Главная |  Поиск в интернет |  Библиотека |  Cсылки   
Страница магистров ДонНТУ | Главная страница ДонНТУ
Индивидуальное задание


Басанцева Марина Евгеньевна


Факультет: Горно-геологический

Кафедра: Полезных ископаемых и экологической геологии

Специальность: Экологическая геология

Автореферат

магистерской работы

Тема: "Определение зоны влияния зоны влияния Углегорской ТЭС на подземные воды с выявлением основных элементов-загрязнителей"

Актуальность работы

     Задача правильного определения источников загрязнения окружающей среды, а также интенсивности и масштаба воздействия каждого из них является ключевой при решении любых экологических проблем. Именно ее грамотное решение позволяет природоохранным органам предъявлять обоснованные претензии к предприятиям-загрязнителям. А последних побуждает предпринимать конкретные действия для снижения или предотвращения влияния на окружающую среду.

     Однако, несмотря на очевидность вышесказанного, у нас в стране до сих пор не имеется утвержденной методики выявления источников загрязнения. Поэтому ее разработка, внедрение и верификация (подтверждение на практике) является крайне актуальной и важной задачей, требующей первоочередного решения.

     Целью работы, вытекающей из ее названия и актуальности проблемы, является установление источников загрязнения гидросферы района Углегорской ТЭС и разграничение зон их влияния. Данная цель может быть достигнута в результате решения следующих задач:

Обзор существующих исследований и разработок

     Проблема идентификации аномальных зон, какими являются в том числе и техногенные ореолы загрязнения, интенсивно разрабатывалась ранее в процессе минералого-геохимических исследований при поисках месторождений полезных ископаемых [1]. Комплекс применяемых методов позволял определить минералого-геохимические закономерности проявления рудообразующих эпигенетических процессов, когда под влиянием водных растворов наблюдалась дифференциация макро- и микрокомпонентов рудовмещающих пород с закономерным изменением их первичных структурно-вещественных параметров. Природные аномалиеобразующие процессы, близкие по характеру проявления к техногенным, обязаны эндогенным (гидротермальным) и экзогенным (инфильтрационным) процессам, которые сопровождались перераспределением макро- и микрокомпонентов в пределах ореолов вторичного замещения [2]. Характер их проявления был обусловлен физико-химическими параметрами аномалиеобразующих растворов (температурой, рН, Еh) и структурно-вещественными параметрами вмещающих пород. Структура последних оказывала влияние на механизм фильтрации водных растворов, а минеральный и химический состав на скорость и интенсивность замещения первичных пород эпигенетическими. При этом чем значительнее отличие между химическими составами растворов и вмещающих пород, тем более глубокие преобразования наблюдаются и тем большее количество химических элементов испытывают перераспределение в пределах ореола замещения. Выделяют две эволюционно связанные части процесса аномалиеобразования: петрогенетическую, при которой формировались новые по структурно-вещественным признакам породы, и металлогеническую, в пределах которой формировались геохимические аномалии и рудоносные зоны. При изучении закономерностей распределения химических элементов в процессах рудо- и аномалиеобразования, проявленных на месторождениях полезных ископаемых, установлена вертикальная и латеральная зональности ореолов [1]. Это позволило исследователям на основе имеющегося опыта по набору элементов-индикаторов, выявленных на объектах-аналогах, производить идентификацию аномалий и рудопроявлений, оценивать их рудоперспективность.

     С появлением новой отрасли науки, получившей название «экологическая геохимия», вся имеющаяся в распоряжении геохимиков научно-методическая база, на основе которой производилось выявление геохимических аномалий с целью поиска полезных ископаемых, стала использоваться для решения экологических проблем. Автором первого в странах СНГ учебника по данной дисциплине является известный российский геохимик В.А. Алексеенко.

     Одним из ключевых показателей, с помощью которого он предлагает выявлять и картировать природные и техногенные аномалии, он называет величину аномального содержания элементов (т.е. отклонение их содержания от сформировавшегося в пределах территории «фонового» значения) [3]. для избежания ошибок при выявлении аномалий «на глаз» в его методике используются методы математической статистики, а именно корреляционный анализ. Практика многолетних исследований, проводимых В.А.Алексеенко на территории стран СНГ, в том числе и в Украине, говорит в пользу предложенного им метода. Однако вопрос о генетической принадлежности выделенных аномалий к возможным источникам загрязнения в его работах поднят не был.

Научная новизна работы

     В работе впервые:

  1. Были обобщены результаты многолетних мониторинговых исследований влияния Углегорской ТЭС на качество гидросферы.
  2. Предпринята попытка по установлению источников загрязнения гидросферы района расположения Углегорской ТЭС и разграничению зон влияния выделенных источников.

    Опробация работы и публикация результатов

         Основные результаты работы были доложены на 4-й международной конференции аспирантов и студентов, посвященной проблемам экологической безопасности, и в конце 2005 года будут опубликованы в соответствующем сборнике [4]. На конференции был задан ряд вопросов по теме доклада. Некоторые из них дали толчок для продолжения исследований, и надеюсь, что при написании магистерской работы, я смогу дать на них исчерпывающие ответы.

    Теоретический анализ

         Обобщение опыта многолетних регулярных наблюдений за состоянием поверхностных и подземных вод позволило ввести понятие техногенного замещения водной среды, которое более полно отражает суть процесса в отличие от понятия техногенное загрязнение [2]. Процесс техногенного замещения водной среды имеет закономерный характер развития, что и позволило, применяя методы математической статистики, оконтуривать ореолы загрязнения подземных вод и говорить о генетической принадлежности каждого выделенного очага загрязнения к определенному источнику.

         Длительное воздействие со стороны того или иного источника способствует формированию ореола замещения, который проявляется как в горизонтах подземных вод, так и в поверхностных водотоках и водоемах. Ореол замещения при этом имеет закономерное зональное строение. Известно, что состав подземных вод определяется структурно-вещественными параметрами водовмещающих пород [5]. Структура пород влияет на скорость и механизм фильтрации, а вещество на химический состав воды. В формировавшейся длительное время природной системе вода - порода существует определенное равновесие. При поступлении в водоносные горизонты химически агрессивных техногенных вод это равновесие нарушается. Между загрязненными водами и породой начинает протекать сложный обмен компонентами. Формируются новые измененные породы, содержащие в своем составе техногенные минералы, равновесные с поступающей водой. Эти процессы протекают в зоне гипергенеза с различной скоростью и интенсивностью. Сформированный ореол техногенного замещения пород определяет состав грунтовых вод и влияет на качество поверхностных водоисточников, расположенных ниже по фильтрационному потоку. Эти ореолы имеют зональное строение, обусловленное закономерной дифференциацией как макро-, так и микрокомпонентов. Вокруг эпицентров загрязнения устанавливается два типа зональности - концентрационная и ассоциативная. Под концентрационной зональностью понимается закономерное изменение концентрации компонентов от эпицентра аномалии к периферии. Ассоциативная зональность возникает в процессе закономерной дифференциации макро- и микрокомпонентов относительно техногенного процесса, когда одни компоненты концентрируются в эпицентрах аномальных зон, другие на их периферии или испытывают вынос. Исходя из этого, спектр элементов закономерно изменяется от эпицентра ореола к его периферии. Статистическая устойчивость спектров элементов определяется закономерным соотношением их концентраций. Так как разнородные источники загрязнения образуют отличающиеся друг от друга по геохимическим спектрам ореолы, зоны их влияния можно разграничивать и идентифицировать путем сопоставления характеристических спектров элементов.

    Методика исследований

         В основу методов обработки и обобщения экспериментальных данных заложены общепринятые рекомендации и нормативные документы [6,7].

         Теоретической базой принятого методического подхода послужили представления о техногенном загрязнении поверхностных и подземных вод как о совокупном гетерогенном процессе, связанном с различными по гидрогеохимическим параметрам источниками. При этом наиболее важным является установление основного источника загрязнения, определение гидрогеохимических особенностей развития техногенных процессов.

         По характеру поведения и уровню концентрации в различных природных и техногенных процессах и образованиях выделяют макрокомпоненты, которые определяют химический состав воды и уровень ее минерализации. К ним относятся SO42-, Cl, НСО3-, СО32-, Са2+, Мg2+, К+,Nа+, в меньшей степени NO3-, NН4+, а также те физико-химические параметры, которые определяются концентрацией выделенных компонентов: рН, жесткость, минерализация, щелочность, окисляемость. Остальные компоненты, фоновая концентрация которых не превышает 10мг/дм3, относятся к микроэлементам.

         По отношению к любому природному или техногенному процессу аномалиеобразования все химические элементы или их соединения делятся на 4 группы [1]:

    1. Главные аномалиеопределяющие элементы - загрязнители, содержание которых в пределах аномальных участков превышают ПДК.
    2. Второстепенные, сопутствующие элементы, содержания которых не превышают ПДК, однако отмечается их привнос в аномальную зону по отношению к геохимическому фону. Концентрация данных элементов растет с увеличением содержания главных элементов - загрязнителей.
    3. Нейтральные, инертные элементы, концентрация которых не меняется в процессе загрязнения, то есть остается в пределах фона.
    4. Деконцентрирующиеся элементы, которые испытывают вынос из ореолов загрязнения под действием техногенных растворов. Они могут формировать на периферии основного ореола загрязнения вторичные ореолы или располагаться в его внешних зонах. Существует закономерность: чем масштабнее и полнее проявлен процесс аномалиеобразования, тем отчетливее наблюдается дифференциация элементов, и тем более определеннее выделяются элементы выше представленных групп.

         Исходя из того, что любой замер или определение содержания какого-либо компонента есть величины случайные и носят вероятностный характер, полученные химико-аналитические данные были обработаны с применением методов математической статистики. Обработка данных велась в следующем порядке:

    1. Загрязняющие компоненты были распределены по лимитирующему признаку вредности и классам опасности[6].
    2. Для каждого элемента был определен коэффициент загрязнения , где С- содержание элемента, ПДК –предельно допустимая- концентрация элемента
    3. Оценочным параметром суммарного полиэлементного загрязненияконкретной пробы является суммарный показатель концентрации (СПК):

      СПК= ∑KZi

           Согласно рекомендациям нормативных документов [6], суммарный показатель концентрации (СПК) для воды рассчитывался по формуле: 

      
                        C1        C2             Сn
             СПК =   ------- + ------- + ... + -------
                       ПДК1      ПДК2            ПДКn
      где Cn – концентрация n-го элемента в пробе;
      ПДКn - предельно-допустимая концентрация n-го элемента в пробе.

           К расчету были приняты компоненты 1, 2 и 3 классов опасности (чрезвычайно опасные и высоко опасные) с одинаковым лимитирующим признаком вредности санитарно-токсикологическим (Pb, Hg, Cd, Bi, Co, Ni, Se, Al, Br, V, NO3, NH4) и органолептическим (Zn, Cu, Fe, Mn, S04, C1).

    4. Уровень загрязнения для природных вод определялся согласно нормативам качества воды для водных объектов культурно-бытового водопользования [6].
       
      Степень загрязнения Оценочные показатели загрязнения для водных объектов I и II категории
      Органолептический (СПК) Санитарно-токсикологический (СПК)
      Допустимая <1 <1
      Умеренная 1-4 1-3
      Высокая 4-83-10
      Чрезвычайно высокая >8 >10

    5. На основе всех определенных СПК были откартированы ореолы комплексного загрязнения водной среды исследуемой территории.
    6. Для сопоставления гидрохимических параметров поверхностных и подземных вод территории были рассчитаны коэффициенты корреляции между ними. Коэффициент корреляции (r) - вероятностная величина, поэтому его значимость определяется табличными граничными значениями для разных уровней значимости [5]. Значения r колеблются от - 1 до +1. Знак "+" указывает на то, что увеличение или уменьшение параметров одного водного объекта синхронно связано с увеличением или уменьшением параметров другого объекта. Знак "-" указывает на наличие обратной зависимости между параметрами различных объектов.
    7. Для определения возможных источников загрязнения поверхностных и подземных вод в пределах золоотвала и промплощадки были сформированы однородные выборки, которые отвечают требованиям:
      • вода этих проб имеет близкие гидрохимические параметры, то есть между ними установлена значимая положительная корреляционная связь;
      • в этих пробах установлен высокий уровень суммарного загрязнения, то есть закономерности поведения основных загрязняющих компонентов между собой, а также их соотношение с группами сопутствующих, инертных и деконцентрирующихся компонентов имеет вполне определенный статистически устойчивый характер.

            Затем, на основе рассчитанных средних значений содержаний макрокомпонентов и микроэлементов по данной выборке, были получены среднестатистические гидрохимические параметры, соответствующие эпицентрам загрязнения, как предполагаемым его источникам.

    8. Чтобы однозначно установить соответствие химического состава других проб воды с предполагаемым основным источником, были подсчитаны коэффициенты корреляции между компонентами полученных усредненных проб и соответствующими компонентами всех остальных проб. Расчеты производились для микроэлементов. Корреляционные связи при этом дают возможность сравнивать эти соотношения в пределах других проб. Кроме того, они позволяют судить с определенной долей вероятности о степени близости гидрохимических параметров в различных пробах. Соотношения макро- и микрокомпонентов в пределах усредненной пробы вполне закономерны, и если эти закономерности сохраняются для других проб, то между ними существует значимая положительная корреляционная связь. Если эти закономерности для других проб существенно отличаются, то между гидрохимическими параметрами исследуемых проб устанавливается отрицательная корреляционная связь или не устанавливается вовсе, то есть она является маловероятной.
    9. По полученным коэффициентам корреляции были откартированы ореолы соответствия поверхностных и подземных вод очагам загрязнения по микроэлементам.
    10. Для каждого такого ореола были также сформированы однородные выборки проб по описанным ранее принципам. Химический состав и концентрация элементов в выборках позволяет судить о техногенной дифференциации компонентов в процессе загрязнения, а характер поведения элементов позволяет отнести их к группам главных, сопутствующих, инертных и деконцентрирующихся компонентов.
    11. Для определения химического состава поверхностных и подземных вод по всем пробам рассчитаны формулы Курлова, определяющие анионный и катионный состав воды. На основе этих данных были построены карты распространения в пределах золоотвала, промплощадки и всего исследуемого района вод определенного анионного и катионного состава, что позволило определить химическую направленность техногенного процесса загрязнения.
      12. Для проведенных исследований уровень значимости принимался 0,01, т.е. достоверность полученных выводов составляет 99%.

    Экспериментальное исследование

          При анализе результатов многолетних мониторинговых исследований (с 1997 по 2004 гг.) влияния золоотвала и промплощадки Углегорской ТЭС на подземные воды было зафиксировано наличие ореолов загрязнения, расположенных выше по подземному потоку и поверхностному стоку влияния объектов ТЭС с набором широкого круга элементов-загрязнителей при высокой их концентрации.

         Для подтверждения вывода о существовании двух разнородных источников загрязнения (Углегорской ТЭС и «постороннего» источника) была применена вышеописанная методика. По результатам химико-аналитических исследований проб воды было проведено сопоставление гидрохимических параметров поверхностных и подземных вод участка на базе корреляционного анализа. Были рассчитаны коэффициенты корреляции между концентрациями микроэлементов во всех пробах воды. При этом пробы с высоким уровнем загрязнения разделились на две части, каждая из которых связана с определенным источником.

         Для установления зон влияния предполагаемых источников загрязнения были сформированы две однородные выборки проб, характеризующие разные по гидрохимическим параметрам очаги загрязнения. В однородную выборку объединялись пробы, в которых установлен высокий уровень суммарного загрязнения, а также высокая корреляционная связь, близкая к 100%, между гидрогеохимическими параметрами воды в этих пробах. Таким образом, каждая выборка составлялась из проб, параметры воды в которых являются генетически однородными между собой. Вычисленное среднее арифметическое содержание каждого элемента в выборке характеризует очаг загрязнения в целом.

         На основании рассчитанных коэффициентов корреляции между усредненными по каждой выборке содержаниями элементов и этими же параметрами для всех отобранных проб были откартированы ореолы распространения близких по гидрохимическим параметрам вод, связанных с очагами загрязнения. <>

         Это позволило определить гидрогеохимическую зональность вод в направлении от эпицентров загрязнения к периферии, выраженную в закономерном уменьшении силы корреляционных связей. Отчетливо устанавливается распространение загрязнения с севера и северо-запада от водораздела по направлению движения подземного потока. Влияние же промышленных объектов Углегорской ТЭС является незначительным по сравнению с влиянием источника, не связанного с деятельностью ТЭС [4].

         Анализ макроэлементного состава вод показал, что выделенные очаги загрязнения контролируются водами сульфатного магний-натриевого состава. Одновременное присутствие в водах ионов магния и натрия свидетельствует о неравновесности условий в эпицентрах загрязнения. Данный факт указывает на то, что процесс техногенного замещения как вод, так и вмещающих их пород протекает непрерывно, с постоянным привносом новых порций элементов-загрязнителей.

         Основываясь на результатах всех проведенных вычислений, а также анализируя построенные карты, было сделано предположение о влиянии региональных источников загрязнения – промышленных предприятий г.г. Горловка и Енакиево на водную среду прилегающей к ТЭС территории, расположенной на расстоянии 20-30 км от предполагаемых источников. При этом загрязнение водных объектов происходит главным образом в результате рассеивания по земной поверхности дымовых выбросов со стороны промышленных предприятий, которые, смешиваясь с атмосферным воздухом, могут распространяться на десятки километров. Однако для подтверждения данной гипотезы необходимо проведение дополнительных исследований, расширение мониторинговой сети, что требует значительных капитальных вложений и на сегодняшний день остается задачей будущего.

    Основные результаты исследований

         Комплексные экологические исследования водной среды в районе Углегорской ТЭС позволили разграничить зоны влияния ее золоотвала и промплощадки, определить уровень и характер загрязнения, связанный с деятельностью ТЭС. Вместе с этим однозначно установлено региональное загрязнение, распространяющееся со стороны городов Горловка и Енакиево, захватывающее промплощадку и золоотвал станции [4].

         Процесс техногенного загрязнения при этом имеет закономерное развитие, которое выражается в создании зонально построенных ореолов замещения природных вод техногенными в направлении от эпицентра загрязнения к периферии ореолов.

         Влияние на водную среду исследуемой территории объектов Углегорской ТЭС незначительно. При этом устанавливается однотипный характер воздействия на подземные и поверхностные воды в связи с их тесной гидравлической связью. Так влияние промплощадки ограничено ее контуром. Умеренный уровень загрязнения устанавливается для Mn, Fe, SO4 и Ni.

         Влияние золоотвала на поверхностные и подземные воды также ограничено его контуром и распространяется на восток от него по ручью балки Мироновская на один километр в сторону одноименного водохранилища. Существенного изменения качества вод последнего не устанавливается. Спектр компонентов-загрязнителей ограничен Mn, Fe, SO4 и Ni. Уровень загрязнения водной среды в связи с золоотвалом имеет умеренный характер.

         Широкий спектр элементов: Hg, Cd, Se, Bi, Mo, Br, Co, Ge, V, Al, Mn, Fe, SO4, Ni вовлеченый в процесс техногенного загрязнения обязан предприятиям г.г. Горловка, Енакиево.

         Полученные результаты позволяют сделать следующие рекомендации по проведению дальнейших исследований:

    1. Установленные закономерности необходимо закрепить дальнейшими наблюдениями за состоянием водной среды исследуемой территории.
    2. На промплощадке и в районе золоотвала ряд скважин наблюдательной сети вышел из строя. В связи с чем их необходимо прочистить, а часть полностью восстановить. Без этого режимные наблюдения за состоянием подземных вод являются малопредставительными.
    3. Для большей представительности и объективности полученных данных о региональном загрязнении необходимо расширить сеть опробования на восток, где также возможно влияние со стороны промышленных предприятий г. Енакиево.

         Для большей обоснованности полученных результатов необходимо проведение комплексных исследований с оценкой уровня и характера загрязнения почво-грунтов, растительного покрова и атмосферного воздуха. Это позволит создать геохимическую модель регионально проявленного техногенного процесса в полном объеме, определить условия миграции и локализации широкого спектра макро- и микрокомпонентов. Данный комплекс экологических работ позволит оценить степень опасности загрязнения компонентов природной среды, выявить источники загрязнения и наметить мероприятия по снижению негативного воздействия с их стороны.

         При этом следует отметить, что теоретическая и рассчетно-методическая базы, представленные в данной работе, являются одной из первых попыток решения достаточно сложной и в то же время актуальнейшей задачи экологии – выявления генезиса техногенных аномалий. В реальной ситуации исследователи зачастую имеют дело с ореолами загрязнения, сформированными в результате наложения различных по гидрогеохимическим параметрам процессов загрязнения, которые при этом усреднялись, что значительно усложняет задачу разделения зон влияния каждого источника в отдельность. В связи с этим необходимо продолжать исследования по установлению закономерностей развития техногенного процесса, рассматривая при этом подземные воды в их тесной взаимосвязи с вмещающими породами, фиксируя и анализируя не только ореолы замещения вод, но и последствия техногенного преобразования пород.
     

    Список литературы

    1. Выборов С.Г., Быстров И.И. Опыт использования комплексного показателя нарушенности геохимического поля для прогнозирования оруденения // Известия ВУЗов, сер. «Геология и разведка».1991. №7. С. 71-84.
    2. Выборов С.Г., Павелко А.И., Щукин В.Н. Эпигенетические изменения водовмещающих пород под действием техногенных факторов // Науковi працi ДонНТУ, сер. Гiрничо-геологiчна, вип. 81. 2004. С. 56-61.
    3. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник.-М.: Логос, 2000.-627с.
    4. Басанцева М.Е., Выборов С.Г. Принципы определения границ и разграничения зон влияния источников техногенного загрязнения окружающей среды // Сб. тезисов IV Международную научную конференцию студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», выпуск планируется в конце 2005г.
    5. В.А. Алексеенко, Г.В. Войткович. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. М., Недра, 1979 г.
    6. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. СанПиН № 4630-88. Минздрав СССР, Москва, 1988 г.
    7. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.

      8. Главная |  Поиск в интернет |  Библиотека |  Cсылки   
      Страница магистров ДонНТУ | Главная страница ДонНТУ