В последние десятилетия потребности общества в минеральных удобрениях и других химических продуктах, увеличивающих рост сельскохозяйственной продукции, привели к созданию ряда новых предприятий по производству минеральных удобрений. К числу таких предприятий относится и Россошанский химический комбинат (АО" Ми-нудобрения" г. Россошь), введенный в эксплуатацию в 1976 году. Расширение сети химических комбинатов привело к значительному росту техногенной нагрузки на природную среду. В связи с чем, весьма остро встали проблемы, связанные с охраной окружающей среды и геологической среды, в частности. Актуальными становятся вопросы применения новых комплексных методов разрешения проблемных ситуаций, связанных с ростом техногенной нагрузки на геологическую среду.
Решение данных проблем наиболее перспективно в рамках изучения взаимодействующих природных и техногенных объектов в качестве единой природно-технической системы (ПТС). Такой подход позволяет учитывать интересы и производства, и общества (с точки зрения защиты окружающей среды).
Поскольку функционирование крупного промышленного предприятия ориентировано на длительный срок (несколько десятилетий), то и наблюдения за его взаимодействием с геологической средой также должны проводиться в течении всего срока эксплуатации. Продолжительные комплекные наблюдения могут успешно проводиться в рамках мониторинга природно-технических систем.
Данная работа посвящена оценке техногенных изменений геологической среды под влиянием эксплуатации Россошанского химкомбината (АО «Нинудобрения»), — их интенсивности, характеру, направленности, а также обоснованию мониторинга такой природно-технической системы как «Россошанский химкомбинат — геологическая среда» и ее важнейшему компоненту — подземным водам.
При этом основными задачами являлись:
— анализ материалов по организации мониторинга и системным исследованиям;
— анализ геолого-гидрогеологических условий исследуемой территории ;
— анализ техногенных условий территории;
— проведение наблюдений и оценка результатов наблюдений за состоянием геологической среды и техногенных объектов в ПТС «Россошанский химкомбинат — геологическая среда» ;
— прогнозирование изменений гидрогеологических условий в результате дальнейшей эксплуатации комбината;
— проведение системного анализа изучаемых объектов и совершенствование методики системных исследований ПТС типа «химкомбинаты по производству минеральных удобрений — геологическая среда» ;
— совершенствование методики организации мониторинга ПТС локального уровня на основе структурных моделей ПТС;
— разработка первичных управленческих мероприятий;
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ включала:
1. Сбор, систематизацию и анализ фактического материала для оценки состояния геологической среды территории на период строительства комбината;
2. Оценку техногенных условий территории;
3. Проведение комплекса геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических, геохимических и гидрогеохимических исследований.
4. Оценку техногенных изменений геологической среды в условиях эксплуатации Россошанского химкомбината;
5. Анализ процессов формирования химсостава подземных вод;
6. Проведение режимных наблюдений за состоянием геологической среды;
7. Прогнозирование изменений гидрогеологических условий в связи с дальнейшей эксплуатацией Россошанского химкомбината;
8. Анализ материалов по системным исследованиям и их адаптация при обосновании мониторинга ПТС «Россошанский химкомбинат геологическая среда» .
Основой данной диссертации послужил авторский многолетний опыт комплексных геоэкологических исследований района АО «Мину-добрения» г. Россошь. Работы проводились в рамках большой научно-исследовательской темы: «Литомониторинг на промплощадке Россошанского химического комбината», выполнявшейся с июля 1986 года и включавшей в себя комплекс геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических, геохимических, гидрогеохимических и геодезических наблюдений за состоянием природных (преимущественно геологических) и техногенных объектов.
Первые главы диссертации посвящены характеристике природных и техногенных условий территории исследованийанализу результатов наблюдений и оценки техногенных изменений геологической среды (преимущественно — подземных вод) в процессе эксплуатации комбината. В четвертой главе приводится характеристика условий формирования химического состава подземных вод исследуемого участка. В пятой главе дан прогноз изменения гидрогеологических условий (подтопление площадки и дальнейшее загрязнение подземных вод).
В заключительной части работы раскрываются особенности изучения природно-технических систем локального уровня на примере АО «Минудобрения» г. Россошь, характеризуется методика построения структурно-иерархических моделей П. ТС и оптимизация на их основе мониторинга геологической среды. Практический опыт, анализ литературных материалов и научные исследования автора позволили совершенствовать методику системного подхода к изучению взаимодействия предприятий химической промышленности (производство минеральных удобрений) с геологической средойна примере данного объекта адаптировать данную методику. Такой подход позволяет полнее и глубже изучить данную ПТС, более обосновано подойти к выбору объектов и методов исследования, рационализировать организацию работ, с соответствующим снижением затрат труда и финансовых расходов на контроль и ликвидацию негативных последствий эксплуатации химического комбината. В целях уменьшения негативных изменений в изучаемой ПТС, автором рекомендуется ряд практических технических мероприятий управленческого характера.
Научная новизна работы заключается в выявлении качественно новых геохимических типов подземных вод техногенного генезиса как продукта многолетнего влияния эксплуатации химкомбината и связанной с ним изменением гидродинамической обстановкив выявлении направленности и особенностей генетической трансформации химического состава подземных в результате интенсивного техногенного воздействияв адаптации методики структурной идентификации процесса массопереноса при составлении прогноза нитратного загрязнения подземных вод района химического комбинатав разработке методики построения ПТС локального уровня «химические комбинаты геологическая среда», результатом которой явилось создание структурно-иерархической модели взаимодействующих природных и техногенных объектов, которая рассматривается как основа организации эффективной сети наблюдений за подземными водами в рамках единой ПТСв совершенствовании на ее основе методов организации и ведения мониторинга ПТС.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования методики организации и ведения мониторинга ПТС «химические комбинаты (производство минеральных удобрений) — геологическая среда» на основе структурно-иерархических моделей данных ПТС, позволяющих более обосновано подходить к выбору объектов и методов исследования, к организации режимной сети наблюдений, к составлению прогнозных моделей и выработке управляющих воздействий, полнее и глубже рассматривать исследуемые объекты. Опыт проведенных исследований дает информацию о техногенных изменениях геологической среды в процессе эксплуатации крупных. объектов химической промышленности, их характере, интенсивности и направленностихарактеризует пути решения указанных проблем.
Основные положения работы неоднократно докладывались на ежегодных научных конференциях геологического факультета Воронежского госуниверситета (1990;1998гг.) Автор выступал с докладами на: всесоюзной научной конференции «Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта», Ташкент, 1990 г. — семинаре «Мониторинг геологической среды Украинской СССР. Теоретические и методические аспекты», Киев, 1990 г. — семинаре «Экологическая экспертиза энергоблока Мб НВ АЭС», Обнинск, 1990 г. — всесоюзном семинаре «Применение ЭВМ при гидрогеохимическом моделировании», Ленинград, 1991 г. — II Областной научно-технической конференции «Вопросы региональной экологии», Тамбов, 1995 г. — постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии СПбГИкафедре гидрогеологии СПбГу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Результатом научных исследований автора диссертации стала оценка техногенных изменений геологической среды в долине реки Черная Калитва (нижнее течение) в процессе эксплуатации Россошанского химического комбината, выявление характера и направленности этих изменений, а также разработка рекомендаций по оптимизации мониторинга изучаемой природно-технической системы «комбинат-геологическая среда» .
Автором предлагается методика построения ПТС уровня «химические комбинаты (производство минудобрений) — геологическая среда», завершающаяся созданием структурно-иерархической модели ПТС, адаптированная на Россошанском химкомбинате АО «Минудобрения» и позволяющая более обосновано подходить к выбору объектов и методов исследования, к организации и проведению мониторинга природ-но-технических систем на основе системного анализа взаимодействующих объектов. Данный подход позволил оптимизировать размещение пунктов наблюдательной сети, которая предстает ни только как техническое и методическое средство получения информации, но и — как форма представления и раскрытия изучаемой ПТСпровести корректи-. ровку сети в процессе проведения мониторинга.
В общем плане данная методика основывается на следующих положениях:
1. Изучение взаимодействующих природных и техногенных объектов необходимо проводить на основе системного анализа, рассматривая данные объекты как единую ПРИРОДНО — ТЕХНИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ (ПТС);
2. Исследование системы необходимо начинать’с конструирования абстрактной (теоретической) системно-структурной модели ПТС «предприятие — геологическая среда» в соответствии с поставленными ЦЕЛЯМИ. При этом выявляются элементы системы (в соответствии с выбранными КРИТЕРИЯМИ) и их функции, обусловленные свойствами элементов и целью создания данной системы, их взаимоотношения и взаимосвязи, определяющие структуру данной системы.
3. Автором предложены критерии, по которым в ПТС вовлекаются природные объекты. Выбор критериев вовлечения природных объектов является задачей исследовательской и определяется их функциями в системе и их взаимоотношениями с техническими объектами. Выбранные критерии могут быть использованы для ПТС «предприятия — природная среда». .
Иерархическое строение системы позволяет выделить элементы различного уровня: от элементов первого порядка (техническая и природная подсистемы) до элементов предельного (самого низкого) порядка («пробы», «точки наблюдения», «осадочные марки» и т. д.) иих взаимоотношения в системе.
Автором предложен критериальный способ выявления структуры ПТС, когда каждому уровню элементов системы соответствует свой критерий (признак) по которому объекты занимают строго определенное место в данной системе. В рассматриваемой нами ПТС выделяется семь иерархических уровней организации ее элементов. Предельность объема изучения устанавливается исследователем. Для различных ПТС и целей их исследования число уровней организации может меняться как в сторону сокращения, так и в сторону увеличения. Предложенные критерии позволяют «видеть» всю организацию системы, отвечающую уровню исследовательских задач.
Для предотвращения угрозы нереализации целей создания ПТС необходимо перманентное прогнозирование негативных изменений в состоянии изучаемой системы и управление ее элементами. Контроль состояния природно-технических систем необходимо проводить в рамках мониторинга единой ПТС. Применение системного анализа при изучении взаимодействия природных объектов и объектов химической промышленности, представление их в качестве единой природно-тех-нической системы и организация мониторинга таких систем имеют свои особенности, связанные со спецификой техногенного объекта, со спецификой и уровнем изучения данной ПТС, с основными целями ее существования (конструирования).
Результатом практических исследований стало выявление направленности техногенных изменений в районах функционирования предприятий химической промышленностивыявление особенностей формирования очагов химического загрязнения подземных вод, связанных как с наличием мощных источников устойчивого загрязнения, так и с изменением гидродинамики подземных водвыявление новых, техногенных гидрогеохимических типоввыявление интенсивных изменений гидродинамических условий, связанных с наложением техногенного фактора на уровенный режим подземных вод и ведущим, в конечном итоге, к подтоплению промышленных площадок, активизируя процесс техногенного загрязнения водных объектов.
Рассматриваемая природно-техническая система «химкомбинат геологическая среда» оценивается как НАРУШЕННАЯ (вышедшая из геоэкологического равновесия), причем степень ее выхода является достаточно высокой. Многие показатели состояния важнейшего компонента системы — подземных вод, значительно превышают допустимые пределы. Вернуть систему в равновесное состояние без радикальных УПРАВЛЕНЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ не представляется возможным.
Результаты практических исследований и теоретических обобщений могут быть сведены к следующим выводам:
1. Продолжительная эксплуатация комбината служит мощным источником загрязнения геологической среды.
2. Гидрогеологическая обстановка в районе промплощадки является крайне неудовлетворительной из-за значительного подъема уровня подземных вод и их интенсивного химического загрязнения.
3. Подъем УГВ привел к формированию гидрокупола площадью 7 кв. км и подтоплению юго-восточной части территории промплощадки комбината. Уровенный режим подземных вод характеризуется как тех-ногенно-нарушенный.
4. Подъем УГВ представляет опасность для устойчивости дамб шламонакопителей, так как становится возможным выклинивание деп-рессионной кривой в низовом откосе с выносом песка и последующим разрушением тела дамбы.
5. Полученные гидрогеохимические материалы свидетельствуют о чрезвычайно напряженной обстановке, сложившейся на исследуемой территории. В результате длительной техногенной нагрузки на геологическую среду возникли три очага загрязнения подземных водрайон промплощадки, участок прудов-накопителей и район х. Пинчукзападная часть с. Евстратовка.
6. Гидрогеохимическая аномалия в районе промплощадки занимает площадь около 10 кв. км и характеризуется высокой степенью загрязнения подземных вод четвертично-мелового водоносного комплекса. Концентрации азота аммонийного и нитратов в десятки и сотни раз превышают ПДК (ГОСТ 2874−82). Попадание загрязняющих компонентов ускоряется благодаря низкой категории защищенности подземных вод. В пределах влияния комбината распространены — Н03ЬШ4Иа, .Н03МН4, ШЗСаЫа, ШЗСаЫН4Иа, М03?1Н4Са"а, С1МН4, С1ШЭЗНН4Яа, 304КаСа, 304Н03С1НаСаНН4 гидрогеохимические типы.
7. В результате утечки сточных вод из прудов-накопителей возникла реальная угроза попадания загрязнения в воды ряда питьевых водозаборов, расположенных ниже по потоку и эксплуатирующих верхнемеловой водоносный горизонт.
8. Поверхностные воды территории в зоне влияния предприятия также испытывают значительную техногенную нагрузку. Отрицательное воздействие дренажных вод и интенсивно загрязненных болотных, может привести к необратимым процессам загрязнения, при полном угнетении способности самоочищения и заморным явлениям.
9. Свой вклад в создание и рост гидрогеохимической аномалии вносит городская канализационная система г. Россошь, сточные воды которой еще до строительства комбината привели к повышению УГВ на 1. 5−2. Ом.
10. Загрязнение поверхности земли (зоны аэрации) ионами ННч+, N03-, Иа+ за счет поступления из отходов производства может привести к возрастанию минерализации грунтовых вод в процессе выщелачивания грунтов зоны аэрации.
11. Существующая в настоящее время сеть гидронаблюдательных скважин оценивается как неудовлетворительная. Она не охватывает всю территорию техногенного воздействия производства, некоторые скважины находятся в неудовлетворительном техническом состоянии.
Как показали исследования, создание крупного химического производства в таких природных условиях резко изменило в худшую сторону ранее существовавшее относительное равновесие между окружающей средой и хозяйственной деятельностью человека. Для улучшения экологической обстановки необходимо резко снизить уровень существующих техногенных нагрузок от комбината, помня о том, что сам комбинат — система открытая, и поэтому при самых жесточайших требованиях и прогрессивной технологии производства, всегда будет существовать определенный уровень техногенного загрязнения окружающей среды. Даже полная остановка предприятия не снимет проблемы, так как любой (в том числе и бездействующий) комплекс — это инородное тело для биосферы.
Проблемы, которые должен решать комбинат: а) улучшение технологического цикла с целью снижения техногенных нагрузок на геологическую среду, б) жесткая технологическая дисциплина с той же целью, в) локализация гидрокупола техногенных вод, г) сокращение источников и видов загрязнения геологической среды, д) систематический контроль за состоянием окружающей среды, е) систематический контроль за состоянием инженерных сооружений.
Проблемы, которые могут быть решены с помощью специалистов-геологов: а) обоснование условий создания и точек размещения дополнительной режимной сети наблюдений за состоянием геологической среды, б) выполнение постоянных циклов литомониторинга (контроль за стоянием геологической среды, анализ состояния, прогноз изменения состояния, рекомендации по управляющим воздействиям), в) контроль за инженерными сооружениями, г) разработка математических моделей по загрязнению природной среды, д) участие в экологической оценке работ по строительству новых цехов, реконструкции старых, изменению технологических циклов и т. д.
Анализируя опыт практической и теоретической работы, автором предлагаются рекомендации по организации и проведению мониторинга ПТС локального уровня. Данные рекомендации основываются на следующих положениях:
I. а) Основой организации мониторинга ПТС типа «химкомбинатгеологическая среда» служит структурно-иерархическая модель ПТСб) Элементами ПТС будут являться природные и технические объекты. Техногенные объекты вовлекаются в данную систему согласно техническому проекту полностью, либо частично (в зависимости от целей исследования). Природные объекты вовлекаются в систему согласно предложенным КРИТЕРИЯМ ВОВЛЕЧЕНИЯв) Для выявления структуры ПТС (организации системы) предло-гается критериальный способ раскрытия структуры при декомпозиции системы на составляющие ее элементыг) Предельным элементом ПТС для природных объектов будет являться «проба воды» («образец грунта»). Местоположение наблюдательных пунктов (мест отбора проб) определяется характером наблюдательной сети. В связи с чем выбор пространственно-временной системы контроля (сети наблюдений) является вторым важнейшим этапом в организации и проведении мониторинга.
II. Наблюдательная сеть конструируется исходя из первоначального варианта структуры изучаемой ПТС, в соответствие с существующими методическими рекомендациями. Наблюдательная сеть подлежит непрерывной корректировке на стадии оценки состояния геологической среды, на стадии подготовки информации для прогнозирования изменений состояния геологической среды, на стадии получения прогноза (по его результатам). При этом сохраняются базовые наблюдательные пункты для возможности корреляции параметров в разных временных рядах наблюдений для создания различных прогнозных моделей. Наблюдательная сеть, помимо перманентного получения информации о состоянии объекта, должна обеспечивать при составлении прогнозов корректное задание параметров в пределах области моделирования. Таким образом, наблюдательная сеть рассматривается в качестве источника информации как о настоящем состоянии исследуемого объекта, так и о возможных его состояниях в будущем.
Учитывая, что комбинаты по производству минеральных удобрений связаны с интенсивным технологическим водооборотом, особое внимание необходимо обращать на изменение гидродинамических условий в районе промплощадок и внеплощадочных очистных сооружений. В связи с концентрацией больших объемов воды на ограниченной площади и обязательными утечками какой-либо их части, в пределах площадок предприятий вероятны формирования куполов подземных вод за счет прогрессирующего питания техногенными водами. Прогрессирующий подъем УГВ может привести к изменению структуры потока. Поток, как правило, становится радиально-плановым, обретая форму гидрокупола. Если организация мониторинга осуществляется на действующем предприятии, то необходимо составлять эпигнозные карты гидро-изогипс и гидроизобат по данным полученным на период проектирования техногенного объекта. Наличие данных карт позволит оценить направленность и интенсивность изменений гидродинамических условий.
Учитывая химический характер производства, вероятно ожидать поступления загрязняющих компонентов в подземные воды. Необходимо проводить инвентаризацию техногенных объектов разного уровня, способных служить источниками загрязнения подземных вод. Площадное распространение загрязнений, как правило, фиксируется куполовидным поднятием подземных вод. Гидрокупола становятся концентраторами загрязненных вод. Для оценки изменений гидрогеохимических условий также необходимо составлять эпигнозные гидрогеохимические карты. Загрязнение подземных вод в пределах предприятий может носить весьма интенсивный характер. На предприятиях, прозводящих азотные удобрения главными загрязняющими компонентами являются различные формы азотных соединений (НН4,И03,Н02), сульфаты, хлориды, натрий и кальций. Величина минерализации и концентрации загрязняющих соединений могут достигать аномально высоких значений, что может вести к трансформации химического состава подземных вод и формированию новых, чисто техногенных гидрогеохимических типов. В связи с чем уже на начальных стадиях исследования необходимо устанавливать направленность метаморфизма подземных вод, учитывая то, что трансформация химического состава может происходить и при небольших значениях минерализации <0,4−0,6 г/л).
В зависимости от литологии водовмещающих пород при куполовидной структуре потока вероятно ожидать нисходящую (вертикальную) миграцию загрязняющих компонентов и загрязнение нижележащих водоносных горизонтов. В связи с чем, необходимо оборудовать наблюдательные скважины на разные глубины, позволяющие контролировать проникновение загрязнений по глубине.
Особое внимание следует обратить на участки расположения цехов, производящих промежуточные продукты (МОЗ, ННЗ) и непосредственно сами удобрения, контролируя условия складирования продукции и соблюдение технологической дисциплины. Особенному контролю должны подвергаться гидротехнические сооружения (режим эксплуатации, наличие утечек).
Своевременный контроль за подъемом УГВ и загрязнением подземных позволит предупредить негативные изменения природных условий и ликвидировать неблагоприятные явления (подтопление, загрязнение, нарушение устойчивости грунтовых оснований, разрушение инженерных сооружений) на ранних стадиях их развития. Для оценки характера уровенного режима подземных вод территории предприятий и степени влияния на него техногенного фактора необходимо проводить статистическую обработку результатов режимных наблюдений за УГВ. Для оценки роли техногенного фактора в формировании и изменении химического состава подземных вод, а также для дифференцирования источников загрязнений (промышленного и сельскохозяйственного) со сходным набором загрязняющих компонентов рекомендуется проведение изотопного анализа. Особенно информативными являются изотопы серы и азота. Изучение изотопного состава позволит оценивать генезис подземных вод исследуемой территории. Для выявления роли компонентов, зависимостей в их содержаниях и общей направленности гидрогеохимических изменений рекомендуется использование статисти ческих моделей (факторный и кластерный анализ).
Поскольку мониторинг на крупных промышленных объектах должен осуществляться непрерывно, в течении всего времени существования объекта, основные усилия на последующих стадиях работ должны сосредоточиться на режимных наблюдениях, прогнозе и управлении, направленном на частичное или полное устранение негативных изменений.
Методы использованные в данной работе и предлагаемые к дальнейшему применению оцениваются автором как весьма актуальные, ориентированные ' на контроль и предотвращение кризисных ситуаций. Дальнейшее направление научных исследований автора связывается с созданием постояннодействующих математических моделей ПТС локального уровня, вносящих основной вклад в техногенные изменения природной среды.
