CC BY
19
УДК 504.5+581.5+550.837
А.П. Гусев, П.А. Калейчик, И.А. Шаврин
Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, andi_gusev@mail.ru
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНА ХИМИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Цель исследований - оценка химического загрязнения почвогрунтов и грунтовых вод методами фитоиндикации и геоэлектрики. Объект исследований - полигон отходов химического производства (отвалы фосфогипса). Изучены особенности структуры растительного покрова на отвалах фосфогипса, в зоне влияния отвалов и на фоновой территории. Степень загрязнения индицируется как качественными (видовой состав), так и количественными (проективное покрытие, видовое богатство) характеристиками растительности. Применение геоэлектрического метода показывает, что загрязнение верхней части геологической среды диагностируется по аномалиям низкого электрического сопротивления (менее 10 ом-м). Фитоиндикация позволяют уточнять природу геоэлектрических аномалий.
Ключевые слова: химическое загрязнение; полигон отходов; фосфогипс; фитоиндикация; геоэлектрика.
Введение
Для изучения состояния окружающей среды в зоне влияния полигонов химических отходов используются различные методы - геохимические (Геохимия ..., 1990), геофизические (Вахроме-ев, 1995), биоиндикационные (Биоиндикация ..., 1988). Важное значение имеют экспресс-методы оценки загрязнения компонентов геологической среды (почв, грунтов, подземных вод), которые позволяют при относительно невысоких затратах времени и финансов получать максимум информации.
Так, для оценки и картографирования химического загрязнения почвогрунтов и подземных вод применяются геоэлектрические методы, использующие взаимосвязь между удельным электрическим сопротивлением и содержанием солей: чем выше загрязнение (т.е. содержание солей), тем ниже электрическое сопротивление (Mazac et al., 1987; Fröhlich et al., 1994; Оценка ..., 2013; Myc-ka, Mendecki, 2014; Ofomola, 2015).
Фитоиндикация - это метод, основанный на использовании способности растений отражать условия их произрастания. В качестве фитоин-дикаторов среды выступают как отдельные виды растений, так и растительные сообщества - фи-тоценозы. Растения и их сообщества могут использоваться для оценки различных свойств почв и грунтов - влажности, содержания солей, азота, кислотно-щелочных условий (Биоиндикация ., 1988). Фитоиндикация широко используется для картографирования и мониторинга загрязнения
воздуха (Гусев, 2005), при изучении загрязнения почвенного покрова (Гусев, 2007, 2015).
Геоэлектрический и фитоиндикационный методы дополняют друг друга: фитоиндикация фиксирует приповерхностный эффект химического загрязнения геологической среды, а геоэлектрический метод прослеживает распространение загрязнения на различных глубинах.
Применение геоэлектрических и фитоинди-кационных методов для изучения состояния геологической среды в зоне влияния технических объектов позволяет осуществлять непрерывные площадные наблюдения при относительно низкой стоимости работ, без бурения скважин и нарушения растительно-почвенного покрова горными выработками.
Материалы и методы исследования
Целью исследований являлось изучение состояния окружающей среды в зоне влияния полигона отходов химического производства геоэлектрическим и фитоиндикационным методами. Решались следующие задачи: изучение химического загрязнения верхней части геологической среды на территории отвалов и в зоне их влияния методом фитоиндикации; изучение химического загрязнения верхней части геологической среды на территории отвалов и в зоне их влияния с помощью электропрофилирования методом сопротивлений на разных разносах питающих электродов; выяснение эффективности комплекса геоэлектрики и фитоиндикации для оценки химического загряз-
нения.
Объект исследований - полигон твердых отходов Гомельского химического завода - крупнейшего в Беларуси предприятия химической промышленности, которое производит более 20 видов химической продукции (серная и фосфорная кислоты, аммофос, суперфосфат, азотно-фосфор-но-калийные удобрения, фтористый алюминий и т.д.). На предприятии для получения фосфорных минеральных удобрений применяется технология обработки апатитовой руды методом сернокислой экстракции. В результате данного процесса в качестве твердого отхода образуется фосфогипс -сульфат кальция с примесями фосфатов. В настоящее время накоплено более 17 млн. т. отходов, занимающих территорию около 100 га. Фосфогипс содержит в своем составе около 97% гипса, 3% фосфатов железа и алюминия, ортофосфор-ную кислоту, фторсиликаты калия и натрия, фториды кальция, соединения марганца, молибдена, кобальта, редкоземельные элементы. За счет высокой гигроскопичности фосфогипса в отвалах накапливается значительное количество влаги (до 40%), которая под давлением вышележащей толщи отжимается из отвалов в виде раствора, содержащего в высоких концентрациях сульфаты, фосфаты и фториды. Вследствие этого отвалы фосфогипса являются постоянно действующим источником поступления загрязняющих веществ в поверхностные и грунтовые воды, почвогрунты, причиной деградации растительного покрова (Гусев и др., 2013; Гусев, 2015).
Методы исследования:
геоботаническая съемка - изучение показателей растительности (общее проективное покрытие, видовой состав, видовое богатство) на пробных площадках 10^10 м;
электропрофилирование методом сопротивлений с помощью симметричной четырехэлект-родной установки AMNB (разносы - АВ=1.5 м, MN=0.5 м; АВ= 3 м, MN= 1 м; АВ= 10 м, MN= 3 м); шаг профилирования 10-50 м; для измерений использовалась электроразведочная аппаратура ERA-MAX.
Результаты и их обсуждение
Геохимические исследования компонентов окружающей среды на территории отвалов фос-фогипса показывают высокий уровень химического загрязнения (Коцур, 2000; Гусев и др., 2011; Гусев и др., 2013). Так, в почвогрунтах наблюдаются высокие содержания сульфат-иона (до 1000 мг/дм3), фторид-иона (до 20 мг/дм3), иона алюминия (1-10 мг/дм3), фосфора фосфатного (до 100 мг/дм3). Минерализация водных вытяжек составляет до 3000 мг/дм3. Еще более выраженные аномалии характерны для поверхностных вод: сухой остаток - 5000-21000, сульфат-ион -1600-4600, фосфор фосфатный - 700-5100, фторид-ион - 100-1100, ион алюминия - 9-50 мг/дм3. Значительная степень загрязнения фиксируется в грунтовых водах: сухой остаток - 2500-22000, сульфат-ион - 1500-5000, фосфор фосфатный -100-4000, фторид-ион - 5-900, ион алюминия -1-700 мг/дм3. По таким компонентам как фосфор фосфатный, фтор-ион, ион алюминия указанные
Таблица 1. Дифференциация растительного покрова в зависимости от уровня
химического загрязнения
Зона Геохимическая характеристика геосреды, мг/дм3 Характеристика растительного покрова
Почвогрунты (водная вытяжка) Грунтовые воды Глубина залегания грунтовых вод более 0.5 м Глубина залегания грунтовых вод менее 0.5 м
Фоновая территория Сухой остаток <100 Сульфат-ион <20 Сухой остаток <200 Сульфат-ион <50 Разнотравно-злаковые луга, рудеральные сообщества Сообщества с доминированием Phragmites australis, ивняки
Зона влияния отвалов Сухой остаток 300-1300 Сульфат-ион 100-500 Сухой остаток 500-3500 Сульфат-ион 100-2000 Маловидовые сообщества с доминированием Chamerion angustifolium, Calamagrostis epigeios, Poa pratensis, Ru-mex crispus Группировки Phragmites australis и ^атепоп ащ^-И/оНит
Отвалы фосфогипса Сухой остаток 1500-3000 Сульфат-ион 800-1000 Сухой остаток 5000-21000 Сульфат-ион 1600-4600 Группировки Chamerion angustifolium и Calamagrostis epigeios Отсутствует
52
российский журннл им! экологии
Таблица 2. Изменение геоэлектрических и фитоиндикационных показателей в зоне влияния
отвалов фосфогипса
Зона Кажущееся электрическое сопротивление на разных эффективных глубинах, ом-м Фитоиндикаторы
АВ=10 м АВ=3 м АВ=1.5 м Общее проективное покрытие, % Видовое богатство, число видов на 100 м2
Фоновая территория 226±50* 110-350** 335.3±99 123-882 378.9±63 181-659 91.4±1.4 90-100 13.3±0.8 10.3-16.0
Зона влияния отвалов 66.0±8.5 34.0-95.4 33.9±7.4 9.5-50.0 21.8±9.5 8.2-80.4 70.0±2.1 50.0-100.0 10.1±1.1 6.0-14.1
Отвалы фосфогипса 6.8±3.5 5.0-12.6 11.8±3.8 5.7-27.1 8.4±3.0 3.5-23.6 21.0±4.5 10.0-30.0 2.9±0.3 2.0-4.1
Примечание. * среднее и ошибка среднего; ** минимальное и максимальное значения.
значения превышают ПДК для питьевых вод в сотни и тысячи раз. Глубина залегания грунтовых вод на территории отвалов составляет 1-3 м.
Выполненные в 2006-2016 гг. геоботанические исследования позволили установить особенности структуры растительного покрова, обусловленные химическим загрязнениям почвогрунтов, поверхностных и грунтовых вод (табл. 1).
Растительный покров на отвалах фосфогип-са представлен пионерными группировками из иван-чай узколистного (Chamerion angustifolium (L.) Holub) и вейника наземного (Calamagrostis epigeios (L.) Roth). Такие группировки формируются на нижней части склонов отвалов, на возвышенных участках межотвального пространства (глубина грунтовых вод - более 0.5 м). На подтопленных минерализованными водами участках растительность отсутствует. В водоемах между отвалами минерализация воды достигает 5-10 и более г/дм3, а рН - ниже 2-3 единиц. В этих условиях существование растительности невозможно.
По направлению поверхностного и грунтового стока формируется ареал зоны влияния отвалов, который вытянут в северо-западном направлении на несколько сотен метров, а в других местах ограничивается первыми десятками метров. Здесь образуется растительный покров, мозаич-ность которого обусловлена глубиной залегания загрязненных грунтовых вод. На относительно сухих местах образуются рудерально-луговые фитоценозы, в которых доминируют иван-чай, вейник, щавель курчавый (Rumex crispus L.), мятлик луговой (Poa pratensis L.) и некоторые другие. Подтопленные участки индицируются угнетенными группировками иван-чая и тростника обыкновенного (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.).
Фоновая территория (окрестности зоны влия-
ния) характеризуется сложным растительным покровом из разнотравно-злаковых лугов (Achillea millefolium L., Dactylis glomerata L., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Agrostis tenuis Sibth., Festuca pratensis Huds.) и рудеральных фитоценозов (Artemisia vulgaris L., Tanacetum vulgare L., Elytri-gia repens (L.) Nevski). На заболоченных участках формируются заросли тростника или кустарников (с доминированием нескольких видов ив).
Рассмотрим результаты геоэлектрических исследований (электропрофилирование методом сопротивлений), которые были выполнены на территории полигона фосфогипса и его окрестностей. Измерения электрического сопротивления проводились на различных разносах питающих электродов АВ - 1.5-10 м, что соответствует эффективной глубине исследований 0.2-2.5 м. Вследствие неоднородности разреза измеряется кажущееся электрическое сопротивление (Матвеев, 1990). Обобщенные результаты измерений приводятся в таблице 2, где они сгруппированы по трем зонам воздействия и сопоставлены с количественными характеристиками растительности на пробных площадках.
Для фоновой территории характерно снижение кажущегося сопротивления с эффективной глубиной исследований, что обусловлено наличием водоносного горизонта (по данным замеров в скважинах уровень грунтовых вод находится на глубине 2-5 м) и особенностями геологического строения верхней части разреза (водноледнико-вые пески и супеси подстилаются моренными суглинками). Максимальные значения кажущегося сопротивления отмечаются на разносах 1.5 и 3 м (200-600 ом-м). В зоне отвалов для всего изучаемого разреза характерно низкое кажущееся сопротивление (менее 10 ом-м), что обусловлено высокой степенью засоления почвогрунтов
и грунтовых вод.
В зоне влияния отвалов (до 100 м от границы отвалов по направлению поверхностного и подземного стока) имеет место увеличение кажущегося сопротивления сверху вниз: наименьшее сопротивление имеет самая верхняя часть разреза (первые десятки см), а затем с глубиной сопротивление возрастает (примерно в 2 раза). Этот факт указывает на то, что источником химического загрязнения в этой зоне являются поверхностные воды, а направление движения загрязненных вод по вертикали - нисходящее. На расстоянии 100-200 м от границы отвалов фосфогипса по направлению стока дифференциация разреза по кажущемуся сопротивлению слабая, а по сравнению с зоной отвалов величина сопротивления увеличивается на порядок.
Геоэлектрические методы являются надежным способом выявления и картирования техногенного загрязнения почвогрунтов и подземных вод. В тоже время применение геоэлектрических методов при оценке загрязнения геологической среды осложняется рядом факторов как природных, так и техногенных. Так, аномалии низкого электрического сопротивления могут быть обусловлены подземными коммуникациями, металлоломом, изменениями влажности и глинистости грунтов. В результате выяснение происхождения тех или иных аномалий электрического сопротивления в условиях высокой пестроты литологического состава и насыщенности разреза техногенными объектами представляется нетривиальной задачей. С нашей точки зрения для корректировки интерпретации данных геоэлектрического метода может использоваться метод фитоиндикации.
Фитоиндикаторы позволяют уточнять природу геоэлектрических аномалий. Так, например, удельное электрическое сопротивление массива почвогрунтов зависит от влажности, которая в свою очередь обусловлена глубиной залегания уровня грунтовых вод. Рост влажности при уменьшении глубины залегания грунтовых вод приводит к снижению кажущегося сопротивления. При отсутствии химического загрязнения увеличение влажности (до определенного предела), как правило, или никак не сказывается на проективном покрытии и видовом богатстве растительности, или приводит к росту этих показателей.
Заключение
В техногенном ландшафте полигона отходов Гомельского химического завода и его зоны влияния растительный покров формируется в зависимости от уровня загрязнения поверхностных и
грунтовых вод, влажности почвогрунтов и фос-фогипса, особенностей микрорельефа. Степень загрязнения индицируется как качественными (видовой состав), так и количественными (проективное покрытие, видовое богатство) характеристиками растительности. Применение фитоинди-каторов ограничивает высокий уровень загрязнения поверхностных вод.
Если фитоиндикаторы показывают непосредственно поверхностный эффект загрязнения, то геоэлектрический метод позволяет судить о глубинной структуре загрязнения, в том числе направленности потока поллютантов. Химическое загрязнения верхней части геологической среды на территории отвалов фосфогипса и в зоне их влияния индицируется аномалиями низкого кажущегося электрического сопротивления (менее 10 ом-м), измеряемого на разносах питающих электродов 3-10 м. На участке отвалов зона засоления охватывает по меньшей мере первые метры разреза.
Таким образом, комплекс из фитоиндикации и электропрофилирования методом сопротивлений на серии разносов АВ 1.5-10 м позволяет быстро и эффективно оценить химическое загрязнение верхней части геологической среды.
Список литературы
1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 350 с.
2. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика. Иркутск: ИрГТУ, 1995. 216 с.
3. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др. М.: Недра, 1990. 335 с.
4. Гусев А.П. Индикаторы деградации лесных ландшафтов Белорусского Полесья в зоне влияния химического производства // География и природные ресурсы. 2005. №4. С. 145-147.
5. Гусев А.П. Фитоиндикаторы трансформации природного ландшафта в зоне нефтедобычи (на примере юго-востока Белоруссии) // География и природные ресурсы. 2007. №2. С. 177-183.
6. Гусев А.П., Шершнев О.В., Павловский А.И., Прилуц-кий И.О. Экологическое состояние и прогноз трансформации ландшафтов в условиях влияния химического производства (на примере Гомельского химического завода) // Безопасность в техносфере. 2011. №3. С. 7-12.
7. Гусев А.П., Шершнев О.В., Павловский А.И., Прилуц-кий И.О., Акулевич А.Ф. Особенности формирования ланд-шафтно-геохимических барьеров в зоне влияния отходов химических производств (Гомельский химический завод) // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2013. №2. С. 147-152.
8. Гусев А.П. Фитоиндикаторы техногенного подтопления в зоне влияния полигона промышленных отходов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. 2015. №1. С. 128-131.
9. Коцур В.В. Гидрогеохимия зоны интенсивного водообмена территории Гомельского химического завода // Литосфера. 2000. №13. С. 93-100.
10. Матвеев Б.К. Электроразведка. М.: Недра, 1990. 368
54
российский журннл лриклнлной экологии
11. Оценка засоления почв и грунтовых вод методами электрического сопротивления: учебное пособие / А.И. Поздняков, Е.В. Шеин, А.В. Федотова и др. Астрахань: АГУ, 2013. 71 с.
12. Папырин Л.П., Пустозеров М.Г. Изучение ореолов загрязнения подземных вод геофизическими методами // Охрана и разведка недр. 1998. Вып.1. С. 36-41.
13. Frohlich R.K., Urich D.W., Fuller J., O'Reilly M. Use of geoelectrical methods in groundwater pollution surveys in a coastal environment // Journal of Applied Geophysics. 1994. V. 32 (2-3). P. 139-154.
14. Mazac O., Kelly W.E., Landa I. Surface geoelectrics for groundwater pollution and protection studies // Journal of Hydrology. 1987. V. 93 (3-4). P. 277-294.
15. Mycka M., Mendecki M.J. An application of geoelectrical methods for contamination plume recognition in Urbanowice waste disposal // Contemporary Trends in Geoscience. 2014. V. 2. Р. 42-47.
16. Ofomola M.O. Mapping of Aquifer Contamination Using Geoelectric Methods at a Municipal Solid Waste Disposal site in Warri, Southern Nigeria // Journal of Applied Geology and Geophysics. 2015. V. 3 (3). P. 39-47.
A.P. Gusev, P.A. Kalejchik, I.A. Shavrin. Geoeco-logical diagnostics of environmental pollution in the zone of impact of a chemical waste dump.
The purpose of the research is the assessment of chemical contamination of soil and groundwater using the methods of phytoindication and geoelectrics. The object of research is a dump of chemical production (phosphogypsum stacks). The features of the structure of vegetation on phosphogypsum stacks, in the zone of impact of stacks and in the background area are studied. The degree of pollution is indicated by both qualitative (species composition) and quantitative (projective cover, species richness) characteristics of vegetation. The application of the geoelectric method shows that pollution of the upper part of the geological environment is diagnosed by anomalies of low electrical resistance (less than 10 ohm-m). Phytoindication allows to specify the origin of geoelectric anomalies.
Keywords: chemical pollution; waste dump; phosphogypsum; phytoindication; geoelectric.
Информация об авторах
Гусев Андрей Петрович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Республика Беларусь, 246019, г Гомель, ул. Советская, 104, E-mail: andi_gusev@mail.ru.
Калейчик Павел Альбертович, аспирант, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Беларусь, 246019, г. Гомель, ул. Советская, 104, E-mail: J_summer@mail.ru.
Шаврин Илья Александрович, аспирант, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Республика Беларусь, 246019, г. Гомель, ул. Советская, 104, E-mail: karni9339@gmail.com
Information about the authors
Andrei P. Gusev, Ph.D. in Geology, Associate Professor, F. Skorina Gomel State University, 104, Sovetskaya str., Gomel, 246019, Belarus, E-mail: andi_gusev@mail.ru
Pavel A. Kaleychik, Graduate Student, F. Skorina Gomel State University, 104, Sovetskaya str., Gomel, 246019, Belarus, E-mail: J_summer@mail.ru.
Ilya A. Shavrin, Graduate Student, F. Skorina Gomel State University, 104, Sovetskaya str., Gomel, 246019, Belarus, E-mail: kar-ni9339@gmail.com.
