и накопление загрязняющих веществ в поверхностном слое отвалов вскрышных пород и оценки ее загрязнения по дифференцированному подходу. Разработан алгоритм ее реализации.