Применение методов географических информационных систем для картирования загрязнения почв и зон риска отравления свинцом п. Рудная Пристань

Дипломная работа Применение методов ГИС для картирования загрязнения почв и зон риска отравления свинцом п. Рудная Пристань

• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Краткое геоэкологическое описание поселка Рудная Пристань
• 1.2 История промышленного развития поселка Рудная Пристань
• 1.3 Общая характеристика производства
• 1.3.1 Пылеулавливание
• 1.3.2 Водоснабжение
• 1.3.3 Использование вторичного сырья
• 1.4 Физико-химические свойства свинца
• 1.5 Воздействие свинца на детский организм
• 1.6 Использование Географических Информационных Систем в экологии
• 2. Материалы и методы
• 2.1 Оценка отравления свинцом с помощью Интегрированной Биокинетической Модели Оценки Воздействия
• 2.2 Забор проб и проведение химического анализа для выявления свинца
• 2.3 Система ГПС (GPS)
• 2.3.1 Спутниковая трилатерация
• 2.3.2 Спутниковая дальнометрия
• 2.3.3 Точная временная привязка
• 2.3.4 Расположение спутников
• 2.3.5 Коррекция ошибок
• 2.3.6 Использование 12-канального переносного приемника ГПС «eTrex» фирмы «Garmin»
• 2.4 Использование метода экранного цифрования для создания векторных слоев пространственных данных
• 2.5 Компоновка карты
• 2.6 Кригинг
• 3. Результаты и обсуждения
• 3.1 Загрязнение свинцом почвы
• 3.2 Концентрация свинца в почве п. Рудная Пристань
• 3.3 Концентрация свинца в крови детей в п. Рудная Пристань
• Заключение
• Список литературы

Рудная Пристань — небольшой промышленный поселок городского типа в Дальнегорском районе на севере Приморского края, примерно 400 км на северо-восток от Владивостока. В поселке и в окрестных деревнях проживает около 5000 человек. Богатый полезными ископаемыми район в советское время интенсивно развивался по пути промышленного освоения недр и производства цветных металлов, бора и смежных отраслей. Градообразующим предприятием п. Рудная Пристань является свинцовоплавильный завод, где выплавляется свинец из руды, добываемой в г. Дальнегорске. При проектировании и эксплуатации завода не уделялось достаточно внимания аспектам экологической безопасности производства, вследствие чего весь поселок Рудная Пристань оказался чрезвычайно загрязнен соединениями тяжелых металлов, в первую очередь высокотоксичного свинца. Целью настоящей работы являлось использование методов географических информационных систем (ГИС) для составления карт загрязнения свинцом почв и зон риска отравления свинцом населения поселка городского типа Рудная Пристань. Для проведения настоящего исследования использовались данные загрязнения почв свинцом 1996, 1997, 2001 и 2003 гг. Результаты данной работы позволят представить общую картину риска отравления свинцом в поселке и найти меры по улучшению ситуации. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение методов кригинга ArcMap, ArcInfo8.3 для составления карт загрязнения среды в экологических исследованиях.

2. Определение концентрации свинца в пробах почвы и картофеля исследуемого района.

3. Составление векторных карт загрязнения свинцом почв и риска отравления свинцом населения поселка Рудная Пристань по данным 2003 года.

1. Обзор литературы

1.1 Краткое геоэкологическое описание поселка Рудная Пристань

Поселок Рудная Пристань находится в Приморском крае на юго-востоке России. Поселок располагается на берегу р. Рудная, впадающей в Японское море. Долина реки Рудной окружена горами Сихоте-Алинского хребта. Склоны гор в основном имеют уклон 20−25 градусов. По сравнению с верхней частью бассейна Рудной горы близ поселка характеризуются более низкими высотами, на уровне приблизительно 300 м. над уровнем моря. Холмы и горы вокруг Рудной Пристани покрыты лесом, а долина реки разнотравьем.

Множество мелких речек и ручьев являются притоками Рудной или впадают непосредственно в Японское море. Истоки реки Рудной лежат на проходе Скалистом, близ истока р. Большая Уссурка (Качур, 1996 — цит. по: Шаров 2002). Длина реки Рудной составляет 73 км, площадь ее бассейна равна 1 140 км². Среднее возвышение бассейна составляет 395 м (Качур, 1996 — цит. по: Sharov 2002). Это типичная горная река, но через исследуемый район она протекает уже со средней скоростью течения воды.

Весной уровень воды в реки Рудной незначительно повышается из-за таяния льда и снега. Повышение уровня воды начинается в конце марте, достигает максимума во время ледохода и составляет в среднем 0,5 — 1,4 м. Понижение уровня воды происходит в апреле и мае. Летом уровень может 2−8 раз последовательно подниматься, в основном около 0,5−1,4 метра, но в некоторые годы, доходя до 4 метров (Качур, 1996 — цит. по: Шаров 2002).

Рис. 1. Общий вид п. Рудная Пристань.

В исследуемом районе летом преобладают ветры дующие с запада на восток, а зимой с востока на запад. Летом, преобладающий ветер дует на северо-запад вверх по реке Рудной, или к северу. Зимой ветер преимущественно направлен к б. Рудная. Сильные ветра дуют меньше половины любого времени года. Однако наблюдается приземная воздушная инверсия, очень важная в промышленной зоне долины. При анализе движений воздуха в различные времена года было найдено что, поздним летом и ранней осенью ветер имеет наибольшую возможность для разноса загрязнений. Зимой, движения воздуха, переносят наименьшее количество загрязнений (Качур, 1996 — цит. по: Шаров 2002).

1.2 История промышленного развития поселка Рудная Пристань

Свинцовоплавильный завод в п. Рудная Пристань располагается примерно в 1,5 км от устья реки. Завод был основан в 1930 г. семьей Юла Бриннера (Рис. 5−6). Свинцовый завод горно-металлургического комплекса ОАО «Дальполиметалл» (СЗ ОАО «ГМК Дальполиметалл») является единственным предприятием в России, перерабатывающим сульфидное сырье, содержащее помимо свинца благородные металлы, серу и ряд примесей. ОАО «ГМК Дальполиметалл» является старейшиной горнорудной промышленности Приморского края. История становления и развития цветной металлургии Приморья началась в 90-х годах XIX века.

В 1897 г. экспедиция С. В. Масленникова, снаряженная купцом I гильдии Ю. И. Бринером, «застолбила» серебряно-свинцовое месторождение на севере Приморья. С этого времени проводились геологоразведочные, подготовительные работы. В 1907 г. началась разработка месторождения Верхнего и вывозка руды для продажи за границу. Рядом с рудником было построено деревянное здание обогатительной фабрики производительностью 8 т руды в час и рабочий поселок, который по экологическим причинам в 1913 г. был перенесен на новое место (туда, где сейчас находится центр г. Дальнегорск). В 1909 г. было создано Акционерное горнопромышленное общество. Вплоть до 1916 г. интенсивно разрабатывались открытым способом цинкосодержащие галмейные руды, сосредоточенные на верхних горизонтах месторождения. Добыча сульфидных руд, начатая в 1909 г., достигла заметных размеров лишь незадолго до первой мировой войны.

В 1923 г. Советское правительство объявило о сдаче в концессию Дальнегорских рудников. 8 июля 1924 г. был подписан договор с английской горнопромышленной корпорацией сроком на 36 лет с правом выкупа через 25 лет. Через два с половиной года после приема предприятия она должна была приступить к постройке свинцово-плавильного завода, а также предприятия по производству серной кислоты. Весной 1926 г. было заключено дополнительное соглашение о строительстве на сумму 1,5 млн руб. Свинцово-плавильный завод был построен в 1929 году в устье р. Рудной фирмой «Бринер и Ко» на концессионной основе с привлечением английского капитала и введен в эксплуатацию осенью 1930 г. Мощность свинцового завода определялась в 3000 т свинца и 6 т серебра в год.

Используя возможность применения богатых свинцовых концентратов, завод был рассчитан на получение свинца по методу горновой плавки, не требующей больших сооружений, энергетических и материальных затрат на подготовку сырья и выплавку свинца. В 1930 г. на заводе было установлено четыре плавильных горна Ньюнема, одна шахтная печь, отражательная печь для смягчения свинца, два рафинировочных котла емкостью по 35 т, две маленькие купеляционные печи и мешочный пылеуловитель. Все металлургические процессы от подготовки шихты до розлива металлов были основаны на тяжелом ручном труде в сильно загазованной и запыленной атмосфере. Таким образом, концессионеры только «снимали сливки» с производства (серебро составляло основу их интересов), большая часть свинца и других металлов уходила в шлаки и выбрасывалась с газами в атмосферу.

Одновременно с эксплуатацией Верхнего месторождения концессионеры вели разведочные работы на месторождении Нижний рудник (в настоящее время 2-й Советский). В период концессии велась выборочная отработка свинцово-цинковых руд, в результате чего в недрах было потеряно свыше полумиллиона тонн богатой свинцово-цинковой руды. Концессионеры всеми силами старались обойти условия договора, особенно это касалось обеспечения нормальных бытовых условий для трудящихся и соблюдения требований техники безопасности, в результате чего правительство приняло решение о расторжении договора с фирмой и организации советского предприятия. 3 января 1932 г. был подписан акт о передаче рудников и свинцового завода под управление полиметаллического комбината Цветметзолота на правах отдельного полиметаллического свинцово-серебряного рудника. Несколько позже он был переименован в Сихотэ-Алиньский государственный полиметаллический комбинат «Сихали» и перешел в ведение Главцветмета, а затем в систему Главного управления свинцово-цинковой промышленности Народного Комиссариата цветной металлургии СССР. Первым директором комбината был назначен Михаил Михайлович Кокшенов.

К моменту ликвидации концессии сырьевая база комбината состояла из одного месторождения — Верхнего. До 1917 г. силами предпринимателей и проспекторами из местного населения был открыт ряд месторождений (Ахобинское, Мало-Синанчинское, Кисинское). В 1932 г. на комбинате была создана своя геологическая служба. В последующие годы был открыт целый ряд месторождений, эксплуатация которых позволила предприятию значительно увеличить выпуск свинцовых и цинковых концентратов, рафинированного свинца.

В период Великой Отечественной войны комбинат значительно улучшил свою работу, обеспечивая народное хозяйство стратегическим сырьем. За годы войны производительность труда на предприятии возросла более чем на 30%, а объем выпуска металлов — на 15%. Каждая девятая пуля была из свинца, выплавлявшегося на заводе в п. Рудная Пристань. В послевоенные годы началось техническое перевооружение комбината, внедрение новой техники, совершенствование технологии добычи руды и проходки горных выработок (Шаров, 2002).

Дальнейший период развития плавильного завода характеризуется наращиванием мощности, ликвидацией ручного труда в максимально возможной степени, механизацией и автоматизацией производственных процессов. За все время работы завод непрерывно расширялся, реконструировался (частично), внедрялись новые, более современные технологии по рафинированию свинца, выпуску новых видов продукции. Так, например, в 1967 г. была внедрена современная технология электротермической переработки серебристой пены, в 1974 г. завод освоил процесс получения металлического висмута.

В 70-е гг. мощность завода определялась: 13 000 т рафинированного свинца марок С1 и С2; 50 т металлического висмута марки Ви1; 30 т серебра в сплаве в год. В 1972 г. рафинированному свинцу, выпускаемому на заводе, присвоен Государственный знак качества. Расцвет предприятия пришелся на 70−80е годы. Максимальный выпуск продукции в этот период составлял 16 000 т свинца рафинированного, 160 т висмута, более 20 т серебряно-золотого сплава в год.

Экономический кризис 90-х не обошел завод. К концу 90-х объем выпуска продукции по сравнению с 80-ми снизился в несколько раз и едва дотягивал до 7 тыс. т /г, оказалось разграбленным висмутовое отделение, кокса не хватало, завод неделями простаивал. В феврале 1994 г. загорелся один из корпусов завода, были уничтожены все энергообеспечивающие агрегаты. Несколько месяцев пока не было установлено новое оборудование и отремонтированы цеха завод стоял. Прямые убытки от пожара и косвенные от невыпущенной продукции составили миллионы руб. Одна из причин возгорания состоит в том, что большая часть технических устройств и сооружений отработала нормативный срок службы, их конструкции и состояние не соответствует современным нормам промышленной безопасности. Основные здания и сооружения довоенной постройки устарели, как морально, так и физически.

Заключение

экспертизы промышленной безопасности отрицательно для всех объектов. В 80-х гг. началось строительство корпуса цеха по переработке свинцовых концентратов методом содовой электроплавки, которое остановилось после распада СССР. До 1999 г. свинцовый завод входил в состав ОАО «Дальполиметалл». С 1 января 1999 г. завод преобразован в самостоятельное предприятие ЗАО «Свинцовый завод — Дальполиметалл», учредителями которого являются ОАО «Дальполиметалл» и компания «Дальневосточная мануфактура». В 1999 г. общая добыча товарной руды составила 775,5 тыс. т, свинца — 13 872 т, цинка — 25 812 т. Завод начал наращивать производство, была налажена выплавка рафинированного свинца, висмута, серебра. По сравнению с 1998 г. за 11 месяцев 2000 г. объем продукции возрос в 2,5 раза. В 2002 г. по сравнению с 2001 г. на заводе увеличилась выплавка чернового свинца на 800 т и на 900 т — рафинированного (Шаров, 2002).

1.3 Общая характеристика производства

Компания ОАО «Дальполиметалл» расположена в Дальнегорском районе, включает три рудника, обогатительную фабрику, транспортный цех, геологоразведочную экспедицию, стивидорный цех и цех вспомогательного производства. Основное производство сосредоточено узкой полосой в долине р. Рудной от ее первых притоков до устья (бухты Рудной), где находится плавильный завод.

Свинцовый концентрат, поставляемый на завод, получают из руд основных месторождений района. Главные минералы комплексных руд — галенит и сфалерит; второстепенные — арсенопирит, халькопирит, пирротин, пирит. Руда добывается на рудниках: Николаевском, 2-м Советском с участком Южным и Верхнем с участком Майминовским. Содержание свинца в руде составляет 2 — 94%. По данным геологоразведочных работ предприятие обеспечено минерально-сырьевыми ресурсами на период до 2020 г. Наиболее благополучными в этом отношении являются месторождения Николаевское, Южное и Майминовское. В районе деятельности предприятия имеется ряд перспективных рудных полей, требующих проведения поисковых и поисково-оценочных работ, прорабатываются варианты эксплуатации Красногорского и Каменского месторождений. Закрылись Ахобинский, Садовый, Приморский, 1-й и 3-й Советский рудники. Отработанные месторождения консервируются, опасные участки и выходы бетонируются; отвалы должны пройти рекультивацию и быть задернованы (что не выполняется) (Шаров, 2002).

Транспортировка руды на обогащение производится по железной дороге (с Верхнего и Николаевского рудников) и автотранспортом (с Южного и Майминовского участков). Ежегодно на центральной обогатительной фабрике перерабатываются миллионы тонн руды. Концентрат в размере около 24 300 т/г поступает на завод для переплавки (табл. 5). Таким образом, завод перерабатывает только 30% получаемого концентрата; остальная часть, а также все цинковые концентраты поставляются морским путем заказчикам.

Сульфидные свинцовые концентраты обогатительной фабрики поступают на завод по железной дороге в вагонах емкостью по 1,6 м³. Ежемесячно пробы концентрата анализируются на Zn, Pb, Cu, Bi, Sb, As, SiO₂, CaO, Al₂O₃, Fe, S, а каждую смену — только на Pb, Cu, Zn, Fe. Влажность концентрата не должна превышать 8% .

Свинцовые концентраты привозятся на завод в вагонах железнодорожным путем и грузовыми автомобилями «КАМАЗ» и складируются на площади в 100 м². По данным СЗ ОАО «Дальполиметалл» ежегодно автотранспортом завозится 11,96 тыс. т концентрата, 4,95 тыс. т кокса, 950 т дизтоплива.

Площадь территории, занимаемой заводом примерно 700 м x 400 м. Свинцовый завод горно-металлургического комплекса ОАО «Дальполиметалл» имеет следующие основные объекты:

­ отделение шихтподготовки,

­ агломерационное отделение,

­ отделение горновых ванн и шахтной печи,

­ рафинировочное отделение,

­ цех по производству висмута.

Также завод имеет мехмастерскую, столярную мастерскую, кузницу, котельную и быткомбинат. Шламохранилище плавильного завода площадью 10 тыс. м² расположено на промплощадке завода (Шаров, 2002).

Техническое оборудование завода было произведено в период с 1935 по 1973 гг. Так, в частности: шахтная печь изготовлена силами работников завода в 1940 г., мешковый пылеуловитель — в 1935/59 гг., установка для приготовления шихты — в 1957 г.; рафинировочные котлы изготовлены на Барнаульском котельном заводе в 1954 г., горновая печь поступила с завода ВНИИПТМАШ в 1971 г. Устаревшее оборудование постепенно заменяется новым.

На производстве занято 270 человек, из них 120 плавильщиков. Четырьмя рабочими сменами по 6 часов каждая обеспечивается непрерывный процесс выплавки свинца. Рабочие обеспечиваются спецодеждой и респираторами типа «Лепесток-5».

В настоящее время на заводе производится свинец рафинированный с содержанием свинца 99,992%, висмут металлический с содержанием висмута 99,1%, серебряно-золотой сплав и медный штейн. В качестве сырья используется свинцовый концентрат ОАО «Дальполиметалл», висмутовая лигатура, поставляемая другими предприятиями России (ранее лигатура поставлялась также из-за пределов СССР), лом аккумуляторных батарей. Ежегодная выплавка свинца составляет в среднем 10 тыс. т.

Свинцовые и цинковые концентраты, выпускаемые предприятиями ОАО «ГМК Дальполиметалл», транспортируются на металлургические заводы стран АТР. Рафинированный свинец марок С₁ и С₂ поставляется на аккумуляторный завод в г. Комсомольск-на-Амуре, а также на кабельные заводы и другие предприятия городов России (Тюмень и Иркутск). Свинцовая продукция не экспортируется.

ОАО «ГМК Дальполиметалл» — ведущее предприятие края по добыче и переработке свинцово-цинковых руд. Экономическое значение комплекса трудно переоценить: ОАО «ГМК Дальполиметалл» обеспечивает в сырьевом балансе России добычу 75% свинца. Завод является градообразующим предприятием, обеспечивающим работой местных жителей, а также одним из старейших предприятий металлургической отрасли России.

1.3.1 Пылеулавливание

Технологические газы горнов, шахтной печи, электропечи, купеляционных печей, вентиляционные газы шихто-смесительного барабана и сброс пневмотранспорта сведены в общую систему газоотходов и подвергаются очистке от пыли в мешковом пылеуловителе. Общее количество газа, поступающее в мешковый пылеуловитель, составляет 50−90 тыс. м³/час. Температура газа на входе в мешковый пылеуловитель не должна превышать 90^оС.

Мешковый фильтр состоит из 14 секций (камер). В каждой секции имеется 80 рукавов из ткани (в советское время использовалось специальное сукно, в настоящее время применяется нейлон и оксалон), которая периодически заменяется новой. Длина рукава 8,8 м, О 450 мм. Общая фильтрующая поверхность всех рукавов составляет 13 000 м². Предельная нагрузка по газу для данного типа пылеуловителей составляет 0,35 м³/м² мин.

Запыленность газа в мешковом пылеуловителе контролируется пылегазовой лабораторией и не должна превышать 30 мг/м³. Также ежесуточно снимаются пробы очищенных газов, содержания техногенных элементов в которых не должны превышать установленные ПДК.

Мешковый пылеуловитель работает под разряжением. Газ в объеме 90 000 м³/ час дымососом нагнетается в коллектор и равномерно разделяется по камерам. Проходя сквозь рукава, он очищается от пыли и хвостовым дымососом выбрасывается в атмосферу. Нагрузка на дымососах регулируется таким образом, чтобы разрежение в бункерах камер было не менее 5−10 мм. вод. ст. Раз в течение часа камеры (секции) поочередно перекрываются на входе и выходе и включается механизм встряхивания рукавов. Рукава встряхиваются 40−60 раз в течение одной минуты. Из бункеров камер пыль через течки подается на сборные шнеки, которые транспортируют пыль в приемный бункер. Из бункера пыль подается в систему пневмотранспорта.

Пневмотранспорт осуществляет уборку пыли из мешкового пылеуловителя и нижнего газохода. Каждая из ветвей пневмотранспорта пыли имеет самостоятельный вентилятор высокого давления с циклом для улавливания осевшей пыли в пневмопроходе и вибратор на пылевом бункере.

Пыль из верхнего газоотхода (О 2 м) убирается шнеками, откуда транспортируется до расходного бункера шихтоподготовочного отделения.

Уборка пыли из верхнего и нижнего газоходов и пневмотранспорт пыли из бункеров мешкового пылеуловителя осуществляются автоматически четыре раза в сутки. Датчики нижнего уровня пыли в расходных бункерах горнового отделения запускают вентилятор соответствующего пневмопровода. После достижения в трубопроводе необходимой скорости воздуха включается автоматический питатель на выдачу пыли в трубопровод. При наполнении бункера пылью датчик верхнего уровня останавливает питатель и затем, с выдержкой в 1 мин, необходимой для предотвращения осаждения пыли в трубопроводе, останавливает вентилятор.

Данная система фильтров позволяет уловленную пыль использовать в процессе выплавки свинца. При этом оборотными становятся крупные фракции пыли. Необходимо отметить, что испарение свинца начинается уже при 400^оС и происходит на всех этапах его получения, рафинирования и при переплавке. Образующиеся при этом мелкодисперсные частицы, содержащие Pb, не улавливаются существующей на заводе системой очистки и выбрасываются в атмосферу, поэтому не обеспечивается очистка газов до санитарных норм (запыленность на выходе в атмосферу составляет 15−30 мг/м³). Другим недостаткам рукавного фильтра являются неэффективная система регенерации фильтроткани — простое встряхивание (Шаров, 2002).

1.3.2 Водоснабжение

Производственное водоснабжение осуществляется от насосной (мощность 200−300 м³/ч) оборотного водоснабжения, расположенной на территории завода. Средний расход воды составляет 80−100 м³/ч, в том числе: для кессонов горных печей — 5 м³/ч, кессонов шахтной печи — 10 м³/ч, для грануляции шлаков — 25 м³/ч, охлаждения и грубой очистки газов шахтной печи — 4 м³/ч. Вода, охлаждающая кессоны горнов и шахтной печи, поступает в технический пруд, откуда снова используется для охлаждения, т. е. является оборотной. Вода от всех металлургических агрегатов через отстойники поступает в пруд оборотного водоснабжения, излишки воды из пруда сбрасываются через дамбу в естественный пруд, оттуда в реку Рудная и затем в Японское море. Оборотное водоснабжение позволяет более экономично и экологично использовать природные воды (Шаров, 2002).

экология информационный загрязнение свинец

1.3.3 Использование вторичного сырья

В 1999 г завод заключил договор с воинской частью 25 029 № 704/5/1510 на поставку аккумуляторных батарей. Ежегодно из аккумуляторного лома выплавляется 1600 — 1700 тонн чернового свинца, что составляет более 10% от годовой производительности веркблея. В течение 1999 — 2000 годов завод получил лом общим весом металлов приблизительно 5363 тонн. В среднем в год перерабатывается 2185,3 т отработанных аккумуляторов.

Аккумуляторные батареи завозятся автомобильным, ж/д и морским транспортом. Батареи передаются без электролита, который сливается и нейтрализуется непосредственно у заказчика. Нужно отметить, что 1/3 часть батарей поставляются в корпусах. При транспортировке аккумуляторов морским путем во избежание пожара, батареи в корпусах заполняются морской водой на треть корпуса, при этом остаточная серная кислота переходит в раствор.

Участок по хранению и переработке лома аккумуляторов (10 500 м²) расположен на территории свинцового завода ОАО «Дальполиметалл». На данном участке располагается накопительная площадка аккумуляторных батарей, узел нейтрализации остаточного раствора электролита, помещение для разделки аккумуляторного лома типа «ангар».

Поступающие батареи в корпусах складируются на площадке, аккумуляторы без корпусов — завозятся в цех разделки после слива раствора в узел нейтрализации.

Корпуса заполнены не полностью, примерный объем жидкости в аккумуляторных батареях составляет 100 л с содержанием серной кислоты в растворе — 2,88% или 29,4 г/л. Кислоту нейтрализуют кальцинированной содой, которая тарирована в контейнерах по 1 т и хранится на складе. При нейтрализации раствора кальцинированной содой протекает реакция:

Ca (OH)₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2H₂O

Процесс реакции вредными выделениями в атмосферу не сопровождается. В процессе нейтрализации образуется шлам в массе около 4,26 кг на 100 л раствора, содержащего серную кислоту.

После нейтрализации производится контроль pH жидкой фазы, которая, имея нейтральную реакцию, сливается в пруд оборотного водоснабжения. Твердая фаза (шлам) выгребается в бочки и вывозится на шлаковое поле свинцового завода. Шламохранилище находится рядом с отделением горновой и шахтной плавки. При захоронении шлама выкапывается яма, в нее помещается шлам, далее засыпается и укатывается погрузмашиной. Такой метод захоронения предотвращает загрязнение окружающей среды

С металлоплощадки аккумуляторы завозятся в помещение, где производится разделка (отделение от корпуса с последующим разделением свинцовой пасты и меди и латуни). Пластины в сборе выбиваются кувалдой из текстолитового корпуса аккумуляторов, либо корпуса разрезаются электропилой. После этого производится разделение батарей на медные пластины и свинцовую пасту. Образующаяся в процессе разделки пыль в атмосферу не поступает. Свинцовая паста отделяется от решеток пластин аккумуляторного лома на вращающейся установке и поступает в отделение шахтной печи. Работы осуществляются непрерывно, по мере поступления партий аккумуляторов.

Аккумуляторный лом представляет собой отходы III и V класса опасности. Таким образом, использование отработанных батарей в собственном свинцовом производстве способствует вовлечению в промышленный оборот тысяч тонн безвозвратно теряемого металла в составе аккумуляторного лома, который размещается на свалках и вызывает загрязнение окружающей среды.

Также на территории свинцового завода идет накопление собственного черного лома (сталь, чугун). Часть чугуна отправляется на переплавку в центральный механический цех ОАО «Дальполиметалл», остальной стальной лом продается потребителям (Шаров, 2002).

1.4 Физико-химические свойства свинца

Свинец (Plumbum) Pb — элемент IVА группы 6-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 82, атомная масса 207,19. Свинец принадлежит к группе тяжелых металлов, куда относят металлы, имеющие плотность более 4,5 г/см (за исключением редких и благородных), — медь, цинк, никель, кадмий, железо, ртуть, хром и др.

В природе свинца сравнительно немного — 0,0016% от массы земной коры или 15 мг/кг. При содержании Pb в почвах, равном 1,2×10^-3 %, в организмах в среднем находится 10^-6 % Pb на живой вес (Войнар, 1960). В течение последних нескольких столетий, концентрация свинца в наземных, пресноводных и морских организмах увеличилась в 20 раз и в настоящее время составляет примерно 0,1 мг/кг сырого вещества (Герлах, 1985). Незагрязненные морские воды содержат около 0,002 мкг свинца на 1 л (около 5×10^-7 %); поверхностные воды суши — не более 3 мкг/л. Общее количество свинца в Мировом океане составляет 2,8×10⁶ т. Атмосфера в среднем содержит 0,0006 мкг/м³.

Чистый свинец — серебристо-белый металл, однако на воздухе быстро покрывается синевато-серым налетом. Это мягкий, ковкий, тяжелый (при температуре 20^о C, плотность 11,34 г/см³) металл, способный под давлением (200 кг на 1 см²) течь сквозь тонкие отверстия. Сравнительная легкость получения свинца из руд объясняется низкой температурой плавления (327,4^о С). Плотность при этой температуре составляет 10,686 г/см³. Температура кипения 1525^оC. Средняя теплоемкость свинца — 0,0408 кал/г^оC. Теплопроводность от 0^о до 2000^оC. Свинец обладает высокой пластичностью выше 300^о C, что используют для изготовления оболочек кабелей, выдавливания проволоки и трубок, а также в запорных устройствах водопроводных сетей. Свинец в три раза более вязок, чем вода. Плохо проводит электрический ток (Гудима, Шейн, 1975)

При рассмотрении химических свойств свинца обращают на себя внимание многочисленные контрасты. Так, свинец хорошо, по сравнению с железом, цинком и оловом, сопротивляется действию крепких соляной и серной кислот (хотя горячая серная кислота реагирует с Pb энергично) и в то же время растворим в слабой уксусной и других органических кислотах, почти не действующих на эти металлы. Свинец хорошо растворим в азотной кислоте. На воздухе свинец быстро образует компактную адгезионную пленку оксидов, защищающую его от дальнейшего окисления. Хотя Pb нерастворим в чистой воде при обычной температуре, он растворим в воде, насыщенной кислородом. Поэтому свинец непригоден для трубопроводов с питьевой водой. При соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующего дальнейшему действию воды и образованию гидроксида. Все растворимые в воде соединения свинца ядовиты. При нагревании свинец окисляется, взаимодействует с большинством неметаллов. При действии сернистого газа на свинец образуется PbS. При высокой температуре свинец взаимодействует с водными растворами щелочей и является сильным восстановителем.

1.5 Воздействие свинца на детский организм

Отравления свинцом у детей является огромной проблемой во всем мире. Результаты расчетов риска свидетельствуют, что 44% детей в городах России могут иметь изменения в состоянии здоровья, обусловленные действием свинца. Интоксикация свинцом опасна не только непосредственными клиническими проявлениями, но и отдаленными последствиями в форме нарушения высших психических функций вплоть до нарушения социальной адаптации. В США ежегодно регистрируется свыше 250 тысяч случаев снижения умственного развития детей в результате вредного действия свинца (Ливанов и др, 1998).

Основными источниками загрязнения окружающей среды свинцом являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературные технологические процессы (сжигание каменного угля, нефти и бензина, добыча и переработка металла). Наиболее высокое содержание свинца отмечается в городах с плавильными производствами, а так же вблизи аккумуляторных заводов. На сегодняшний день автотранспорт не представляет столь серьезную опасность в России, как в других странах, однако в ближайшее время можно ожидать увеличения эмиссии свинца с выхлопными газами автотранспорта.

Люди могут подвергаться воздействию свинца при потреблении загрязненных воды и пищи, а так же при дыхании. Кроме того, дети могут получать свинец через грудное молоко, краски, а так же через продукты, не предназначенные для питания (игрушки, предметы быта). Еще один источник поступления свинца в организм — керамическая посуда, содержащая свинец. Свинец характеризуется широким спектром вызываемых им токсических эффектов. Механизм его действия обусловлен ингибированием ферментов детоксикации. Таким образом, воздействие приводит к нарушению ряда функций митохондриальных или цитозольных ферментов (гемосинтетазы, копропорфириногеноксигеназы, омегааминолевулинатдегидрогеназы); свинец угнетает образование и цитихромов Р-450 и цитохромоксидазы (Ливанов и др, 1998).

Несмотря на то, что все соединения свинца действуют в общем сходно, их располагают по убывающей токсичности следующим образом: нитрат > хлорид > карбонат > ортофосфат.

В картине свинцового отравления можно выделить ряд клинических синдромов:

1. Изменения со стороны нервной системы включают в себя:

а) астенический синдром — функциональные расстройства ЦНС (головные боли, утомляемость, ухудшение памяти и т. п.);

б) энцефалопатии — от головных болей и эпилептических припадков до «свинцовых менингитов» и нарушений речевой и слуховой функций.

2. Изменения состава крови — от ретикулоцитоза, анизоцитоза и микроцитоза до свинцовой анемии, чаще олигохромной.

3. Эндокринные и обменные нарушения — ферментативные расстройства, нарушения обмена порфиринов, менструальной и детородной функций.

4. Изменения со стороны желудочно-кишечного тракта (от тошноты и изжога до «свинцовых» колик).

5. Изменения со стороны сердечно-сосудистой системы — синусовая брадикардия, тахикардия, вазоневроз.

6. Нарушения функции почек (поражения почечных канальцев, характеризующихся триадой Фанкони — аминоацидурия, гиперфосфатурня, глюкозурия) (Ливанов и др, 1998).

Особо следует отметить, что дети значительно легче, чем взрослые, аккумулируют свинец и потому относятся к группе высокого риска в отношении свинцовых интоксикаций. Повышенная чувствительность ребенка к воздействию свинца объясняется такими особенностями детского организма, как:

1. Существование критических периодов развития нервной, иммунной, репродуктивной систем и метаболизма, когда чувствительность организма к действию антропогенов значительно повышается;

2. Незрелость ряда ферментных систем детоксикации и процессов обмена, ограниченные функциональные возможности печени и почек, направленные на удаление ксенобиотиков (аутодетоксикация);

3. Постепенное становление и развитие иммунной системы, которое может быть нарушено под влиянием экотоксинов, что приводит к позднему иммунологическому «старту» детей, возникновению малых нарушений иммунной системы, развитию вторичной иммунологической недостаточности;

4. Интенсивные процессы формирования межнейронных связей в мозгу и миелинизации нейронов (Ливанов и др, 1998).

Следует учитывать, что сегодня в России воздействие свинца происходит на фоне недостаточного питания детей (дефицит белков, витаминов, конкурентно активных микроэлементов), что усиливает токсический эффект этого вещества.

Процесс развития клинической картины интоксикации свинцом может протекать довольно долго поэтому чрезвычайно важно, не дожидаясь тяжелых проявлений выявить тенденцию к заболеванию. При этом каждый критерий должен быть информативным, а так же технически и экономически приемлемым как для индивидуальных, так и для массовых осмотров (Ливанов и др, 1998).

В таблице 1, приведены клинические проявления, и необходимые действия при различных концентрациях свинца в крови детей.

Таблица 1. Основные клинические проявления и объем медицинской помощи при различных концентрациях свинца в крови (Ливанов и др, 1998)

Основу успешного лечения детей с повышенным содержанием свинца в крови составляет диетотерапия. Помимо специфической направленности, диетотерапия позволяет повысить устойчивость организма к действию экологически вредного фактора.

Таблица 2. Возможности диетической фармакологии при повышенном содержании свинца в крови (Ливанов и др, 1998).

Целью лечебного питания в условиях загрязнения окружающей среда свинцом является повышение антитоксических функций организма и усиление выведения ксенобиотика из организма. Характер питания должен способствовать восполнению потерь кальция, магния, поддерживать достаточный уровень железа. Пища должна содержать оптимальное количество витаминов В1, В2, А, бета-каротина.

Зная основные свойства продуктов питания, их с успехом можно использовать как средство коррекции экопатологических состояний. Питание детей с повышенным содержанием свинца должно быть полноценным по количеству и составу белков. Не менее ¼ всего белка следует давать в виде кисломолочных продуктов, кислая среда которых улучшает всасывание железа, кальция и фосфора, повышает активность кишечных ферментов и предупреждает развитие дисбактериозной реакции при контакте с токсикантом. Белки рыбы лучше усваиваются, чем белки мяса. Блюда из морской рыбы богаты микроэлементами, в том числе металлами антагонистами свинца, в основном медью. В качестве носителей редких микроэлементов применяют другие продукты моря — мидии, креветки, кальмары (Ливанов и др, 1998).

1.6 Использование Географических Информационных Систем в экологии

В экологии часто необходимо использовать данные, которые носят пространственный характер, это могут быть, например типы флоры и фауны, ареалы обитания различных организмов, виды почв, степень загрязненности атмосферы выбросами химического предприятия и многое другое.

Пространственные данные хранят геометрическое положение географических объектов совместно с атрибутивной информацией, которая описывает их — что, собственно, представляют собой эти объекты. Пространственные данные хранятся в векторных или растровых структурах данных, а относящаяся к ним атрибутивная информация — в наборах таблиц, географически связанных с объектами, которые они описывают. Такая структура известна под названием геореляционной структуры данных. Векторные пространственные данные удобно организовывать по тематическим признакам в различные слои, или темы. Для каждого набора однотипных географических объектов или явлений может быть задана своя тема, к которой может быть привязана разнообразная сопутствующая информация. Например, информацию по гидросети, распределению земельных участков, рельефу и застройке можно хранить в виде отдельных пространственных наборов данных вместо того, чтобы накапливать ее в одном месте, что позволяет легко организовывать и манипулировать данными, в особенности в случаях, когда требуется провести пространственный анализ или установить взаимоотношения между географическими объектами.

Для работы с пространственными данными в экологии применяются методы дистанционного зондирования (аэрофотосъемка и космическое фотографирование), приборы глобального позиционирования (устройства для точного определения координат точки на местности с помощью спутников) и географические информационные системы (специальные компьютерные программы для анализа и представления пространственных данных).

Появление географических информационных систем относят к начало 60-х годов двадцатого века. Именно тогда сложились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделированием географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка базировалась на исследованиях университетов, академических учреждений, оборонных ведомств и картографических служб.

Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах — как geographic information system и как geographical information system. Очень скоро от также получил сокращенное наименование GIS. Чуть позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: официально-парадной — «географическая информационная система» и редуцированной — «геоинформационная система» или «ГИС» (Тикунов, 2004).

Исследование экологические значимых показателей состоянии природы требует не только высокоточной измерительной техникик, но также и постоянного сопоставления вновь получаемой информации с архивами наукоемких материалов об истории процессов происходящих на территории исследуемого района.

2. Материалы и методы

2.1 Оценка отравления свинцом с помощью Интегрированной Биокинетической Модели Оценки Воздействия

Для того чтобы полностью представлять себе ситуацию в Рудной Пристани необходимо произвести полную оценку отравления свинцом в районе. В идеальном случае, следовало бы провести полномасштабное медицинское обследование детей в Рудной пристани с измерением уровня содержания свинца в крови. Однако, такое обследование на данный момент не представляется возможным и данные о содержании свинца в крови отсутствуют. Вместо этого в рамках настоящей работы возможно произвести оценку таких данных используя имеющуюся информацию о загрязнении среды и Интегрированную Биокинетическую Модель Оценки Воздействия (Integrated Exposure Uptake Biokinetic (IEUBK) Model).

Модель IEUBK была создана в Соединенных Штатах Америки, с целью предсказывать содержание свинца в крови детей на основе данных загрязнения среды. Это компьютерная программа соединяющая воедино оценки поступления свинца в организм ребенка из воздуха, воды, почвы, пыли, продуктов питания с моделью абсорбции свинца в легких, желудочно-кишечном тракте и биокинетической моделью распределения свинца в организме способна оценивать наиболее вероятный уровень содержания свинца в крови детей в возрасте от 6 до 84 месяцев. Модель была разработана для оценки здоровья детей поскольку они более чем взрослые чувствительны к отравлению свинцом, которое может привести к тяжким последствиям (Sharov, 2002).

2.2 Забор проб и проведение химического анализа для выявления свинца

Для отбора проб были предприняты поездки в п. Рудная Пристань. При исследовании содержания свинца в почвах, исследовалась его подвижная кислоторастворимая фракция. Проба почвы массой 5 г, взятая из поверхностного слоя почвы, помещалась в колбу объемом 100 мл. К пробе добавлялось 50 мл 1 н HNO₃ после чего содержимое колбы перемешивалось и настаивалось в течение суток. Вытяжка фильтровалась через складчатый фильтр и проводился анализ фильтрата атомно-абсорбционным методом (Соболев и др, 2001).

Подготовка (минерализация) проб картофеля к атомно-абсорбционному анализу проводилась методом кислотной обработки концентрированной HNO₃. Картофель тщательно отмывался щеткой от остатков земли, очищался, нарезался на мелкие кусочки. После сушки картофель истирали до пылеобразного порошка. Навеску в 1 г засыпали в колбы с широким горлом, заливали 10 мл концентрированной азотной кислоты и нагревали на плитке до испарения жидкости. Оставшиеся соли разбавляли однонормальной азотной кислотой и выливали в пенициллинки (Зырин, Малахов, 1981).

Определение проводилось на атомно-абсорбционном пламенно-эмиссионном спектрофотометре «Shimadzu» AA-6601 °F (Шаров, 2005).

2.3 Система ГПС (GPS)

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

Первый ГПС-спутник был запущен в феврале 1978 г. Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика — не более 50 ватт. Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские ГПС-приемники используют частоту «L1», равную 1575.42 МГц. Основы системы ГПС можно разбить на пять основных подпунктов:

1. Спутниковая трилатерация — основа системы.

2. Спутниковая дальнометрия — измерение расстояний до спутников.

3. Точная временная привязка — зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат.

4. Расположение спутников — определение точного положения спутников в космосе.

5. Коррекция ошибок — учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере.

2.3.1 Спутниковая трилатерация

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Если расстояние от одного спутника известно, то вокруг него можно описать сферу заданного радиуса. Если известно расстояние до второго спутника то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер. Третий спутник определяет две точки на окружности.

Рис. 2. Схема спутниковой трилатерации Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

2.3.2 Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код. Каждый спутник ГПС передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. «Точный» или P-код может быть зашифрован для военных целей. «Грубый» или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с ГПС системами.

Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300 000 км/с) даёт искомое расстояние.

Рис. 3. Схема определения временной задержки спутникового сигнала Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

2.3.3 Точная временная привязка

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый ГПС приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы.

Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников.

Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг, описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться.

Рис. 4. Определение трехмерных координат объекта с помощью четырех спутников.

Если требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

2.3.4 Расположение спутников

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20 200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55°, расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Рис. 5. Двадцать четыре спутника GPS