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

     ОСНОВНОЕ  СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

     Во  введении раскрыта актуальность исследования, указана его основная идея, цели и задачи. Обозначены положения, выносимые на защиту и раскрыта их научная новизна.

     В первой главе дан обзор литературных источников по вопросу загрязнения почвенного покрова территории угледобывающих предприятий тяжелыми металлами. Рассмотрены природно-климатические условия районов расположения изучаемых предприятий. Указаны особенности формирования почвенного покрова и их основные генетические характеристики.

     Во  второй главе обобщены и выделены в две группы факторы, оказывающие влияние на поступление и накопление тяжелых металлов в почвах территории угледобывающего предприятия и в поверхностном слое отвалов вскрышных пород. Факторы применены к изучению объектов исследования как источников поступления и накопления тяжелых металлов в почвах.

     В третьей главе дан анализ существующих нормативов качества почвы. Разработана единая система критериев оценки степени химического загрязнения почвы.

     В четвертой главе представлены результаты обследования территории изучаемых предприятий. Проведена математическая обработка результатов методами математической статистики, на основе которой разработан дифференцированный подход к оценке степени загрязнения территории угледобывающих предприятий Забайкальского края и алгоритм его реализации. Дана экономическая эффективность реализации разработанного подхода.

     Заключение  содержит основные выводы, полученные в ходе выполнения работы.

     Основные  научные положения, выносимые на защиту, и их обоснование.

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

     Анализ  существующих нормативов качества почвы  показал отсутствие единой системы  оценки качества почвы. Системы оценки степени загрязнения почвенного покрова, действующие на территории РФ и действующие за рубежом, отличаются друг от друга подходом к установлению порога и пороговыми значениями. Положительными чертами зарубежных систем является установка нормативов с учетом вида использования земель. Приоритетным в области разработки нормативов качества почвы остается разработка нормативов, исходящих из природных условий формирования почвы, то есть фоновых концентраций элемента. Предложено существующие критерии химического загрязнения почвы выделить в две группы: по методу установления и по назначению (рис. 1).

     По  методу установления нормативы выделены в три подгруппы:

     1. Установленные нормативными документами,  куда отнесены  нормативы, установленные  ГН 2.1.7.020-94 (ОДК) и МУ 2.1.7.730-99 (нормирующие по форме содержания и нормирующие по виду соединения).

     2. Установленные расчетным методом,  куда отнесены критерии оценки  загрязнения, установленные в  результате расчетов, например, коэффициент  концентрации, коэффициент загрязнения Кс и суммарный показатель загрязнения Zс.

     3. Исходящие из природных особенностей  почвы и условий ее формирования, куда отнесены такие критерии, как фоновая концентрация элемента  в почве, удвоенная фоновая  концентрация и Кларк элемента  в почве.

     Каждая из групп может существовать как сама по себе, так и во взаимосвязи друг с другом.

     Рис. 1. Система критериев оценки степени  химического загрязнения почвы 

     По  назначению нормативы разделены в зависимости от того, для нормирования какого вида использования земель они предназначены. За основу взяты виды использования земель, на которые распространяет свое действие ГН 2.1.7.2042-06: почвы населенных пунктов; почвы сельскохозяйственных угодий; почвы зон санитарной охраны источников водоснабжения; территории курортных зон и отдельных учреждений.

     Предложено  группу критериев «по назначению»  дополнить двумя видами использования  земель, заимствованными из зарубежной системы нормирования (СП-11-102-97): земли  не аграрного назначения и земли  с различными функциями. К землям с различными функциями отнесены те, для которых не установлен конкретный вид ее использования. К землям неаграрного назначения отнесены те, которые не предполагается использовать для выращивания сельскохозяйственных культур, в качестве кормовых угодий, пастбищ и тому подобное.

     Группа  нормативов «по методу установления»  дополнена разработанным дифференцированным подходом, который распространяет свое действие на выделенные виды использования  земель, подтверждается расчетными критериями и не противоречит критериям, установленным нормативными документами, а также соответствует последним направлениям в области разработки критериев оценки степени химического загрязнения почвы.

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.

     В ходе выполнения работы выяснилось, что применение норм ОДК в некоторых случаях нецелесообразно, так как они противоречат фоновой концентрации элемента. Разработан дифференцированный подход к оценке степени химического загрязнения почвенного покрова.

     Дифференцированный подход к оценке степени загрязнения – это подход, для реализации которого установлен начальный порог в точках близлежащих к источнику загрязнению и конечный порог в точках удаленных от источника загрязнения; нижняя пороговая граница для земель, к качеству которых предъявляются более строгие требования и верхняя пороговая граница для земель, к качеству которых предъявляются менее строгие требования.

     Такой подход соответствует последним  направлениям в области разработки критериев оценки загрязнения почвы и не идет в разрез с существующими нормативами, то есть: учитывает природные характеристики почв территории, подверженной загрязнению;  применим к обозначенным видам использования земель: «для сельского хозяйства», «для зон санитарной охраны источников водоснабжения», «для территорий курортных зон», «для территорий учреждений», «для территорий населенных пунктов», «для земель не аграрного назначения», «для земель с различными функциями»; подтверждается расчетным методом; не противоречит нормам ОДК, пороговые значения которых на настоящий момент являются самыми строгими.

     Разработка  дифференцированного подхода основана на трех предлагаемых условиях:

1. Если для значения х соблюдается условие , где - среднее значение концентрации элемента в выборке по одной линии отбора проб, - среднеквадратичное отклонение случайной величины, и х не выходит за установленные пороговые значения, то можно говорить об отсутствии сверхнормативного содержания тяжелых металлов в поверхностном слое отвалов вскрышных пород.
2. При ведении отбора проб по разработанной схеме, основанной на «розе ветров», концентрация элемента на расстоянии 5000 м от границы карьера в направлении преобладающих ветров примет значение, равное концентрации, зарегистрированной в контрольном образце. Данное условие обосновано тем, что согласно литературным данным влияние источника загрязнения на расстоянии 5000 м не ощутимо. Принятым значениям Х, равным 0, 1, 3, 5, 9, 50 соответствуют расстояния точек отбора проб: граница карьера, 100 м, 300м, 500 м, 900 м, 5000 м от карьера соответственно. С учетом этого условия методом наименьших квадратов выбраны уравнения, описывающие график распределения концентрации элементов в зависимости от расстояния, для:

     цинка: y=14,355+12,55*(x+1)-2,478*(x+1)²+0,145*(x+1)³-0,002*(x+1)⁴;

     кадмия: y=-0,0023x²+0,0305x+0,1529

     свинца: y=-0.0197*x⁴+0.3438*x³-1.7629*x²+3.1597*x+3.575

     Методом аппроксимации определена концентрация элементов на границе СЗЗ, которая составила, %: для цинка 16,12 мг/кг с достоверностью 96; для кадмия 0,238 мг/кг с достоверностью 92; для свинца 5,68 мг/кг с достоверностью  99.

     Третье  предлагаемое условие заключается  в необходимости установления разных пороговых значений на разном удалении от источника загрязнения (карьера). В точках, близлежащих к источнику загрязнения, предлагается более низкий порог – фоновая концентрация элемента в почве, а в точках, удаленных от карьера, – удвоенная фоновая концентрация. Данное условие обосновано следующими фактами. Согласно нормам, изложенным в СП, почва, в которой концентрация элемента находится в пределах от фоновой до удвоенной фоновой, считается умеренно загрязненной. Методические указания предлагают считать почвы чистыми, если концентрации неорганических соединений I класса опасности находится в пределах от фона до ПДК, допустимо загрязненной  от 2*фона до ПДК, опасно загрязненной – от ПДК до Кmax (максимального значения допустимого уровня содержания элемента по одному из четырех показателей вредности), чрезвычайно опасно загрязненной – более Кmax.

     Установлены следующие пороги: в точке «граница карьера» – фоновая концентрация элемента, в точке «100 м от границы  карьера» – фоновая концентрация, в точке «300 м от границы карьера» –  фоновая концентрация, в точке «500 м от границы карьера» –  удвоенная фоновая концентрация, в точке «900 м о т границы карьера» –  удвоенная фоновая концентрация.

     Пороги  в точках «граница карьера», «100 м  от границы карьера», «300 м от границы карьера» назовем начальным, в оставшихся точках – конечными.

     Так как в настоящее время наряду с использованием фоновых концентраций используются ОДК, которые считаются  более строгими нормативами для  оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, нельзя отойти от их требований.

     Самый низкий порог с учетом ОДК и  фонового/удвоенного фонового на каждом расстоянии назовем нижней пороговой границей, самый высокий порог с учетом ОДК и фонового/удвоенного фонового значения на каждом расстоянии – верхней пороговой границей.

     Преимущество  предложенного подхода заключается  в том, что он  применим к оценке степени загрязнения земель различного вида использования. В случае, если возникают сомнения в самовосстанавливающей  способности почв, в близлежащих  точках допустимо проводить оценку по нижней пороговой границе для всех категорий земель, а в точках, удаленных от источника загрязнения – по границе, применяемой для данной категории земель.

     Для земель, дальнейший вид использования  которых не установлен, оценка проводится по нижней пороговой границе. Для земель неаграрного назначения оценка проводится путем присвоения категории загрязнения: не загрязненная, с допустимой степенью загрязнения, загрязненная. На рис. 2, 3 и 4 представлены графики определения степени загрязнения территории угольного разреза «Восточный» цинком, свинцом и кадмием.

     Рис. 2. Оценка степени загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород  угольного разреза «Восточный»  цинком 

     Рис. 3. Оценка степени загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород угольного разреза «Восточный» кадмием

     Рис. 4. Оценка степени загрязнения поверхностного слоя отвалов вскрышных пород  угольного разреза «Восточный»  свинцом 

     Проведем  оценку степени химического загрязнения  для двух случаев: а) для земель с различными функциями по нижней пороговой границе; б) для земель не аграрного назначения по предложенной схеме.

     В первом случае регистрируем загрязнение  свинцом по результатам 2005 года, в  точках, близлежащих к карьеру. 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. В этом случае необходимо разработать мероприятия по снижению концентрации элементов. Во втором случае констатируем отсутствие загрязнения и относим почвы предприятия к категории незагрязненных.

     Экономическая эффективность такого подхода выражается в следующем. При зарегистрированном загрязнении почв тяжелыми металлами на биологическом этапе рекультивации необходимо провести их очистку. Одним из способов очистки почв от тяжелых металлов является внесение в загрязненную почву препарата «Чистозем» (разработчик: группа компаний научно-производственного информационного центра «Агрокон», патент на изобретение от 20.08.2003 г. №2210438). Препарат рекомендуется вносить в следующей дозировке: 60 кг на 100 м². Минимальная стоимость препарата при оптовой продаже составляет 8,28 руб. за 1 кг.