Оценка техногенных массивов как источников экологической опасности

ГОД ЭКОЛОГИИ

2017 год в России объявлен годом экологии с целью привлечь внимание общества к вопросам экологического состояния страны. Понятие экологии сегодня размывается и ассоциируется у носителей языка прежде всего с вопросами охраны среды обитания биологического человека, окружающей среды.

На принципах экологии формируется и новое направление в лингвистике — эколингвисти-ка, изучающая иную сферу обитания человека — языковую (работы, в той или иной степени относящиеся к данному направлению, регулярно публикует наш журнал).

В этом номере мы хотим познакомить читателей с научным взглядом на одну из проблем промышленной экологии: уверены, что знания в этой области будут полезны и в лингвистических исследованиях, и при обучении русскому языку как родному и иностранному.

А. С. Данилов, В. А. Матвеева, М. А. Пашкевич

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ КАК ИСТОЧНИКОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

ALEKSANDR S. DANILOV, VERA A. MATVEEVA, MARIA A. PASHKEVICH THE ASSESSMENT OF TECHNOGENIC MASSIFS AS THE SOURCES OF ECOLOGICAL DANGER

В работе производится оценка антропогенной нагрузки предприятий горно-добывающей и перерабатывающей отраслей промышленности на компоненты окружающей среды на примере эксплуатации техногенных массивов, вызывающих загрязнение и нарушение земельных и водных ресурсов, атмосферного воздуха и, как следствие этого, снижение уровня качества жизни населения.

Ключевые слова: техногенный массив; ореолы загрязнений; потоки загрязнений. The article assesses the anthropogenic load of enterprises of the mining and processing industries on the components of the environment, as exemplified in exploitation of man-made massif causing pollution and disturbance of land and water resources, atmospheric air and, as a consequence, a decrease in the quality of life of the population.

Keywords: technogenic massif; pollution areas; pollution streams.

Экология — это «наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой» [2]. На современном этапе развития цивилизации экология представляет собой сложную комплексную дисциплину, основанную на различных областях человеческого знания: биологии, химии, физики, социологии, природоохранной деятельности, различных видов технологии.

Впервые в науку понятие «экология» ввел немецкий биолог Э. Геккель (1886). Это понятие первоначально являлось чисто биологическим. В дословном переводе «экология» означает «наука о жилище»

Александр Сергеевич Данилов

Аспирант кафедры геоэкологии

danilov@spmi.ru

Вера Анатольевна Матвеева

Кандидат технических наук ассистент кафедры геоэкологии  matveeva_va@spmi.ru

Мария Анатольевна Пашкевич

Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой геоэкологии

mpash@spmi.ru

Санкт-Петербургскнк

горный университет 21-я лин. В. О., 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия

Aleksandr S. Danilov, Vera A. Matveeva, Maria A. Pashkevich

Saint-Petersburg Mining University 2,21st Line, St. Petersburg, 199106, Russia

^^^ [Россия... народы, языки, культуры]

и подразумевала изучение взаимоотношений между различными организмами в природных условиях. В настоящее время это понятие очень усложнилось, и разные ученые вкладывают в это понятие различный смысл.

Промышленная экология — раздел экологии, изучающий воздействие промышленности — от отдельных предприятий до техносферы — на окружающую природную среду; влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов.

Основным направлением промышленной экологии является создание таких систем производства и утилизации отходов производственной деятельности, которые не влияют на биосферу и среду обитания человека.

К настоящему времени появилось понимание того, что человек обречен на вымирание по мере накопления продуктов его созидательной деятельности. В связи с этим резко возрастает значение промышленной экологии.

Сегодня промышленная экология охватывает очень широкий круг проблем, причем проблем весьма различных и уже совсем не биологического плана. Тут уместнее говорить о целом ряде инженерных экологических дисциплин: экология горнодобывающей промышленности, экология энергетики, экология химических производств и прочее. Может показаться, что использование слова «экология» в сочетании с этими дисциплинами не вполне правомочно, однако это не так. Подобные дисциплины очень разные по своему конкретному содержанию, но они объединяются общей методологией и общей целью: предельно сократить влияние промышленной деятельности

на процессы кругооборота веществ в природе и загрязнение окружающей среды.

На сегодняшний день горная промышленность является одним из ключевых секторов российской экономики, а предприятия минерально-сырьевого комплекса обеспечивают, по разным оценкам, от 50 до 60% валового внутреннего продукта (ВВП) нашей страны, а предприятия отрасли представляют значительную угрозу здоровью и благополучию населения. Особенно остро эта проблема стоит при формировании техногенных массивов, объем которых на сегодняшний день достигает миллиардов тонн.

Согласно Государственному докладу «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году» общая величина накопленных и учтенных отходов производства и потребления в России на конец 2015 года составила примерно 31,5 млрд т, из которых более 90% образовались в результате добычи и переработки полезных ископаемых. Несмотря на значительное количество отходов и их высокую экологическую опасность, наиболее распространенным способом утилизации является размещение на поверхности Земли в виде техногенных массивов. В настоящее время общая площадь земель, занимаемая техногенными массивами, составляет около 1 млн га, а площадь земель, изъятых из продуктивного оборота под складирование отходов добычи и переработки минерального сырья, — более 5 млн га. Результатом интенсивной техногенной нагрузки, оказываемой хранилищами отходов горной промышленности на компоненты природной среды, становится ухудшение санитарно-гигиенических характеристик в райо-

Рис. 1. Последствия прорыва дамбы на хвостохранилищах.

нах их расположения, и, как следствие, повышается заболеваемость и смертность населения, особенно в раннем возрасте.

Техногенный массив — это геологические структуры, сложенные породами или антропогенными наносами, отличающиеся по своему составу от фоновых пород [5].

Кроме этого территории расположения техногенных массивов, особенно большой вместительности, подвержены повышенному риску возникновения на них техногенных аварий и катастроф. За последние 50 лет в мире на техногенных массивах произошло более 150 серьезных аварий, сопровождающихся человеческими жертвами и причинивших колоссальный социальный, экологический и экономический ущерб государству. Примерами могут служить: прорыв дамбы на Карамкенском хвостохранилище* цианидов (Магаданская обл., 2009 г.), авария на накопителе отходов ОАО «Аммофос» (Волгоградская обл., 2010 г.), прорыв плотины хвостохранилища завода «MAL Hungarian Aluminum» (Венгрия, 2010 г.), авария на хвостохранилище кампании «Samarco» (Бразилия, 2015 г., рис. 1).

Проблема повышенного риска возникновения аварий и катастроф на техногенных массивах, расположенных в непосредственной близости к территориям городов, вызывает особое опасение. На европейской территории России можно привести множество таких примеров: техногенные массивы ОАО «Апатит» (Мурманская обл., г. Кировск); ОАО «Ковдорский ГОК» (Мурманская обл., г. Ковдор); ОАО «Михайловский ГОК» (Курская обл., г. Железногорск); ОАО «Новоросцемент» (Краснодарский край, г. Новороссийск).

Рис. 2. Воздействие техногенного массива на окружающую среду.

Кроме того, все городские территории, расположенные в зоне формирования техногенных массивов, подвержены устойчивой и долговременной антропогенной нагрузке. К числу негативных последствий формирования техногенных массивов следует отнести: ухудшение состояния атмосферы; сокращение площадей земель, пригодных для сельскохозяйственного пользования; изменение природного ландшафта и загрязнение почвенного покрова; развитие эрозионных процессов; изменение состояния и свойств горных пород, слагающих основания техногенных массивов, а также гидрологического и гидрогеологического режима района; возникновение горно-геологических процессов и явлений (рис. 2) [3].

В настоящее время решением проблемы снижения негативного воздействия техногенных массивов на компоненты окружающей природной среды активно занимается коллектив кафедры геоэкологии Санкт-Петербургского горного университета под руководством профессора М. А. Пашкевич.

История кафедры геоэкологии Горного университета насчитывает 37 лет и за это время она стала ведущей экологической кафедрой России. Кафедра оснащена самым современным научным оборудованием и программным обеспечением, которое позволяет проводить научные исследования в соответствии с международными стандартами и подготавливать высококвалифицированных специалистов в области экологии.

Экологическая подготовка инженерных кадров всех специальностей была начата Горным университетом одним из первых среди вузов Российской Федерации в 1978 году. В этом же году

I

Рис. 3. Передвижная лаборатория экологического мониторинга.

была создана кафедра Инженерной экологии, которая явилась прообразом кафедры Геоэкологии.

К 2004 году был накоплен значительный опыт в подготовке инженеров-экологов, создана научная база и квалифицированный кадровый состав, расширена область экологической подготовки, в связи с чем создается кафедра Геоэкологии как самостоятельная кафедра. В 2006 году в рамках инновационной образовательной программы закуплена передвижная экологическая лаборатория на базе автомобиля высокой проходимости Мерседес-Бенц (рис. 3).

В ходе полевых исследований (рис. 4), проведенных сотрудниками Центра коллективного пользования Горного университета, на территориях расположения горнопромышленных объектов, было выявлено следующее:

- заскладированные отходы разнообразны по своему составу и свойствам, содержат загрязняющие компоненты различной степени токсичности;

- функционирование хранилищ отходов определяет собой потенциальный, высокий и продолжительный риск загрязнения подземных и поверхностных вод, которые используются для питьевого водоснабжения, хозяйственно-бытовых и рыбохозяйственных нужд, ирригации;

- техногенные массивы представляют опасность загрязнения воздуха пылью и газообразными продуктами биохимического разложения отходов;

- помимо токсичности, ряд техногенных массивов отличается взрыво- и пожароопасностью;

- техногенные массивы могут представлять опасность загрязнения приповерхностного слоя, культивированных на нем растений, интоксикации людей и животных;

- техногенные массивы провоцируют негативные ландшафтные преобразования.

Процессы добычи и переработки минерального сырья, характерные для современного

Рис 4. Полевые

развития горного производства, связаны со значительным загрязнением атмосферного воздуха. Загрязнение атмосферного воздуха происходит в основном в результате пылевыделения с поверхностей техногенных массивов. Техногенные массивы характеризуются большими площадями и нарушенной поверхностью, на которой под воздействием атмосферных условий происходят процессы пылеобразования (в сутки с 1 га выносится от 2 до 5 т пыли), способствующие формированию атмохимических ореолов загрязнения.

Усредненные показатели удельного сдува-ния пыли с пылящих поверхностей при открытых горных работах приведены в таблице.

Существующие способы предотвращения пыления основаны либо на закреплении пылящих поверхностей с помощью экологически вредных химических веществ, либо на проведении посадки травянистых растений. Тем не менее, несмотря на большой объем и достигнутые успехи исследований, до настоящего времени комплексного экологически безопасного и биологически продуктивного метода обеспыливания не разработано.

Техногенные массивы представляют собой сложный набор химических элементов, которые при определенном соотношении природных и антропогенных факторов способны мигрировать в поверхностные и подземные воды. К основным источникам загрязнения гидросферы относятся жидкая фаза хвостов и временные водные потоки, выносящие загрязняющие компоненты с поверхности и тела техногенных массивов. Процесс загрязнения вод, протекающих под техногенными массивами, происходит в три стадии. Первая стадия соответствует инфильтра-

I. Отбор проб.

Таблица. Показатели сдувания пыли с пылящих поверхностей

ции атмосферных осадков, природных поверхностных и сточных вод через толщу отложений, слагающих техногенный массив и породы зоны аэрации. Степень изменения инфильтрующихся вод определяется их изначальным химическим составом, содержанием легко- и труднорастворимых соединений в породах, составом поглощающих катионов, сорбционной способностью пород в отношении загрязняющих компонентов. Первая стадия длится с начала инфильтрации вод через породы техногенного массива и зоны насыщения кислородом до установления равновесия между инфильтратом и породами.

Вторая стадия связана со смешением преобразованных инфильтрационных вод с фоновыми подземными водами. Отличительной чертой второй стадии процесса загрязнения подземных вод является формирование стабильного концентрационного поля.

Третья стадия характеризуется процессом переноса загрязняющих ингредиентов в водоносном пласте. На этой стадии происходит формирование и распространение гидрогеохимических ореолов загрязнения по площади и по вертикали водоносного пласта.

Как было отмечено выше, на территории функционирования техногенных массивов происходит полная трансформация подстилающих подземных вод, которые, разгружаясь

в поверхностные водоемы и водотоки, приводят к их загрязнению.

В настоящее время при проектировании и строительстве техногенных объектов предпринимаются различные меры по предотвращению загрязнения подземных вод. В частности, в основание техногенных массивов укладываются специальные изоляционные экраны из слоя водоупорных пород или пленки полимерного материала. Однако полного и достаточно длительного эффекта гидроизоляции хвостов в большинстве случаев не достигается [1]. Прослойка водоупорных пород, зачастую представленная глинами и суглинками, с годами теряет свою эффективность под влиянием естественных гидрогеологических процессов и сейсмичности, полимерные материалы рвутся под тяжестью складируемых на них отходов и под воздействием растений. При накоплении в хвостохранилище избыточного объема твердо-жидких отходов (пульпы) токсичные воды проникают под пленку гидроизолирующего материала. В подобных ситуациях происходят ин-фильтрационные потери жидкой фазы хвостов, которые приводят к загрязнению грунтов и пород, а затем и подземных вод.

Значительное количество пыли, выносимой с поверхности техногенных массивов, вызывает трансформацию химического состава прилегающих агроландшафтов. В зонах влияния техногенных массивов массовая концентрация загрязняющих веществ в почвах в сотни тысяч раз превышает значение фоновых концентраций, вызывая повреждения и гибель растений. Значительное накопление вредных веществ в почвенном покрове ведет к снижению продуктивности, к нарушению нормальных процессов роста и развития сельскохозяйственных культур, ухудшению гигиенического качества среды обитания, необратимым изменениям в живых организмах.

Техногенная пыль, попадающая в атмосферный воздух, содержит повышенное количество тяжелых металлов, таких, как железо, цинк, никель, хром, медь, свинец, марганец и др. В процессе техногенеза пыль, оседая на земную поверхность, постепенно накапливается в агроландшаф-

Место пыления Условия работы и характеристика объекта Удельное сдувание пыли при скоростях ветра

До 4 6-8 10

Поверхностные открытые склады Умеренно пыльные 0,4 18 100

Пыльные 0,6 25 200

Весьма пыльные 1,0 50 350

Поверхность породных отвалов Свеженасыпанный 1,0 9 15

Через 3 мес. после отсыпки 0,6 5 8

Поверхность хвостохранилищ Хвосты влажностью 2-4% 2,8 1300 400

То же, 4-6% 1,8 35 60

То же, 8-10% 1,2 12 25

тах региона и приводит к формированию в почвенном слое техногенных аномалий.

К наибольшему экономическому ущербу приводит воздействие техногенных массивов на сельскохозяйственные угодья. Так, с каждого гектара техногенного массива, сложенного из пород легкого механического состава, ежегодно выносится от 1000 до 1200 т пыли, при отложении которой на поверхность почвенного слоя толщиной 4-5 см наступает полная гибель всходов зерновых культур. Экономический ущерб от ухудшения качества почв и земель под воздействием антропогенных нагрузок выражается главным образом в снижении плодородности почв, загрязнении земель химическими веществами, снижении продуктивности (урожайности) запыленных земель.

Согласно проведенным исследованиям, превышение предельно допустимой концентрации пыли в воздухе в 2-5 раз приводит к потерям выращиваемой продукции на 6,5%, тогда как в районах воздействия техногенных массивов допустимые концентрации пыли в атмосферном воздухе превышены в сотни раз [4]. Опасность пыли, при воздействии на растения, в районах расположения техногенных массивов связана с ее химическим составом и размером частиц. Повышение концентрации химических элементов в сельскохозяйственных растениях в зоне влияния техногенных массивов указывает на необходимость разработки приемов, способствующих снижению поступления тяжелых металлов в растения и получению экологически чистой продукции растениеводства. Следует отметить, что токсическое действие загрязняющих веществ распространяются на почвенные организмы и приводит к уменьшению их численности и дальнейшему разрушению почвенного слоя в результате ветровой и водной эрозии.

Экологическая напряженность природной среды в зоне воздействия техногенных массивов непрерывно растет и территориально не ограничивается районом складирования отходов. Миграция загрязняющих компонентов с территории хранилищ отходов вследствие водной и ветровой эрозии провоцирует формирование атмо-, лито- и гидрогеохимических ореолов и по-

токов загрязнения. На сегодняшний день уровень развития науки и техники в большинстве случаев позволяет снизить экологическую нагрузку, создаваемую техногенными массивами на компоненты окружающей природной среды, однако данная проблема до сих пор остается нерешенной из-за несовершенной системы экологической ответственности в Российской Федерации. Таким образом, проблема безопасного складирования отходов добычи и переработки минерального сырья остается одной из наиболее актуальных проблем современности.

ПРИМЕЧАНИЕ

* Хвостохранилище — комплекс специальных сооружений и оборудования, предназначенный для хранения или захоронения отвальных отходов обогащения полезных ископаемых, именуемых хвостами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бекболотова А. К., Токтогулов А. Ж. Воздействие хво-стохранилищ на подземные воды горных районов // Изв. КГТУ им. И. Раззакова. Геология и экология. 2014. № 31. С. 415-417.

2. Большой толковый словарь русского языка / С. А. Кузнецов. СПб., 1998. URL: http://enc-dic.com/kuzhecov/ Jekologija-69276.html

3. Гальперин Ф. М., Ферстер В., Шеф Х. Ю. Техногенные массивы и охрана природных ресурсов: Учеб. пособие для вузов: В 2 т. Т. 1: Насыпные и намывные массивы. М., 2006.

4. Пашкевич М. А., Понурова И. К. Геоэкологические особенности техногенного загрязнения природных экосистем зоны воздействия хвостохранилищ Михайловского ГОКа // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 5. С. 349-356.

5. Пашкевич М. А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. СПб., 2000.

REFERENCES

1. Bekbolotova A. K., Toktogulov A. Zh.

2. Kuznetsov S. A.

3. Gal'perin F. M., Ferster V., Shef Kh. Iu.

4. Pashkevich M. A., Ponurova I. K.

5. Pashkevich M. A.