CC BY
112ЭКОСИСТЕМЫ: ЭКОЛОГИЯ И ДИНАМИКА, 2019, том 3, № 2, с. 100-130
-МЕТОДЫ ПОДДЕРЖАНИЯ И СОХРАНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ -
И ИХ КОМПОНЕНТОВ
УДК556.383/388:504 (571.1)
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ И УЯЗВИМОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К ЗАГРЯЗНЕНИЮ В РЕГИОНАХ СО СЛОЖНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИЕЙ1
© 2019 г. А.П. Белоусова, Ю.В. Миняева, Е.Э. Руденко
Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: [email protected], [email protected]
Поступила в редакцию 10.02.2019. После доработки 08.04.2019. Принята к публикации 08.05.2019.
Степень опасности загрязнения окружающей среды определяется интенсивностью суммарной техногенной нагрузки на отдельные её компоненты. На примере промышленных районов Тульской области с хорошо развитой промышленностью, в том числе горнодобывающей, с сельским хозяйством и другими видами хозяйственной деятельности, а также районов, попавших в радиоактивный след от аварии на Чернобыльской атомной станции, рассмотрены принципы оценки суммарной техногенной нагрузки на окружающую среду этого региона. Оценена опасность загрязнения окружающей среды и подземных вод точечными источниками загрязнения (промышленные предприятия, отдельные шахты, электростанции и другие источники). С учетом разработанного и оценённого рейтинга опасности точечных источников была проанализирована техногенная нагрузка для ряда городов и населённых пунктов области. Оценена опасность загрязнения окружающей среды и подземных вод площадными -диффузными и точечно-площадными источниками (сельскохозяйственное загрязнение, радиоактивное и от деятельности угольной промышленности). Разработана методика и оценён суммарный рейтинг условной опасности загрязнения среды от различных источников (точечных, площадных и точечно-площадных) после аварии и спустя 30 лет после неё. Изучая экологическое состояние через 30 лет, можно отметить, что произошло значительное его улучшение, хотя имеются районы с достаточно напряжённой ситуацией, а на территории развития горнодобывающей промышленности сохраняется высокая опасность загрязнения окружающей среды: хотя практически все шахты уже закрыты, их влияние на среду остаётся достаточно высоким.
Ключевые слова: окружающая среда, защищённость и уязвимость подземных вод, источники загрязнения, техногенная нагрузка, опасность загрязнения, рейтинг опасности загрязнения. DOI: 10.24411/2542-2006-2019-10034
Рассмотрены три методики оценки экологического состояния подземных вод в сложных природно-техногенных условиях.
Методика оценки защищенности подземных вод от загрязнения различными загрязняющими веществами в условиях изменяющегося климата. Оценка проводилась по ранее разработанной нами методике для одного из регионов Тульской области с развитой промышленностью и сельским хозяйством и частично пострадавшим от аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Возможный процесс изменения климата учитывался по сценариям в современных условиях, в условиях иссушения климата и в условиях его увлажнения.
Для оценки защищенности подземных вод были выбраны следующие загрязняющие
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-00476 и в рамках темы НИР ИВП РАН (Госзадание № 0147-2019-0002) "Моделирование и прогнозирование процессов восстановления качества вод и экосистем при различных сценариях изме-нений климата и антропогенной деятельности" (№ государственной регистрации АААА-А18-118022090104-8).
вещества: радионуклиды 9^г и 137Сб, Сг6+, МНд+ и N03", по которым проводилась оценка защищенности подземных вод по всем сценариям изменения климата.
Методики оценки суммарной техногенной нагрузки от точечных, площадных -диффузных и локальных источников загрязнения. Степень опасности загрязнения определяется интенсивностью суммарной техногенной нагрузки на отдельные её компоненты. На примере промышленных районов Тульской области с хорошо развитыми промышленностью, в том числе горнодобывающей, сельским хозяйством и другими видами хозяйственной деятельности, а также районов, попавших в радиоактивный след от аварии на Чернобыльской атомной станции, рассмотрены принципы оценки суммарной техногенной нагрузки на окружающую среду региона. Оценена опасность загрязнения окружающей среды и подземных вод точечными источниками (промышленные предприятия, отдельные шахты, электростанции и другие источники). С учетом разработанного и оценённого рейтинга опасности точечных источников загрязнения была проанализирована техногенная нагрузка для ряда городов и населённых пунктов Тульской области. Оценена опасность загрязнения и подземных вод площадными - диффузными и точечно-площадными источниками (сельскохозяйственное загрязнение, радиоактивное и от деятельности угольной промышленности). Разработана методика и оценён суммарный рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения (точечных, площадных и точечно-площадных) после аварии на ЧАЭС и спустя 30 лет после неё. Изучая экологическое состояние через 30 лет, можно отметить, что произошло его значительное улучшение, хотя имеются районы с достаточно напряжённой ситуацией, а на территории развития горнодобывающей промышленности сохраняется высокая опасность загрязнения окружающей среды: хотя практически все шахты уже закрыты, их влияние на среду остаётся достаточно высоким.
Методика оценки опасности загрязнения подземных вод от суммарной техногенной нагрузки. Степень уязвимости подземных вод к суммарному загрязнению определяется как соотношение весовых значений защитного потенциала защитной зоны к весовым значениям суммарной техногенной нагрузки. Мы выделили следующие степени: неуязвимые, слабо уязвимые, средне уязвимые, высоко уязвимые, очень высоко уязвимые к загрязнению подземные воды.
Уязвимость грунтовых вод определялась для двух временных интервалов, связанных с последствиями аварии на ЧАЭС на изучаемой территории, попавшей в зону её радиоактивного следа, что обусловило загрязнение окружающей среды радионуклидами 90Бг и 137Cs, период полураспада которых составляет порядка 30 лет. Поэтому оценка проводилась на период сразу после аварии на ЧАЭС и на период спустя 30 лет.
Показано, что через 30 лет (в 2016 году), после того как активность поверхностных радиоактивных выпадений на территории радиоактивного следа уменьшилась вдвое в связи с тем, что период полураспада основных радионуклидов составил порядка 30 лет, а остальная техногенная нагрузка сохранилась, несмотря на закрытие угольных шахт, уязвимость грунтовых вод характеризуется следующим образом: высоко уязвимые грунтовые воды сосредоточились преимущественно на территории объединенного шахтного поля на незначительных территориях в районе города Плавска; средне уязвимые воды приурочены к шахтному полю и узким долинам рек; слабо уязвимые - к территории шахтного поля, к радиоактивному следу в районе г. Плавска, к долинам рек на севере территории; на большей части территории распространены условно неуязвимые грунтовые воды, при этом на севере и юго-востоке изучаемой территории первичное радиоактивное загрязнение уже практически отсутствует, а почти во всех крупных городах этой территории грунтовые воды по-прежнему характеризуются высокой уязвимостью к загрязнению.
Рекомендации по сохранению и реабилитации качества подземных вод и ведению
экологического мониторинга на сложных природно-техногенных объектах. Особенности экологического мониторинга такого сложного природно-техногенного объекта, как Тульский промышленный район, обусловлены наличием на его территории как стандартной техногенной нагрузки (промышленные предприятия, сельское хозяйство, ЖКХ, транспорт), так и ряда специфических источников техногенной нагрузки, к которым следует отнести большое количество шахт (преимущественно ликвидированных на данное время) и радиоактивный след от аварии на ЧАЭС, активность выпадений которого в различной степени распространилась на изучаемой территории и будет еще с различной интенсивностью сказываться на протяжении еще не одного тридцатилетия.
Целями исследований являлись следующие:
- оценка защищенности подземных вод от загрязнения различными загрязняющими веществами в условиях изменяющегося климата;
- оценка суммарной техногенной нагрузки от точечных, площадных - диффузных и локальных источников загрязнения;
- оценка опасности загрязнения подземных вод от суммарной техногенной нагрузки на окружающую среду;
- рекомендации по сохранению и реабилитации качества подземных вод и ведению экологического мониторинга на сложных природно-техногенных объектах.
Задачами исследований являлась разработка соответствующих методик и рекомендаций.
Все исследования проводились на территории Тульской области, пострадавшей от аварии на Чернобыльской АЭС.
При оценке защищенности подземных вод возможный процесс изменения климата учитывался по следующим сценариям: современные условия, условия увлажнения и иссушения климата.
Оценки защищенности подземных вод проводилась по радионуклидам (9^г и 137Cs) как продуктам загрязнения от аварии на ЧАЭС; Сг6+ как одно из приоритетных загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий; и N03" сельскохозяйственное и
жилищно-коммунальное загрязнение и нейтральные загрязняющие вещества (макрокомпоненты, нефтепродукты и др.). По каждому из перечисленных загрязняющих веществ проводилась оценка защищенности подземных вод по трем названным сценариям изменения климата.
Степень опасности загрязнения окружающей среды определяется интенсивностью суммарной техногенной нагрузки на отдельные её компоненты. На примере загрязнения подземной гидросферы рассмотрим принципы оценки суммарной техногенной нагрузки на территории промышленных районов Тульской области.
Разработаны некоторые рекомендации по сохранению и реабилитации качества подземных вод и ведению экологического мониторинга на сложных природно-техногенных объектах.
Результаты и их обсуждение
Методика оценки защищенности подземных вод от загрязнения различными загрязняющими веществами в условиях изменяющегося климата
Для построения карт защищенности грунтовых вод к загрязнению необходимо располагать картой защитной зоны, которая получается путем наложения почвенной карты, отображающей строение первого уровня защитной зоны, и карт, характеризующих строение второго уровня защитной зоны (глубин залегания и литологического строения зоны аэрации). На карте выделяются типовые участки, характеризующиеся определенным строением первого и второго уровней защитной зоны, и глубиной залегания грунтовых вод
(Белоусова, 2001, 2005, 2012). Карта защитной зоны является базовой для построения карт защищенности и уязвимости грунтовых вод к любым загрязняющим веществам.
Защищенность грунтовых вод от любого загрязняющего вещества зависит от времени достижения фронтом загрязненных инфильтрационных вод водоносного горизонта (4) из каждого выделенного на карте защитной зоны типового участка (Белоусова, 2005):
г _ М^П + М&8 Kp ^
3 ~ и Ж '
где Кр - коэффициент распределения, л/кг; 8 - объемная масса скелета грунта, кг/дм3; вп -полная влагоемкость, в долях единицы; и - скорость просачивания инфильтрационного потока, м/сут (Биндеман, 1963). При этом:
и = , (2Х
где в - естественная влажность пород, в долях единицы; Ж - инфильтрационное питание, м/сут; кф - коэффициент фильтрации, м/сут.
Первое слагаемое в формуле (1) характеризует движение влаги в ненасыщенной зоне (или движение нейтрального загрязняющего вещества), второе - физико-химическое взаимодействие (сорбцию) в системе порода-вода (или задержку загрязняющего вещества породой).
Выражение (1) позволяет рассчитывать время миграции различных загрязняющих веществ, изменяя только Кр индивидуальных загрязняющих веществ, при изменяющихся климатических условиях. Изменение климатических условий может быть учтено в формуле (1) через вариации значений среднегодового инфильтрационного питания (Ж).
Оценка защищенности подземных вод от загрязнения в условиях изменяющегося климата проводилась по унифицированной нами методике для одного из регионов Тульской области с развитой промышленностью и сельским хозяйством и частично пострадавшим от аварии на Чернобыльской АЭС (Белоусова и др., 2018; Белоусова, Руденко, 2018).
При оценке защищенности возможный процесс изменения климата учитывался по следующим сценариям:
- 1й сценарий: современные климатические условия учитывались через инфильтрационное питание при Ж=100 мм/год (что в среднем составляет 20% от среднегодовых атмосферных осадков на изучаемой территории);
- 2й сценарий: условия иссушения климата учитывались при Ж=60 мм/год;
- 3й сценарий: условия увлажнения климата учитывались при Ж=200 мм/год.
Два последних значения Ж приняты с учетом данных режимных наблюдений за уровнем подземных вод на территории Тульской области в годы с различной интенсивностью атмосферных осадков. При дальнейших исследованиях величина инфильтрационного питания (Ж) может приниматься любой в зависимости от решаемой экологической задачи.
В нашем случае для оценки защищенности подземных вод были выбраны следующие загрязняющие вещества: радионуклиды 9^г и 137Cs - как продукты загрязнения от аварии на ЧАЭС; Сг6+ - как одно из приоритетных загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий; и N03" - сельскохозяйственное и жилищно-коммунальное загрязнение и
нейтральные загрязняющие вещества (макрокомпоненты, нефтепродукты и др.). По каждому из перечисленных веществ проводилась оценка защищенности подземных вод по трем названным сценариям изменения климата.
Для примера рассмотрим результаты оценки защищенности грунтовых вод от загрязнения радионуклидами и Сг6+. Оценку защищенности целесообразно выстраивать в зависимости от Т - периода полураспада радионуклида (период полураспада 9^г и 137Cs составляет примерно 30 лет).
Выделение категории по времени продвижения загрязняющего вещества через защитную зону по существу является приближенной прогнозной оценкой процесса загрязнения грунтовых вод в данном случае радионуклидами.
Карты естественной защищенности грунтовых вод от загрязнения 9^г и 137Cs строятся на основе карты защитной зоны. Сравнение карт показывает, что для грунтовых вод наиболее опасен 9^г (рис. 1, 2), так как загрязнение им может охватить в короткий период (<5 лет) большие участки водоносного горизонта.
На рисунке 1 четко видна динамика изменения степени защищенности подземных вод от загрязнения 90 Sr в условиях возможного изменения климата. В условиях сухого климата при уменьшении инфильтрационного питания почти вдвое (рис. 1а) против современного площади распространения незащищенных и слабозащищенных подземных вод преимущественно сосредоточены в долинах рек; на современном этапе (рис. 1б) площади слабозащищенных вод значительно увеличились, хотя площади незащищенных вод практически не изменились; а при увлажнении климата вдвое (рис. 1в) площади незащищенных и слабозащищенных вод увеличились, а еще более увеличились площади условно защищенных подземных вод. Скорости продвижения радионуклида значительно возрастают при увлажнении климата, что создает высокую опасность интенсивного загрязнения подземных вод этими веществами.
Рассмотренный подход к построению карт естественной защищенности грунтовых вод от радиоактивного загрязнения был использован при составлении аналогичных карт по оценке загрязнения высокотоксичными веществами (Сг6+), где категории защищенности устанавливались в зависимости от времени работы водозаборов.
При загрязнении Сг6+ (рис. 2) наблюдается несколько иная ситуация: процесс миграции этого вещества медленнее, чем у 9^г, а отличия наблюдаются только путем нарастания площади незащищенных вод за счет площадей слабозащищенных подземных вод. Это связано с более высокими значениями коэффициента распределения (Кр) у Сг6+, чем у 90Бг.
Предложенная методика среднемасштабной оценки защищенности подземных вод от загрязнения позволяет проследить возможные вариации развития процесса загрязнения в зависимости от индивидуального загрязняющего вещества от нейтрального до высоко токсичного при различных сценариях изменения климата от иссушения до его увлажнения.
Методики оценки суммарной техногенной нагрузки от точечных, площадных - диффузных и точечно-площадных источников загрязнения
Степень опасности загрязнения окружающей среды (ОС) определяется интенсивностью суммарной техногенной нагрузки на отдельные её компоненты. На примере загрязнения подземной гидросферы рассмотрим принципы оценки суммарной техногенной нагрузки на территории промышленных районов Тульской области.
Тульская область характеризуется хорошей развитостью промышленности, в том числе горнодобывающей, сельского хозяйства и других видов хозяйственной деятельности, в связи с чем и вносит свой вклад в загрязнение окружающей среды. Из государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» (2015) следует:
- показатель поступления загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников выбросов на одного жителя Тульской области составляет 221 кг/чел; область занимает третье место после Липецкой (440 кг/чел) и Рязанской (239 кг/чел.);
- объем сброса загрязненных сточных вод в расчете на одного жителя Тульской области составляет 149 м3/чел; область занимает третье место после Ярославской (215 м3/чел) и Москвы (178 м3/чел);
Рис. 1 а, б. Картосхемы защищенности подземных вод от загрязнения 90Sr при различных значениях инфильтрационного питания (масштаб 1:200000 с уменьшением): а) при W=60 мм/год - сценарий иссушения климата, б) при W=100 мм/год - в современных климатических условиях. Fig. 1 а, б. Schematic maps of groundwater protection from 90Sr pollution at different values of recharging infiltration (scale 1:200000, decreased): а) drying climate scenario, б) modern climatic conditions.
Категории защищенности (год):
незащищенные (t<30) [ | условно защищенные (90<t<300)
I I слабо защищенные (30<t<60) HI защищенные (t>300) I I средне защищенные (60<t<90)
в)
Рис. 1 в. Картосхемы защищенности подземных вод от загрязнения 90Sr при различных значениях инфильтрационного питания (масштаб 1:200000 с уменьшением): в) при W=200 мм/год - сценарий увлажнения климата. Fig. 1 в. Schematic maps of groundwater protection from 90Sr pollution at différent values of recharging infiltration (scale 1:200000, decreased): в) wetting climate scenario.
- по суммарным (от автотранспорта и стационарных источников) выбросам в атмосферу лидируют Москва и Московская область - их доля в выбросах загрязняющих веществ по Центральному федеральному округу (ЦФО) равна 21% и 17% соответственно, далее следуют Липецкая (9%), Тульская и Воронежская (по 6%) области.
Вся изучаемая территория Тульской области попала в зону радиоактивного следа от аварии на Чернобыльской атомной станции. Таким образом, на территории Тульской области выделены следующие типы источников загрязнения:
- точечные (промышленные предприятия, отдельные шахты, электростанции и другие источники; рис. 3);
- линейные (автомобильные и железные дороги, нефтепроводы, газопроводы, реки);
- площадные (сельскохозяйственные земли и территории, загрязненные чернобыльскими радионуклидами; рис. 4);
- точечно-площадные - дополнительный тип, выделение которого обусловлено большим количеством шахт и угольных карьеров, занимающих порядка 15% от площади территории.
Рис. 2 а, б. Картосхемы защищенности подземных вод от загрязнения Cr6+ при различных значениях инфильтрационного питания (масштаб 1:200000 с уменьшением): а) при W=60 мм/год - сценарий иссушения климата, б) при W=100 мм/год - в современных климатических условиях. Fig. 2 а, б. Schematic maps of groundwater protection from Cr6+ pollution at different values of recharging infiltration (scale 1:200000, decreased): а) drying climate scenario, б) modern climatic conditions.
Условные обозначения
Категории ищищенносгв (год):
| незалп un ениые (t <2Î) I I ЧЖДме з лпз пшенные (50с t с 100)
I I «абомшшпгннь» (2Î< t <50) | | условно зяш irai гкные { t >100)
Рис. 2 в. Картосхемы защищенности подземных вод от загрязнения Cr6+ при различных значениях инфильтрационного питания (масштаб 1:200000 с уменьшением): в) при W=200 мм/год - сценарий увлажнения климата. Fig. 2 в. Schematic maps of groundwater protection from Cr6+ pollution at different values of recharging infiltration (scale 1:200000, decreased): в) wetting climate scenario.
Оценка опасности загрязнения окружающей среды и подземных вод точечными источниками загрязнения. Рейтинг отраслей хозяйственной деятельности включает в себя два показателя: объемы выбросов в различные компоненты окружающей среды продуктов (газообразных, жидких и твердых) от деятельности каждого объекта - источника загрязнения, а также характеристику самих загрязняющих ингредиентов (химический состав и объемы выбросов). Такая оценка может быть практически идеальной и иметь количественный характер лишь только при наличии информации по источникам загрязнения, относящихся к соответствующим отраслям хозяйственной деятельности.
Рассмотрим один из методических подходов к оценке суммарной техногенной нагрузки, разработанный ранее (Белоусова, 2010). При этом подходе в качестве рейтинга,
относительно которого будут рассчитываться техногенная нагрузка населённых пунктов изучаемого района или области, можно использовать условные рейтинги опасности отраслей производственной деятельности на территории Российской Федерации.
Рис. 3. Карта техногенной нагрузки от точечных источников загрязнения промышленных районов Тульской области. Fig. 3. Map of technogenic load caused by the point sources of pollution in the industrial areas of Tula region.
Рис. 4. Карта техногенной нагрузки от площадных источников загрязнения промышленных районов Тульской области. Fig. 4. Map of technogenic load from the area sources of pollution in the industrial areas of Tula region.
В таблице 1 приведены условные рейтинги опасности отраслей промышленности страны по степени воздействия на окружающую среду за счет выбросов газообразных загрязняющих веществ в атмосферу (Ог), жидких отходов - сточных вод (Ож) и твердых отходов (От). Условные рейтинги составлены путем порядковой нумерации отрасли по объему каждого типа выбросов (от большего объема к меньшему, но с порядковым номером места от меньшего к большему).
Средний условный рейтинг определялся как среднеарифметическое между тремя рейтингами с последующим перенумерованием условного рейтинга от большего к меньшему, т.е. отраслям, занимающим первые места по объемам выбросов в ОС, присваивался больший рейтинг.
Таблица 1. Условный рейтинг отраслей хозяйства России по объему выбросов в компоненты окружающей среды на 2005 г. (Белоусова, 2010). Table 1. Conditional rating of industry branches in economy of Russia by the volume of emissions in environmental components in 2005 (Белоусова, 2010).
№ Отрасль хозяйства Порядковое место/условный рейтинг отрасли по количеству выбросов (объемы выбросов) Степень опасности отрасли
Газообразные отходы Ог (тыс. т) Жидкие отходы Ож (млн. м3) Твердые отходы От (млн. т) Средний условный рейтинг (Ог+Ож+От)/3
1 Цветная металлургия 2 (3287.1) 8(443.0) 2 (459.3) 13 (4) ***
2 Черная металлургия 4 (2206.6) 6 (609.5) 3 (429.0) 12 (4.3) ***
3 Электроэнергетика 3 (3257.7) 5 (685.1) 5 (57.5) 12 (4.3) ***
4 Жилищно-коммунальное хозяйство 5 (991.2) 1 (11432.3) 8 (14.5) 11 (4.7) ***
5 Угольная промышленность 6 (757.3) 9(413.8) 1 (1442.9) 10 (5.3) **
6 Химическая и нефтехимическая промышленность 10 (407.6) 4 (1126.1) 4 (133.2) 9 (6) **
7 Лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность 12 (303.5) 2 (1329.9) 9 (12.9) 8 (7.7) **
8 Строительных материалов 9 (474.0) 11 (108.5) 6 (34.0) 7 (8.7) **
9 Сельское хозяйство 14 (119.4) 3 (1282.7) 10 (12.5) 6 (9) **
10 Нефтедобывающая промышленность 1 (4195.0) 15 (3.7) 13 (0.6) 5 (9.7) **
11 Машиностроение и металлообработка 11 (370.1) 7 (445.5) 11 (7.9) 5 (9.7) **
12 Нефтеперерабатывающ ая промышленность 8 (581.2) 10 (210.3) 12 (1.0) 4 (10) **
13 Пищевая промышленность 13 (142.6) 12 (95.9) 7 (15.8) 3 (10.7) *
14 Газовая промышленность 7 (650.7) 14 (10.7) 15 (0.1) 2 (12) *
15 Легкая промышленность 15 (26.6) 13 (35.9) 14 (0.3) 1 (14) *
16 Транспорт 4 (2136.9) - - - -
Примечания к таблице 1: классификация отраслей промышленности по степени опасности производства: *** (<5) - чрезвычайно опасная, ** (5-10) - очень опасная, * (>10) - опасная. Notes to table 1: classification of industry brunches by degree of manufacture danger: *** (<5) -severely dangerous, ** (5-10) - very dangerous, * (>10) - dangerous.
Степень опасности отрасли промышленности устанавливалась с учетом среднего суммарного условного рейтинга. Данные о выбросах в окружающую среду взяты из Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 г.» (2006).
Условный рейтинг отраслей хозяйства (источников загрязнения) по степени выбросов отходов в окружающую среду (данные 2005 г.) распределился следующим образом:
- к чрезвычайно опасным отраслям следует отнести цветную и черную металлургию, электроэнергетику и жилищно-коммунальное хозяйство;
- к очень опасным - промышленность угольную, химическую и нефтехимическую, лесную, деревообрабатывающую и целлюлозно-бумажную, нефтедобывающую, строительных материалов, сельское хозяйство, машиностроение и металлообработку, а также нефтеперерабатывающую (исключение могут составлять нефтедобывающая промышленность и транспорт, которые можно отнести к первой группе по выбросам в атмосферу, сельское хозяйство, лесную, деревообрабатывающую и целлюлозно-бумажную промышленность - к выбросам жидких отходов, а угольную - к выбросам твердых отходов);
- к опасным - пищевую, газовую и легкую промышленности.
С учетом вышеприведенного рейтинга опасности точечных источников загрязнения окружающей среды была проанализирована техногенная нагрузка для ряда городов и населённых пунктов Тульской области, которая приведена в таблице 2, где к точечным источникам - отраслям промышленности в различных городах - добавлено и радиоактивное загрязнение этих территорий путем наращивая весового значения рейтинга опасности на единицу веса для каждой градации поверхностных выпадений 137Св.
Для каждого населённого пункта был рассчитан суммарный рейтинг условной опасности с учетом точечных источников загрязнения, а также от точечных источников загрязнения вместе с радиоактивным загрязнением (радиоактивное загрязнение сразу после аварии на ЧАЭС). Таким образом, установлены следующие рейтинги условной опасности в баллах: 20 -30 - слабая, 30-40 - средняя, 40-50 - высокая, 50-60 - очень высокая, >60 - чрезвычайно высокая.
Оценка опасности загрязнения окружающей среды и подземных вод площадными -диффузными источниками загрязнения. К площадным источникам относятся сельскохозяйственное загрязнение, радиоактивное и от деятельности угольной промышленности. Выделение третьего типа точечно-площадного источника, связанного с деятельностью угледобывающей промышленности, обусловлено тем, что количество добывающих предприятий (шахт, угольных разрезов, терриконов и других) на изучаемой территории настолько велико, что их общая площадь занимает около 15% всей территории, а их влияние распространяется на значительные территории (рис. 5).
При оценке рейтинга опасности этого источника загрязнения весовое значение его рейтинга опасности было позаимствовано из таблицы 1 и принято равным 10.
Практически на всей территории широко распространена сельскохозяйственная деятельность, представленная растениеводством, животноводством, птицеводством и другими (рис. 4). Весовое значение рейтинга опасности этой отрасли хозяйства было позаимствовано из таблицы 2 и принято равным 6. Вся данная территория Тульской области попала в зону радиоактивного следа от аварии на Чернобыльской атомной станции.
Поскольку Брянская область - одна из наиболее пострадавших территорий России от аварии на ЧАЭС, то с учетом плотности выпадений радионуклидов на её территории были установлены соответствующие градации степени загрязнения для Тульской области (рис. 4).
Степень опасности загрязнения подземных вод радионуклидами определяется по плотности радиоактивных выпадений 137Сб сразу после аварии. По данным исследований Международного агентства по атомной энергии, за предельно допустимую концентрацию
БЕЛОУСОВА, МИНЯЕВА, РУДЕНКО (ПДК) принята плотность выпадений, равная 1 Ки/км2.
Таблица 2. Условный рейтинг опасности отраслей промышленности на промышленной территории Тульской области. Table 2 . Conditional hazard rating of industrial branches in the industrial territory of Tula region.
№ Отрасль промышленности Средний рейтинг Тула Новомосковск, Донской Узловая Щекино Северо-Задонск Кимовск Киреевск Богородицк к с в а л И Советск
1 Черная металлургия 12 12 - - - - - - - - -
2 Электроэнергетика 12 - 10 - 12 - - - - - 12
3 ЖКХ 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
4 Угольная промышленность 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
5 Химическая 9 9 9 9 9 9 9
6 Лесная, целлю-лозно -бумажная и деревообрабатывающая 8 - - - 8 - 8 8 8 - 8
7 Строительные материалы 7 - - 7 - - - - - -
8 Сельское хозяйство 6 - - - - - - - -
9 Машиностроение и металлообработка 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 -
10 Пищевая 3 3 3 3 3 - 3 3 3 - -
11 Легкая 1 1 1 1 1 - 1 - - - 1
Е рейтингов точечных источников 84 51 (ов) 49 (в) 39 (ср) 66 (чв) 26 (сл) 38 (ср) 37 (ср) 46 (в) 26 (сл) 51 (ов)
Рейтинг радиоактивного загрязнения - 14 15 15 14-15 15 15 16 15 16-17 15
Е рейтингов точечных и радиоактив-ных источников - 65 (чв) 64 (чв) 54 (ов) 81 (чв) 41 (в) 53 (ов) 53 (ов) 61 (чв) 43 (в) 66 (чв)
Примечания к таблице 2: рейтинг условной опасности: 20-30 - слабая (сл), 30-40 - средняя (ср), 40-50 - высокая (в), 50-60 - очень высокая (ов), >60 - чрезвычайно высокая (чв). Notes to table 2: conditional danger level: 20-30 - weak (сл), 30-40 - average (ср), 40-50 -high (в), 50-60 - very high (ов), >60 - severely high (чв).
Предлагаются следующие категории опасности загрязнения подземных вод 137Cs в зависимости от плотности его выпадения на поверхность почвы: <1 - слабая опасность, 1^5 - средняя, 5^15 - высокая, 15^40 - очень высокая, >40 - чрезвычайная. Таким образом, был установлен суммарный рейтинг условной опасности от площадных и точечно-
площадных источников загрязнения (радиоактивное загрязнение сразу после аварии), который приведен в таблице 3.
Рис. 5. Картосхема воздействия горнодобывающей промышленности (составлена на основе фондовых и электронных ресурсов). Fig. 5. Mining impact map (compiled from stock and electronic resources).
Таблица 3. Суммарный рейтинг условной опасности от площадных и точечно-площадных источников загрязнения (радиоактивное загрязнение сразу после аварии на ЧАЭС). Table 3. The total rating of conditional hazard from the areal and point-areal pollution sources (radioactive contamination right after the Chernobyl disaster).
Рейтинг опасности от точечно-площадных источников Рейтинг условной опасности от площадных источников загрязнения
Сельское хозяйство, рейтинг опасности - 6
Радиоактивное загрязнение, Ки/км2 (рейтинг опасности)
<1 (5) 1-5 (10) 5-15 (15) 15-40 (20) >40 (>25)
Отсутствует угольная промышленность 11 (сл) [1] 16 (ср) [2] 21 (в) [3] 26 (ов) [4] >31 (чв) [5]
Угольная промышленность, рейтинг опасности - 10 21 (в) [6] 26 (ов) [7] 31 (чв) [8] 36 (чв) [9] >41 (чв) [10]
Примечания к таблице 3 и 4: рейтинг условной опасности: 0-10 - условная (ус), 10-15 -слабая (сл), 15-20 - средняя (ср), 20-25 - высокая (в), 25-30 - очень высокая (ов), >30 -чрезвычайно высокая (чв), [1] - номер типового участка. Notes to table 3 and 4: conditional danger level: 0-10 - conditional (ус), 10-15 - weak (сл), 15-20 - average (ср), 20-25 - high (в), 2530 - very high (ов), >30 - severely high (чв), [1] - key plot number.
На карте суммарного рейтинга условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения после аварии на ЧАЭС (рис. 6) показано:
- рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от точечных источников загрязнения и радиоактивного загрязнения распределился следующим образом по городам: чрезвычайная опасность - Тула, Новомосковск, Донской, Богородицк, Щекино, Советск; очень высокая - Кимовск, Киреевск, Узловая; высокая - Северо-Задонск, Плавск (рис. 6);
- рейтинг условной опасности загрязнения от площадных и точечно-площадных источников загрязнения распределился следующим образом: территории с чрезвычайной опасностью загрязнения приурочены к локальным участкам с развитой добывающей промышленностью и очень высоким радиоактивным загрязнением вблизи г. Советск и Киреевск; в зоне развития сельского хозяйства и добывающей промышленности на фоне среднего радиоактивного загрязнения существует очень высокая опасность загрязнения ОС, а на фоне слабого радиоактивного загрязнения - высокая опасность; в зоне отсутствия добывающей промышленности при развитии сельского хозяйства и высоком радиоактивном загрязнении, достигающем и очень высокого уровня, что характерно для района г. Плавск, опасность изменяется от высокой до очень высокой; в зоне среднего радиоактивного загрязнения - средняя опасность; в зоне слабого радиоактивного загрязнения - слабая (рис. 6).
В 2016 г. аварии на ЧАЭС исполнилось 30 лет, что соответствует одному периоду полураспада радионуклида 137Cs, в связи с этим активность первоначальных выпадений радионуклидов уменьшилась вдвое. С учетом этого фактора была проведена переоценка суммарного рейтинга опасности для окружающей среды от площадных и точечно -площадных источников загрязнения спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС, результаты чего приведены в таблице 4.
Рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от точечных источников загрязнения по городам распределился следующим образом: чрезвычайная опасность -Щекино; очень высокая опасность - Тула, Советск; высокая - Новомосковск, Донской,
Богородицк; средняя - Узловая, Кимовск, Киреевск; слабая - Северо-Задонск, Плавск (рис. 7).
Рис. 6. Картосхема суммарного рейтинга условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения сразу после аварии на ЧАЭС. Масштаб 1:55000. Fig. 6. Schematic map of the total rating of conditional hazards of environmental pollution from various sources after the Chernobyl disaster (Scale 1:55000).
Таблица 4. Суммарный рейтинг условной опасности от площадных и точечно-площадных источников загрязнения (радиоактивное загрязнение спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС). Table 4. Total rating of conditional hazard from the areal and point-areal pollution sources (radioactive contamination 30 years after the Chernobyl disaster).
Рейтинг опасности от точечно-площадных источников Рейтинг условной опасности от площадных источников загрязнения
Сельское хозяйство, рейтинг опасности - 6
Радиоактивное загрязнение, Ки/км2 (рейтинг опасности)
<0.2 (0) 0.2-0.5 (2.5) 0.5-2.5 (5) 2.5-7.5 (10) 7.5-20 (15)
Отсутствует угольная промышленность 6 (ус) [1] 8.5 (ус) [2] 11 (сл) [3] 16 (ср)[4] 21 (в)[5]
Угольная промышлен-ность, рейтинг опасности - 10 16 (ср) [6] 18.5 (ср) [7] 21 (в)[8] 26 (ов) [9] 31 (чв) [10]
Кроме этого следует отметить, что за прошедшее время практически все угольные шахты на изучаемой территории были закрыты и затоплены, но влияние их на окружающую среду по-прежнему остаётся негативным, поэтому рейтинг угольной промышленности в данных оценках не изменился.
Рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от площадных и точечно -площадных источников загрязнения распределился следующим образом: территории с очень высокой опасностью загрязнения приурочены к локальным участкам с развитой добывающей промышленностью и высоким радиоактивным загрязнением вблизи с г. Советск и Киреевск; в зоне развития сельского хозяйства и добывающей промышленности на фоне высокого радиоактивного загрязнения существует высокая опасность загрязнения ОС, а на фоне слабого радиоактивного загрязнения - средняя; в зоне отсутствия добывающей промышленности при развитии сельского хозяйства и при среднем и высоком радиоактивном загрязнении, что характерно для района г. Плавск, опасность изменяется от слабой до средней; в зоне слабого радиоактивного загрязнения - опасность средняя, в зоне условного радиоактивного загрязнения - условная (рис. 5).
Сравнивая экологическую ситуацию спустя 30 лет после аварии с ситуацией сразу после неё, можно сделать вывод, что за этот срок произошло значительное её улучшение, хотя в радиоактивном следе в районе г. Плавск ситуация по-прежнему достаточно напряжённая, а на территории развития горнодобывающей промышленности сохраняется высокая опасность загрязнения окружающей среды несмотря на то, что практически все шахты уже закрыты.
Методика оценки опасности загрязнения подземных вод от суммарной техногенной нагрузки
В вышеприведенных исследованиях оценён суммарный рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения, включая радионуклиды, за два временных периода: сразу после аварии на ЧАЭС и спустя 30 лет после аварии; построены соответствующие карты (рис. 6, 7).
Настоящие исследования направлены на оценку опасности загрязнения подземных вод как компонента окружающей среды от суммарной техногенной нагрузки на изучаемой территории.
Оценка опасности загрязнения подземных (грунтовых) вод может быть проведена путем оценки их защищенности от загрязнения, основы чего приведены выше. Эта оценка
проводится для индивидуального загрязняющего вещества, в данном случае мы имеем дело с суммарным загрязнением от многочисленных веществ, которые могут проникнуть в подземные воды из различных источников.
Рис. 7. Картосхема (масштаб 1:55000) суммарного рейтинга условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения (спустя 30 лет после аварии). Fig. 7. Schematic map (scale 1:55000) of the total rating of conditional hazards of environmental pollution from various sources, 30 years after the Chernobyl disaster.
Следовательно, оценки защищенности, сделанные для различных загрязняющих веществ, не могут быть использованы для оценки влияния суммарной техногенной нагрузки. В связи с этим предлагается использовать следующий подход: опасность загрязнения подземных вод от суммарной техногенной нагрузки оценивать как их уязвимость к этой нагрузке, а уязвимость оценивать как соотношение незащищенности, как это предложено в работах А.П. Белоусовой (2001, 2005, 2012), а защитного потенциала защитной зоны и суммарной техногенной нагрузки, выраженной через суммарный рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды.
Карта защитной зоны строится по разработанной методике А.П. Белоусовой (2001, 2005, 2012). В результате для изучаемой территории создана картосхема защитной зоны (рис. 8) и экспликация к ней (табл. 5).
Рис. 8. Картосхема (фрагмент) защитного потенциала. Fig. 8. Fragment of schematic map of protective potential.
Как видно на рисунке 8, порядка 50% изучаемой территории характеризуется средним защитным потенциалом, 30% - высоким потенциалом, что обусловлено распространением черноземных почв, около 20% - низким и очень низким защитным потенциалом.
Степень уязвимости подземных вод к суммарному загрязнению определяется как соотношение весовых значений защитного потенциала защитной зоны к весовым значениям суммарной техногенной нагрузки, результаты приведены в таблице 6, где выделены неуязвимые, слабо уязвимые, средне уязвимые, высоко уязвимые и очень высоко уязвимые к загрязнению подземные воды.
Таблица 5. Экспликация к картосхеме защитной зоны, представленной на рисунке 8. Table 5. Explication to the schematic map of the protection zone from the figure 8.
Типы и литологическое строение почв Глубина залегания грунтовых вод (м) Литологическое строение зоны аэрации
Аллювиальные, суглинистые (1) Дерново-подзолистые, супесчаные, суглинистые (2) Лесные, суглинистые (3) Черноземные, суглинистые (4)
1 (4) 1-3 (2) Пески (1) Аллювиальные, флювиоглациальные, лимногляциальные
2 (5) 0-1 (1) Суглинки (3)
3 (4) 1-3 (2) Пески (1)
4 (5) 3-5 (3)
5 (8) 5-10 (4) Суглинки (3)
6 (9) 10-15 (5)
7 (4) 0-1 (1) Суглинки (3) Пески (1)
8 (5) 1-3 (2)
9 (5) 3-5 (3) Пески (1)
10 (8) 10-15 (5) Суглинки (3), пески (1)
11 (7.5) 5-10 (4) Пески (1), глины (4)
12 (5.5) 0-1 (1) Суглинки (3) Глины (4)
13 (6.5) 1-3 (2)
14 (7.5) 3-5 (3)
15 (8.5) 5-10 (4)
16 (9.5) 10-15 (5)
17 (6) 0-1 (1) Глины (4)
18 (4) 1-3 (2) Пески (1)
19 (9) 5-10 (4) Глины (4)
20 (10) 10-15 (5)
31 (7) 56 (8) 0-1 (1) Суглинки (3) Пролювиальные, гляциальные
21 (7) 32 (8) 57 (9) 1-3 (2)
22 (8) 33 (9) 58 (10) 3-5 (3)
23 (9) 34 (10) 59 (11) 5-10 (4)
24 (10) 35 (11) 60 (12) 10-15 (5)
36 (12) 61 (13) >20 (6)
37 (6) 0-1 (6) Суглинки (3) Пески (1)
38 (7) 62 (8) 1-3 (2)
39 (8) 63 (9) 3-5 (3)
40 (9) 64 (10) 5-10 (4)
41 (10) 65 (11) 10-15 (5)
42 (8.5) 3-5 (3) Суглинки (3), супеси (2)
66 (10.5) 5-10 (4)
25 (7.5) 43 (8.5) 67 (9.5) 1- 3 (2) Суглинки (3) Глины (4)
44 (9.5) 68 (10.5) 3-5 (3)
26 (9.5) 45 (10.5) 69 (11.5) 5-10 (4)
27 (10.5) 46 (11.5) 70 (12.5) 10-15 (5)
Продолжение таблицы 5.
Типы и литологическое строение почв Глубина залегания грунтовых вод (м) Литологическое строение зоны аэрации
Аллювиальные, суглинистые (1) Дерново-подзолистые, супесчаные, суглинистые (2) Лесные, суглинистые (3) Черноземные, суглинистые (4)
28 (7.5) 47 (8.5) 1-3 (2) Глины (4) Суглинки (3) Пролювиальные, гляциальные
48 (9.5) 3-5 (3)
29 (9.5) 49 (10.5) 5-10 (4)
30 (10.5) 50 (11.5) 10-15 (5)
51 (8) 0-1 (1) Глины (4)
52 (9) 1-3 (2)
53 (10) 3-5 (3)
54 (11) 71 (12) 5-10 (4)
55 (7) 1-3 (2) Супеси (2)
Примечания к таблице 5: у каждой литологической разности почв, пород и глубин залегания подземных (грунтовых) вод - в скобках приведено их весовое значение по степени увеличения их способности препятствовать проникновения загрязняющих веществ через защитную зону в подземные воды; 29 (9.5) - номер выдела на картосхеме (рис. 8), в скобка суммарное весовое значение трех показателей почв, пород зоны аэрации и глубины залегания подземных вод. Notes to table 5: in the brackets next to every lithological variety of soils, rocks and groundwater depths is their weight by the ascending degree of their ability to prevent the pollutants from penetration through protecting zone into the groundwater; 29 (9.5) -plot number on the map from figure 8, in the brackets is the total weight of 3 indices of soils, aeration zone rocks and groundwater depths.
Картосхема уязвимости грунтовых вод к техногенной нагрузки после аварии на ЧАЭС (рис. 9) строилась путем совмещения картосхемы защитной зоны (рис. 8) и картосхемы суммарного рейтинга опасности загрязнения окружающей среды от различных источников после аварии (рис. 6).
Как показано на рисунке 9, после аварии на ЧАЭС уязвимость грунтовых вод от суммарной техногенной нагрузки, включая радиоактивную, на территории Тульского промышленного района распределялась следующим образом: очень высоко и высоко уязвимые грунтовые воды сосредоточились преимущественно на территории объединенного шахтного поля; высоко уязвимые воды отмечены на незначительных территориях в районе г. Плавск и на юго-востоке; средне уязвимые воды приурочены к долинам рек, к радиоактивному следу в районе г. Плавска, к шахтному полю; на большей части территории распространены слабо уязвимые, а на незначительной - условно неуязвимые грунтовые воды; при этом почти во всех крупных городах на изучаемой территории грунтовые воды характеризуются высокой уязвимостью к загрязнению.
Картосхема уязвимости грунтовых вод к техногенной нагрузке спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС (рис. 10) строилась путем совмещения картосхемы защитной зоны (рис. 8) и картосхемы суммарного рейтинга опасности загрязнения окружающей среды от различных источников спустя 30 лет после аварии (рис. 7).
Как показано на рисунке 10, через 30 лет после аварии, после того как активность поверхностных радиоактивных выпадений на территории радиоактивного следа уменьшилась
вдвое, т.к. период полураспада основных радионуклидов составил около 30 лет, а остальная техногенная нагрузка сохранилась, несмотря на закрытие угольных шахт, уязвимость грунтовых вод характеризуется следующим образом: высоко уязвимые сосредоточились преимущественно на территории объединенного шахтного поля, на незначительных территориях в районе г. Плавска; средне уязвимые приурочены шахтному полю и к узким долинам рек; слабо уязвимые приурочены к территории шахтного поля, к радиоактивному следу в районе г. Плавска, к долинам рек на севере территории; на большей части территории распространены условно неуязвимые воды при этом на севере и юго-востоке первичное радиоактивное загрязнение практически отсутствует, а почти во всех крупных городах грунтовые воды по-прежнему характеризуются высокой уязвимостью к загрязнению.
Таблица 6. Степень уязвимости подземных вод к суммарному загрязнению различными загрязняющими веществами (весовое значение). Table 6. The degree of groundwater vulnerability to the total pollution by the various substances (weight value).
Защитный потенциал (весовое значение) Суммарная техногенная нагрузка (весовое значение)
Чрезвычайная (6) Очень высокая (5) От высокой до очень высокой (4) Высокая (3) Средняя (2) Слабая (1)
Очень низкий (4) 10 9 8 7 6 5
Низкий (3) 9 8 7 6 5 4
Средний (2) 8 7 6 5 4 3
Высокий (1) 7 6 5 4 3 2
Примечания к таблице 6: степень уязвимости подземных вод: 1-2 - неуязвимые, 3-4 - слабо уязвимые, 5-6 - средне уязвимые, 7-8 - высоко уязвимые, 9-10 - очень высоко уязвимые. Notes to table 6: groundwater vulnerability level: 1-2 - invulnerable, 3-4 - slightly vulnerable, 56 - moderately vulnerable, 7-8 - highly vulnerable, 9-10 - severely vulnerable.
Рекомендации по сохранению и реабилитации качества подземных вод и ведению экологического мониторинга на сложных природно-техногенных объектах. Радиационная обстановка. Особенностью радиоактивного загрязнения Тульской области является то, что оно приходится на индустриальные и наиболее плотно заселенные территории. В зоне с интенсивностью загрязнения от 1 до 5 Ки/км2 находились 11 городов и 8 поселков городского типа, в том числе Новомосковск, Донской, Щекино, Узловая, Богородицк, Кимовск, Киреевск, Белев, Сокольники, Липки, Советск и поселки городского типа: Дубовка, Товарковский, Арсеньево (Арсеньевского района), Бородинский (Киреевского района), Теплое (Тепло-Огаревского района) и станция Скуратово (Чернского района). Только г. Плавск находился в зоне загрязнения 5-15 Ки/км2.
Превышение уровня гамма-фона отмечается в наиболее загрязненном Плавском районе - до 0.18-0.35 мкЗв/час, Арсеньевском - 0.14-0.18 мкЗв/час, Узловском - 0.16-0.19 мкЗв/час, Чернском - 0.14-0.18 мкЗв/час, а также на ограниченных территориях Киреевского, Щекинского, Белевского и Богородицкого районов. Большая часть территории подверглась загрязнению 137Cs в концентрации более 1.08 Ки/км2. Общая площадь радиоактивного загрязнения области составила 14.5 тыс. км2 или 56% территории. В Плавском районе при среднем уровне радиационного загрязнения 10-15 Ки/км2 были зарегистрированы пятна до 40 Ки/км2.
Влияние промышленных предприятий на подземные воды. Тульская область занимает 4 место в Центральном федеративном округе по объему сбросов загрязненных сточных вод (171.08 млн. м3) и 7 место по количеству проб питьевой воды в распределительных сетях, не
БЕЛОУСОВА, МИНЯЕВА, РУДЕНКО соответствующих по санитарно-химическим показателям (20.1%) на 2014 г.
Рис. 9. Картосхема уязвимости грунтовых вод к суммарной техногенной нагрузке сразу после аварии на ЧАЭС, масштаб 1:200000 (с уменьшением). Fig. 9. Schematic map of groundwater vulnerability to the total technogenic load after the Chernobyl disaster (Scale 1:200000).
Основными источниками загрязнения подземных вод на территории области являются шламонакопители и золоотвалы металлургических предприятий (ОАО «Косогорский металлургический завод» и «Тулачермет») и теплоэлектростанции, пруды-отстойники промпредприятий г. Новомосковска, крупные животноводческие комплексы и молочно -товарные фермы (южные районы области), зверохозяйство (п. Теплое), птицефабрики,
склады минеральных удобрений (пп. Теплое, Черепеть, г. Суворов), очистные сооружения предприятий ЖКХ (очистные п. Скуратово), нефтехранилища (Новомосковская и Ефремовская нефтебазы), горные выработки закрытых угольных шахт, солепромыслы (ООО «Новомосковский хлор»), утечки из сети водоотведения (г. Тула), хранилища твердых бытовых отходов, инфильтрация загрязненных вод из Шатского водохранилища.
Рис. 10. Картосхема уязвимости грунтовых вод к суммарной техногенной нагрузке спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС, масштаб 1:200000 (с уменьшением). Fig. 10. Schematic map of groundwater vulnerability to the total technogenic load, 30 years after the Chernobyl disaster (Scale 1:200000).
По состоянию на 2010 г. в Тульской области выявлено порядка 33 водозаборов и скважин, на которых имеется загрязнение подземных вод, причем за 2010 г. установлено 9 случаев загрязнения, из них 8 участков загрязнены нитратами и 1 - фторидами в г. Северо-Задонске, что связано с подтягиванием вод из шахты Сокольнической.
На территории Тульской области добывается бурый уголь. Это твердый ископаемый уголь бурого цвета, образовавшийся из торфа, наиболее молодой из ископаемых углей. Он мало используется, но из-за низкой стоимости в мелких и частных котельных более популярен и занимает иногда до 80% от доли используемых. В 1992 г. действовали 22 шахты и 4 разреза, к началу 2005 г. осталось 2 шахты и 1 разрез.
На участках отработанных угольных месторождений в результате затопления горных выработок происходит изменение показателей химического состава вод (увеличение минерализации, жесткости, содержания железа) вследствие окисления сульфатов, содержащихся в отложениях угленосного комплекса.
В Щекинском районе на Воздремковском водозаборе в 90-е годы было устойчивое ухудшение качества подземных вод Сшр 2 из-за подтягивания загрязненных вод со стороны шахты Западная. Шахта была затоплена в 1996 г. Пик ухудшения качества воды в Сшр приходится на середину 2000-х. В т.ч. увеличилась концентрация железа - до 10 ПДК и сульфатов (несмотря на то что нет превышения по ПДК 400 мг/л), с 1996 г. их содержание возросло в 8 раз. Тенденция к улучшению качества подземных вод в наше время связана с затуханием окислительно-восстановительных процессов в шахтных выработках.
После остановки шахтного понижения и восстановления уровня в С1ЬЬ-1;1 3 на бывших шахтах Сокольнической и Новомосковской при доступе воздуха в горных выработках начался процесс окисления сульфидов, в результате воды насыщались сульфатами (764 мг/дм3 - 1.5 ПДК) и железом (20 ПДК).
В 1999 г. на отработанном Любовском месторождении угля в водах Сшр зафиксирована минерализация до 6 г/л, содержание хлоридов до 3500 мг/л.
Нарушение взаимосвязи поверхностных и подземных вод. На периферийных частях Новомосковского промышленного района воды С1ЬЬ-1;1 имеют минерализацию - 0.20.3 мг/дм3 и гидрокарбонатный тип. На территории бывших шахт Сокольнической и Новомосковской С^Ь-Й имеет тесную гидравлическую связь с водами Шатовского и Любовского водохранилищ. В результате чего тип воды поменялся на сульфатный, а минерализация увеличилась в 7 раз. А из-за интенсивного шахтного осушения и понижение уровня произошла инверсия уровней и проникновение вод с высокой минерализацией из нижележащих водоносных горизонтов.
Воздействие терриконов. Вывод на дневную поверхность больших масс глубинных пород приводит к погребению почв как непосредственно под отвалами, так и под продуктами их размыва и переотложения. Это способствует проникновению загрязняющих веществ из терриконов в почвы. Площади влияния отвалов в несколько раз превышает площади самих отвалов. В породе террикона содержатся практически все элементы таблицы Д.И. Менделеева, включая и радиоактивные элементы. Терриконы подвержены выветриванию и вымыванию породы (иногда весьма токсичной и радиоактивной) с разнесением по окрестностям, самовозгоранию под воздействием химических реакций и деятельности бактерий с выделением в атмосферу парниковых газов, просачиванию и выделению в атмосферу радиоактивных газов, метана и т.д.
2 С1ир - обозначение Нижней толщи Упинского горизонта по общепринятой стратификационной шкале геологического возраста пород и водоносных горизонтов (прим. авт.).
3 С1ЬЬ-11 - обозначение Бобриковско-Тульского горизонта по общепринятой стратификационной шкале геологического возраста пород и водоносных горизонтов (прим. авт.).
Также происходит загрязнение гидросферы в результате смыва осевшей на земную поверхность пыли, образующейся в процессе добычи, при выветривании породных отвалов, при транспортировке, перегрузке и пересыпке.
Выработанные пространства рудников и карьеров используются часто для городских и промышленных свалок. Это увеличивает вероятность загрязнения подземных вод вследствие выщелачивания свалок и последующего просачивания зараженных вод в подземные слои. Кроме того, породы используются при дорожном строительстве, что в условиях агрессивной среды может приводить к загрязнению зоны аэрации.
Воздействие карьеров. Оползни при открытой разработке формируются при слабо осушенных песчано-глинистых породах. Срезание почвенного профиля, уменьшение мощности зоны аэрации и появление быстрых путей миграции из зоны аэрации в водоносные горизонты.
Влияние ликвидированных шахт (Елохина, 2004, 2013) вызывает следующие последствия:
1) оползни и осыпи при открытой разработке месторождений, формирующиеся при «мокрой» консервации карьерных выемок, на склонах отвалов и провальных воронок;
2) провалы, обрушения, проседания поверхности земли над горными выработками из-за водной эрозии стенок подземных горных выработок;
3) загрязнение зоны аэрации в результате химического выветривания отвалов, терриконов, аэрогенных ореолов и др; объектов;
4) окисление рудной минерализации и органических веществ в осушенных породах техногенной зоны аэрации при неполном восстановлении уровня подземных вод;
5) растворение вторичных минералообразований в бывшей техногенной зоне аэрации;
6) подтопление территории, заболачивание;
7) суффозионные и суффозионно-карстовые процессы над подземными горными выработками;
8) нарушение прочностных свойств и устойчивости подработанных массивов горных пород;
9) разжижение и снижение прочностных свойств горных пород при их вторичном замачивании;
10) ухудшение качества подземных вод при затоплении горных выработок, в т.ч. при подтягивании шахтных вод к водозаборам;
11) подъем уровня подземных вод после остановки водоотлива в границах депрессионной воронки;
12) внезапный прорыв рудничных вод из старых затопленных выработок;
13) загрязнение подземных вод в результате химического выветривания отвалов, терриконов, аэрогенных ореолов и др. объектов.
Как показал анализ существующей экологической обстановки на территории Тульского промышленного района и наши оценки уязвимости подземных вод к суммарной техногенной нагрузке спустя 30 лет после аварии на ЧАЭС и после ликвидации практически всех угольных шахт и разрезов, экологическая ситуация по-прежнему остаётся напряжённой.
По результатам наших оценок (рис. 9, 10) наиболее уязвимые к загрязнению грунтовые воды сосредоточены в пределах территории объединенного шахтного поля и Плавского района, а также в пределах всех крупных городов.
Само шахтное поле после ликвидации всех шахт остаётся интенсивным источником загрязнения подземных вод и особенно грунтовых вод радионуклидами и будет являться им еще не одно десятилетие. Очень важно, что каждая действующая и ликвидированная шахта является быстрым и огромным по площади путем для миграции радионуклидов с поверхности земли в подземные воды, при этом миграция осуществляется уже 30 лет после аварии и будет продолжаться еще несколько периодов полураспада (считается, что через 10
периодов активность первичных выпадений радионуклидов будет практически полностью исчерпана); а терриконы - источники поступления и «собственного» радиоактивного загрязнения).
Поэтому ликвидация шахт на изучаемой территории была не только с экономической, но и с экологической точки зрения своевременной и необходимой для оздоровления окружающей среды и населёния.
Таким образом, в результате оценки уязвимости подземных вод к суммарной техногенной нагрузке (рис. 10) на территории Тульского промышленного региона были выделены два района для ведения специального экологического мониторинга: объединенное шахтное поле и Плавский район.
Особенности экологического мониторинга такого сложного природно-техногенного объекта как Тульский промышленный район обусловлены наличием на его территории как стандартной техногенной нагрузки (промышленные предприятия, сельское хозяйство, ЖКХ, транспорт), так и ряда специфических источников техногенной нагрузки, к которым следует отнести большое количество шахт (преимущественно ликвидированных на данное время), и радиоактивный след от аварии на ЧАЭС, активность выпадений которого в различной степени распространилась на изучаемой территории и будет еще с различной интенсивностью сказываться на протяжении еще не одного тридцатилетия. Характеристика техногенной нагрузки приведена выше и на рисунках 3-5.
Рекомендации по ведению экологического мониторинга
- Экологический мониторинг должен включать наблюдения за всеми компонентами окружающей среды: атмосфера, литосфера (почвы и породы зоны аэрации), биосфера (флора и фауна), гидросфера (поверхностные и подземные воды: грунтовые и напорные воды), техносфера (сточные воды, свалки, переотложенные породы, терриконы и др.).
- Наблюдению подлежат все источники загрязнения, точечные и диффузные, расположенные во всех компонентах окружающей среды.
- Особое внимание следует уделить наблюдениям за воздействием горнодобывающей промышленности (действующих и ликвидированных угольных шахт, разрезов, карьеров и терриконов) на окружающую среду и отдельно на подземные воды.
- Наблюдения за подземными водами следует сосредоточить на следующих аспектах:
• наблюдения за ресурсным их потенциалом, формированием депрессионных воронок, ущербам подземным водам при водоотливе из горных выработок при их эксплуатации и затоплении, и при их ликвидации;
• наблюдения за качеством подземных вод на действующих и на ликвидированных выработках и на прилежащих к ним территориях;
• наблюдения за состоянием поверхности земли на выше названных объектах и территориях.
- Также особое внимание следует уделить радиоактивному загрязнению на изучаемой территории: проводить наблюдения за состоянием атмосферного воздуха, атмосферных осадков, почв, поверхностных и подземных вод.
- Наблюдение за подземными водами следует проводить обязательно как для верхнего водоносного горизонта - грунтовых вод, так и для напорных вод, широко используемых для нужд питьевого водоснабжения. Как правило, мониторинг радиоактивного загрязнения на территориях, пострадавших от аварии на ЧАЭС, ведется преимущественно за напорными подземными водами (водозаборами пресных вод), грунтовые воды практически не наблюдаются. Но при радиоактивном загрязнении на этих территориях загрязнению
подвергаются грунтовые воды, которые могут являться источником загрязнения для нижезалегающих подземных вод. Это подтверждено мониторингом на территории Брянской области, для Тульской области сведения отсутствуют. Особенно это важно для территорий, где помимо радиоактивного загрязнения существует множество ликвидированных шахт и разрезов, которые во много раз усиливают интенсивность миграции радионуклидов с поверхности земли до грунтовых вод и усиливают процесс перетекания грунтовых вод в напорные водоносные горизонты, что способствуют его загрязнению.
- Кроме этого следует помнить, что влияние радиоактивного поверхностного загрязнения будет сказываться еще как минимум 270 лет, хотя интенсивность его будет уменьшаться через каждые тридцать лет. Его влияние на грунтовые воды будет сказываться с затухающим эффектом в течение еще 60-90 лет и не на всей территории, а только в Плавском районе. Но неизвестно, в течение какого времени будет проявляться влияние ликвидированных горных выработок. В целом, мониторинг за радиоактивным загрязнением и влиянием горнодобывающей промышленности следует вести еще в течение многих лет.
Сохранение и реабилитация подземных вод от загрязнения различными загрязняющими веществами должны базироваться на результатах мониторинга, а в зависимости от их химического, радиоактивного и биологического состава будут выбираться методы очистки подземных вод от этих загрязняющих ингредиентов.
Выводы
Оценена защищенность подземных вод от загрязнения по ранее разработанной и унифицированной нами методике, а с учетом влияния изменяющегося климата выполнена соответствующая оценка для одного из регионов Тульской области с развитой промышленностью, сельским хозяйством и пострадавшем от аварии на Чернобыльской АЭС.
При оценке защищенности возможный процесс изменения климата учитывался по следующим сценариям: современные климатические условия, условия иссушения климата, условия увлажнения климата.
Оценки защищенности подземных вод проводилась для следующих загрязняющих веществ: радионуклиды 9^г и 137Сб - как продукты загрязнения от аварии на ЧАЭС; Сг6+ -как одно из приоритетных загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий; КН4+ и N03" - сельскохозяйственное и жилищно-коммунальное загрязнение и нейтральные загрязняющие вещества (макрокомпоненты, нефтепродукты и другие). По каждому из перечисленных веществ проводилась оценка защищенности подземных вод по трем названным сценариям изменения климата с построением соответствующих карт.
Оценён суммарный рейтинг условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения (промышленность, сельское хозяйство, добывающая промышленность, радиоактивное загрязнение) на два срока: сразу после аварии на ЧАЭС и спустя 30 лет после аварии с построением соответствующих карт.
За 30 лет после аварии на ЧАЭС произошло значительное улучшение экологической ситуации, хотя в радиоактивном следе в районе г. Плавск ситуация по-прежнему достаточно напряжённая, а на территории развития горнодобывающей промышленности сохраняется высокая опасность загрязнения окружающей среды, несмотря на то, что практически все шахты уже закрыты, но их влияние на окружающую среду остаётся достаточно высоким.
Проведенная оценка суммарного рейтинга условной опасности загрязнения окружающей среды от различных источников загрязнения явилась основой для оценки уязвимости подземных вод как компонента окружающей среды к суммарной техногенной нагрузке в пределах изучаемой территории.
Уязвимость грунтовых вод определялась для двух временных интервалов, связанных с
последствиями аварии на ЧАЭС на изучаемой территории, попавшей в зону её радиоактивного следа с построением соответствующих карт;
Установлено, что спустя 30 лет после аварии, после того как активность поверхностных радиоактивных выпадений на территории радиоактивного следа уменьшилась вдвое, в связи с тем, что период полураспада основных радионуклидов составил порядка 30 лет, а остальная техногенная нагрузка сохранилась, несмотря на закрытие угольных шахт, высоко уязвимые грунтовые воды сосредоточились преимущественно на территории объединенного шахтного поля, на незначительных территориях в районе г. Плавска, при этом на севере и юго-востоке изучаемой территории первичное радиоактивное загрязнение уже практически отсутствует, а почти во всех крупных городах на этой территории грунтовые воды по -прежнему характеризуются высокой уязвимостью к загрязнению.
В результате оценки уязвимости подземных вод к суммарной техногенной нагрузке на территории Тульского промышленного региона были выделены два района для ведения специального экологического мониторинга: объединенное шахтное поле и Плавский район.
Разработаны некоторые рекомендации по ведению экологического мониторинга на сложных природно-техногенных объектах. Сохранение и реабилитация подземных вод от загрязнения различными загрязняющими веществами должна базироваться на результатах мониторинга и в зависимости от химического, радиоактивного, биологического их состава будут выбираться методы очистки подземных вод от этих загрязняющих ингредиентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоусова А.П. 2001. Качество подземных вод. Современные подходы к оценке. М.: Наука. 340 с. Белоусова А.П. 2005. Ресурсы подземных вод и их защищенность от загрязнения в бассейне
реки Днепр и отдельных его областях: Российская территория. М.: ЛЕНАНД. 168 с. Белоусова А.П. 2012. Оценка защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами
// Вода: химия, экология. № 5. С. 11-17. Белоусова А.П., Проскурина И.В. 2010. Подходы к оценке техногенной нагрузки как фактора
опасности загрязнения подземных вод // Вода, химия и экология. № 12. С. 2-11. Белоусова А.П., Руденко Е.Э. 2018. Особенности унифицированной методики оценки защищенности подземных вод от загрязнения // Недропользование XXI век. № 2 (71). С. 154-161.
Белоусова А.П., Руденко Е.Э., Миняева Ю.В. 2018. Опыт усовершенствования методики оценки защищенности подземных вод от загрязнения // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. № 4 (124). С. 42-56. Биндеман Н.Н. 1963. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Госгеотехиздат. 203 с. Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской
Федерации в 2014 г.». 2015. М.: НИА-Природа. 270 с. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды Российской Федерации
в 2005 г.». 2006. М.: АНО «Центр международных проектов». 507 с. Елохина С.Н. 2013. Гидрогеоэкологические последствия горного техногенеза на Урале.
Екатеринбург: ООО «УИПЦ». 187 с. Елохина С.Н. 2004. Исследование геоэкологических последствий самозатопления шахтных полей // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. № 5. С. 405-414.
METOflBI O^HKH 3A^H^EHHOCTH H Y£3BHMOCTH nO£3EMHBIX BOA
METHODOLOGY FOR ASSESSMENT PROTECTION AND VULNERABILITY OF GROUNDWATER FROM CONTAMINATION IN REGIONS WITH COMPLEX
ENVIRONMENTAL SITUATION
© 2019. A.P. Belousova, Yu.V. Minyaeva, E.E. Rudenko
Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences Russia, 119333, Moscow, Gubkina Str., 3. E-mail: [email protected], [email protected]
Received February 10, 2019. After revision April 08, 2019. Accepted May 08, 2019.
The degree of danger of environmental pollution is determined by the intensity of the total anthropogenic load on its individual components. For example, industrial areas of the Tula region with well-developed industry, agriculture, mining and other economic activities, as well as those trapped in the radioactive trail from the Chernobyl nuclear power plant disaster, the principles for estimating the total anthropogenic impact on the environment of this region are considered. The danger of pollution of the environment and groundwater such as diffuse and point-area sources of pollution (agricultural pollution, radioactive pollution and pollution from the activities of the coal industry) have been evaluated. Taking into account the developed and evaluated hazard rating of point sources of environmental pollution, the technogenic load for a number of cities and settlements of Tula region was analyzed. The danger of pollution of the environment and groundwater by are such as diffuse and point-area sources of pollution (agricultural pollution, radioactive pollution and pollution from the activities of the coal industry) have been evaluated. The methodology was developed, and the overall rating of the conditional hazard of environmental pollution from various sources of pollution (point, area and point-area) after the Chernobyl incident and 30 years after the accident was estimated. Comparing the environmental situation 30 years after the Chernobyl disaster, we can say that there was a significant improvement in the environmental situation, although there are areas with a rather tense situation, and there is a high risk of environmental pollution in the mining industry, despite the fact that almost all mines have been already closed, although their impact on the environment remains quite high.
Keywords: environment, protection and vulnerability of groundwater, sources of pollution, technogenic load, pollution hazard, pollution hazard rating, Chernobyl disaster. DOI: 10.24411/2542-2006-2019-10034
ЭКOСHCTЕМBI: ЭКOПOГHM H flHHAMHKA, 2019, tom 3, № 2
