Мониторинг и защита окружающей среды железорудный горно-металлургических комплексов Среднего Урала

Краткое описание

2 ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ... 5

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНОВ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ... 11

1.1.Физико-географические условия Среднего Урала... 13

1.1.1. Рельеф... 13

1.1.2 Климат... 14

1.1.3. Почвенно-растительный покров... 18

1.2. Гидрография и природные воды... 25

1.2.1. О микрокомпонентах в природных водах 25

1.2.2. Поверхностные воды... 31

1.2.3. Подземные воды... 34

1.3 Геологическое строение, металлоносность и металлогения 37 районов размещения железорудных месторождений

1.4 Геологическое строение и гидрогеологические условия района складирования отходов железорудного производства 45

Выводы... 53

2. СОСТОЯНИЕ И ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 55

2.1 Характеристика железорудного комплекса... 55

2.1.1. Горнодобывающее производство... 57

2.1.2. Металлургическое производство... 61

2.2. Железорудный горнометаллургический комплекс,

как источник техногенного воздействия на окружающую среду 63

2.2.1. Техногенное воздействие пылевых выбросов горного производства на окружающую среду 64

2.2.2. Техногенное воздействие газопылевых выбросов

3

металлургического производства на окружающую среду 66

2.2.3. Техногенное воздействие сточных вод на природные воды 72

2.2.4. Экологическое состояние отходов производства 76 Выводы... 78

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ... 80

3.1. Изучение источников загрязнения... 80

3.2. Изучение снежного покрова, почв, растительности и вод 83

3.3. Особенности методики работ при создании систем мониторинга на объектах складирования отходов производства ... 90

3.4. Лабораторные работы 97 3.5 Камеральная обработка материалов 97

3.5.1. Обоснование критериев оценки экологического состояния 110 компонентов окружающей среды..

3.5.2 Прогноз состояния окружающей среды... 122

3.5.3 Обоснование защищенности компонентов окружающей 125 среды от загрязнения..

Выводы... 126

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ 128 СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЛОКАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА

4.1 Оценка загрязнения снежного покрова... 128

4.2. Оценка загрязнения почв 150

4.3. Оценка загрязнения растительности... 159

4.4. Прогноз загрязнения компонентов окружающей среды 161 Выводы... 166

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ДЕТАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА 168 (на примере шламохранилища в пойме р. Тагил и шлаковых

4 отвалов ОАО «НТМК»)

5.1. Мониторинг источников загрязнения... 168

5.1.1. Экологический мониторинг шлаковых отвалов 168

5.1.2. Экологический мониторинг шламохранилища

в пойме р. Тагил... 173

5.2. Мониторинг загрязнения снежного покрова... 177

5.3. Мониторинг загрязнения почв... 190

5.4 Мониторинг загрязнения растительности 199

5. 5. Мониторинг поверхностных и подземных вод 207

5.5.1 Шлаковый отвал на р. Сухая Ольховка 207

5.5.2 Шламохранилище в пойме р. Тагил... 225

Выводы... 235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 238

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 241
Введение

5 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Геологическое развитие Уральской горной страны предопределило формирование здесь большого количества железорудных месторождений полезных ископаемых. В процессе добычи и переработки сырья в окружающую среду поступают загрязняющие компоненты, главным образом, металлы, создающие серьезную экологическую угрозу. Снижение загрязнения окружающей среды возможно путем соответствующих природоохранных мероприятий. Для обоснования и установления эффективности проведения таких мероприятий необходима оценка загрязнения окружающей среды на основе экологического мониторинга.

Опираясь на представления В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, М.А. Глазовской, В.В. Добровольского, Дж. Фортескью, А.И. Перельмана, Ю.Е. Саета, Ю.А. Израэля, Э.К. Буренкова, В.В. Иванова, В.И. Осипова, В.А. Алексеенко, Ф.И. Тютюновой, B.C. Самариной, П.В. Елпатьевского, В.М. Гольдберга, В.А. Мироненко, В.А. Кирюхина, А.И. Короткова, В.Л. Бочарова, а так же уральских ученых A.M. Черняева, А.Я. Гаева, В.Н. Быкова, Г.А. Вострокнутова, О.Н. Грязнова, А.И. Семячкова и других, автор попытался оценить воздействие железорудных горно-металлургических комплексов на окружающую среду.

Особое значение проблема загрязнения окружающей среды приобретает в открытых структурах складчатых поясов Среднего Урала. Эти районы характеризуются повышенным содержанием элементов в компонентах окружающей среды, длительной историей отработки и переработки рудного сырья. Все это способствует развитию загрязнения окружающей среды, защита которой исключительно актуальна.

6

Объектом исследований являются железорудные комплексы Среднего Урала с городами Качканар, Кушва и Н. Тагил, а так же компоненты окружающей среды.

Цель исследований - разработать способы и приемы оценки воздействия железорудных горно-металлургических комплексов на окружающую среду на основе мониторинга и мероприятия по снижению этого воздействия.

Задачи исследований: 1) выявить факторы и закономерности природного распределения загрязняющих веществ железорудных горно-металлургических комплексов в окружающей среде Среднего Урала; 2) оценить железорудные горно-металлургических комплексов как источники воздействия на компоненты окружающей среды; 3) разработать методические приёмы проведения экологического мониторинга в пределах железорудных горно-металлургических комплексов; 4) исследовать формирования потоков и ареалов рассеяния загрязняющих веществ на основе локального и детального мониторинга с целью оценки, прогноза и регулирования техногенного воздействия железорудных горно-металлургических комплексов на окружающую среду.

Исходные материалы и методы исследований. Фактический материал, использованный в работе, собирался в полевых маршрутах совместно с научным руководителем и камеральным способом. Всего использовано 1600 проб различных компонентов окружающей среды. Охарактеризовано ее природное геохимическое состояние и техногенные циклы миграции химических элементов. Геоэкологические исследования выполнены автором в составе Уральского государственного горного университета.

Лабораторные исследования химического состава вмещающих пород и руд железорудных месторождений, техногенных образований, подземных и поверхностных вод, а также газопылевых выбросов и сточных вод выполнены подразделениями Департамента природных ресурсов по

7

Уральскому региону. Использованы так же материалы по загрязнению воздуха, снегового покрова, почв, поверхностных вод Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Автор принимал участие в обработке этих материалов. Использован фактический материал, полученный по аттестованным методикам с соответствующим метрологическим обеспечением, а так же результаты количественных анализов компонентов окружающей среды, характеризующие как естественные, так и техногенные циклы их миграции. Значительная часть этих материалов обработана лично автором.

Методы исследований. В работе широко применялись полевые и лабораторные методы, включая съёмочно-маршрутные работы, опробование, бурение, опытные работы, количественные химические и спектральные анализы. При обработке материалов использованы вероятностно-статистические и картографические методы и методы моделирования с применением компьютерных технологий.

На защиту выносятся:

1. Оценка экологического состояния объектов эксплуатации железорудных горно-металлургических комплексов, сформировавшихся под влиянием своеобразных физико-географических, геолого-металлогенических и техногенных факторов. Они обусловили наличие, наряду с природным, техногенного цикла миграции химических элементов с формированием ареалов и потоков рассеяния компонентов-загрязнителей, поступающих в окружающую среду в составе газопылевых выбросов, со сточными водами и от техногенно-минеральных образований.

2. Технология систем экологического мониторинга, включающая обоснование видов работ, сред и сети наблюдений в железорудных горно-металлургических комплексах локального и детального уровней. На основе систем локального и детального мониторинга необходима оценка загрязнения различных компонентов окружающей среды железорудных

8

горно-металлургических комплексов, что предопределяет возможность прогнозирования состояния экологической ситуации и принятия эффективных природоохранных решений.

3. Комплекс технических и организационных мероприятий по защите компонентов окружающей среды со строительством очистных и рекультивационных сооружений для локализации выбросов и пылящих техногенно-минеральных образований, созданием геохимических и гидродинамических барьеров для предотвращения загрязнения поверхностных и подземных вод.

Научная новизна:

- установлены фоновые концентрации химических элементов в почвах, подземных и поверхностных водах для районов железорудных горно-металлургических комплексов Среднего Урала, которые рекомендуется использовать для оценки загрязнения окружающей среды этих территорий; доказано, что наиболее потенциально опасными элементами, превышающими предельно-допустимые концентрации, являются: ванадий, марганец, медь и цинк.

произведена оценка железорудных горно-металлургических комплексов как источников воздействия на компоненты окружающей среды; выявлена взаимосвязь загрязнения различных компонентов окружающей среды и построены прогнозные статистические модели, позволяющие оперативно принимать природоохранные решения.

Практическая значимость:

- разработана методика экологического мониторинга на локальном и детальном уровнях;

- разработаны мероприятия и выданы рекомендации по охране окружающей среды и совершенствованию системы природопользования на территориях железорудных горно-металлургических комплексов.

Реализация результатов работы произведена в период с 1999 по 2004

9

годы при разработке проектов природоохранных мероприятий на ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» и ОАО «Качканарский горно-обогатительный комбинат».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на: научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», Екатеринбург, 2001; конференции «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики», С.-Петербург, 2002; на научных чтениях им. П.Н. Чирвинского, Пермь,2005; на семинарах геологического факультета и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета и других.

Публикации. По теме диссертации подготовлено и опубликовано 7 работ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 237 наименований. Работа изложена на 184 страницах текста, содержит 86 рисунков и 96 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета А. И. Семячкову за большую помощь в выполнении работы, заведующему кафедрой, доктору геолого-минералогических наук, профессору О. Н. Грязнову и преподавателям кафедры за поддержку. Автор сотрудничал при этом с экологическими службами ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» и ОАО «Качканарский горно-обогатительный комбинат», где внедрены результаты исследований. В работе использована также информация Уральской комплексной съёмочной экспедиции, Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, главного управления по технологическому, экологическому и атомнадзору по Свердловской области, главного

10

управления природных ресурсов по Свердловской области. Всем этим организациям и их сотрудникам автор выражает благодарность.

11

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНОВ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Геоэкологический фон на исследованной территории формируется в тесной связи с особенностями физико-географических условий и геологического строения. Установлена четкая связь его с элементарными геохимическими ландшафтами и широтными ландшафтно-климатическими зонами [220]. Природными компонентами ландшафтов являются: почвы, атмосферный воздух, живые организмы, геологический субстрат, подземные и поверхностные воды. Жизнедеятельность человека и биоценоза тесным образом связана с состоянием окружающей среды (ОС), поэтому ее геоэкологическое изучение нашло отражение в многочисленных исследованиях [37,44,135,191,207].

В работах А.И. Перельмана, М.А. Глазовской и других исследователей отмечается, что химические элементы в компонентах ОС активно мигрируют, подвергаясь рассеянию или концентрации [45,135]. Принципы построения миграционных моделей потоков химических элементов в ландшафтах сформулировал Ф.И. Козловский [85], который разделил мигранты на независимые, создающие в ландшафте движущую фазу, и зависимые, переносимые потоками независимых мигрантов. Эту идею развил Дж. Фортескью, сформулировав понятие «интенсивность потока», выраженную количественно [207]. Интенсивность потоков и концентрации химических элементов определяют их распределение в ОС. Различаются потоки атмогенные и гидрогенные [136]. Максимальная интенсивность миграции элементов происходит в воздушных потоках атмосферы и в поверхностных и подземных водах. В литосфере и почве элементы

12

находятся в иммобилизованном состоянии. Однако, именно эти среды определяют интенсивность атмогенных и гидрогенных потоков химических элементов в естественных условиях.

В результате формируются фоновые условия геологических и рудных формаций Урала, обусловленные геологическим развитием региона. Геологи сопоставляют их с ассоциациями рудной минерализации, приведшими к формированию месторождений рудных полезных ископаемых и с ассоциациями потоков рассеяния, создающими современный фон в ОС районов железорудных горно-металлургических комплексов (ГМК) Среднего Урала.

Исследованию закономерностей формирования фоновых условий ОС посвящены работы М.А. Глазовской, Н.П. Солнцевой, Ю.Е. Саета, Ю.А. Израэля, В.В. Иванова и др. На Урале такие исследования выполнены Г.А. Вострокнутовым, А.Я. Гаевым, Г.Б. Лифшицем, В.Г. Прохоровым, Г.В. Заравняевым, СИ. Мормилем, И.В. Бабушкиным, A.M. Черняевым, Л.Е. Черняевой, А.И. Семячковым и др. Под фоновым содержанием элементов в элементарном геохимическом ландшафте понимается средняя величина их природной вариации на территориях, не подвергшихся техногенному воздействию [151]. Фоновые концентрации химических элементов используются нами в качестве критерия степени техногенного воздействия при прогнозных расчётах и нормировании техногенной нагрузки.

Для районов железорудных ГМК Среднего Урала со сложными ландшафтно-геохимическими и геологическими условиями известны только усреднённые ориентировочные характеристики содержания химических элементов в водах и почвенном слое [32]. Концентрации химических элементов в горных породах, создающие их локальный фон в элементарных ландшафтах, резко изменяются на коротком расстоянии.

13

Поэтому изучение локального фона для широкого спектра химических элементов в районах железорудных ГМК Среднего Урала крайне необходимо в связи с оценкой техногенного воздействия железорудных ГМК на ОС.

^.Физико-географические условия Среднего Урала

1.1.1. Рельеф

Средняя часть Восточного склона Среднего Урала отличается пониженным рельефом сглаженных увалов, одиночных сопок и обширных заболоченных пространств. Одно из таких понижений расположено непосредственно на Уральском водоразделе, между сближенными долинами рек Чусовой и Исети в районе г. Екатеринбурга. Средняя высота этой части водороздела 300-400 м Более значительные высоты, нередко со скалистыми вершинами, находятся главным образом к северу от р. Чусовой, тогда как южнее ее, в бассейне р.Уфы, высоты западных предгорий не превышают 350 м. Рельеф здесь имеет мягкие очертания, за исключением площадей развития каменноугольных известняков, где речные долины нередко имеют каньонообразный характер. Минимальные отметки в средней части предгорий относятся к долине р.Чусовой и составляют 200-220 м.

Непосредственно восточнее полосы восточного склона Среднего Урала располагается повышенная равнина Зауралья, выделяемая в орографический район пенеплена восточного склона. В геологическом отношении этот пенеплен относится к горно-складчатому Уралу и сложен разнообразным комплексом изверженных, осадочных и метаморфизированных пород. Пенеплен восточного склона характеризуется мягким равнинно-увалистым рельефом с абсолютными высотами на юге 300-500 м и в средней части восточного склона

14

Среднего Урала 200-300 м. К северу от широты г. Верхотурья пенеплен исчезает, и увалистая полоса восточных предгорий Урала непосредственно граничит с Западно-Сибирской низменностью, причем в Ивдельском районе эта граница представлена резко выраженным уступом.

1.1.2 Климат

Главную роль в формировании климата в Свердловской области, в летнее время играют бореальные и морские атлантические воздушные массы, которые доставляют с запада и северо-запада основную часть осадков и в температурном режиме ведут к общему смягчению климата. В конечном итоге годовой температурный режим отражает резко выраженный континентальный тип климата, для которого характерны суровый и длительный зимний период и относительно жаркое лето. Средняя годовая температура воздуха колеблется от 1.2 до 2.3° С. Самый холодный месяц года - январь, когда средняя температура воздуха снижается до -15° С. Самый теплый месяц - июль, когда средняя температура воздуха повышается до +15.5° С. Амплитуда колебаний абсолютных температур воздуха достигает 77° С в г. Н-Тагил [87].

Значительное разнообразие как скоростей ветра, так и числа штилей указывает на огромное разнообразие в перемещениях воздушных масс, в основном преобладают ветра западных румбов (СЗ, 3, ЮЗ).

В Свердловской области в теплый сезон выпадает от 69 до 70% годового количества осадков. В холодный сезон осадков выпадает 20-30%. Суточное распределение осадков весьма неравномерное, наибольшее их количество выпадает при крупных грозовых дождях или в период осенних дождей. Иногда суточное количество осадков

15

достигает почти 100 мм. Максимальная мощность снегового покрова наблюдается в конце февраля — начале марта. В соответствии с климатическими особенностями глубина промерзания почв составляет 180-200 см. Толщина ледяного покрова рек в течении зимы постепенно возрастает от 19-40 см в ноябре до 50 -100 см в марте. Ледяной покров пресных озер характеризуется несколько большей мощностью, чем на реках.

Весенний паводок раньше начинается в южных районах, обычно в первой половине апреля, в то время как в северных он наступает в конце апреля - начале мая. Продолжительность весеннего паводка неодинакова и составляет от 1.5 до 2-3 месяцев.

В северной части Свердловской области наблюдается дефицит влажности, тогда как к югу она возрастает. При среднегодовых значениях ее 1.7-2.8 мм наибольшими величинами характеризуется теплый период - 3.1-4.5 мм; в холодный период она незначительна - 0.4 - 0.6 мм. Среднегодовая величина испарения колеблется от 500 до 800 мм.

Содержание элементов в атмосферном воздухе фоновых территорий связано с большим числом разнообразных параметров [9,17,20]. Теоретические и экспериментальные исследования по физике атмосферы показывают зависимость распределения приземных концентраций от ветрового режима территории, температурной стратификации атмосферы и режима атмосферных осадков.

В атмосфере наблюдается две фазы нахождения металлов: аэрозольная, в которой элемент входит в состав взвешенных или пылевых частиц, и парогазовая. Для эталонных фоновых участков установлено [66], что большинство элементов (Cd, Co, Cu, Zn, Pb, Hg, As) находится, главным образом, в парогазовой фазе.

16

Фоновое содержание металлов в воздухе, обусловленное космогенным, литогенным и вулканическим поступлением элементов, сильно варьирует в зависимости от особенностей циркуляции воздуха. Для Европейской территории России (ЕТР) на основе большого статистического материала получены обобщающие данные [38] по содержанию металлов в воздухе (табл. 1.1).

Анализ табл. 1.1 показывает, что содержания металлов в воздухе, дождевой воде и пыли достаточно хорошо коррелируют между собой и со среднесуточными выпадениями. В связи с этим при формировании фоновых концентраций металлов в атмосфере большую роль будет играть исходный состав пыли, который зависит от геохимической характеристики почво-литосубстрата, вовлеченного в воздушный миграционный поток.

Таблица 1.1

Концентрации химических элементов в воздухе, дождевой воде и пылевых выпадениях из атмосферы для ЕТР [38]

Элемент Атмосферный воздух, мкг/м3 Содержание в пыли, мг/кг Содержание в дождевой фазе, мг/дм Среднесуточное выпадение, мг/км2

Fe - - 2-10-1 -

V 0.003 64 4.1-10\" 960

Сг 0.006 50 2.9- 10\" 750

Мп 0.013 570 8.1-10-\' 8550

Со - 7 2.5-10° 105

Ni 0.004 20 6-10\"\' 300

Си 0.02 80 2.3-10^ 1200

Zn 0.023 70 8.5-10^ 1050

Cd н.о. 0.3 1.8-10\'2 4.5

Hg 0.002 0.01 2.1-10\"4 0.15

Pb 0.006 50 3.9-10^ 750

17

Это предопределяет различие геохимического фона металлов в атмосфере территорий распространения различных рудных формаций Среднего Урала: железорудной и меднорудной. Состав пыли во взвесях снеговых вод фоновых территорий изучался в работе [188], а ее результаты представлены в табл. 1.2

Таблица 1.2

Фоновое содержание металлов во взвесях снеговых вод территорий распространения железорудных формаций Среднего Урала, мг/кг

Элемент Железорудная (количество проб-19) Фон Европейской территории России [37]

Мп 1680 570

Сг 664 50

Со 21 7

Ni 65 20

Си 495 80

Zn 427 70

Pb 109 50

Исследование фонового состава пыли на территории распространения железорудной формации, произведенного в районе г. Н. Тагил, где имеются несколько контактово-метасоматических месторождений железных руд, показало преобладание сидерофильных компонентов. Отмечается также высокое содержание во взвесях снеговых вод халькофильных элементов (Си, Zn, Pb). Содержание и специализация металлов в фоновых воздушных потоках и интенсивность их выпадения на дневную поверхность тесно связаны с территориями распространения рудных формаций Среднего Урала [160]. В целом фоновая пылевая нагрузка для Урала не отличается от Европейской территории России, среднесуточное значение которой, по

Список литературы