CC BY
28
ПРОЦЕССЫ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛАНДШАФТАХ МАНГИСТАУСКОЙ ОБЛАСТИ КАЗАХСТАНСКОГО ПРИКАСПИЯ
© Ахметжанова З.Х.*, Дуйсебаева ^Д/, Киргизбаева М.М.*
Научно-исследовательский институт проблем экологии Казахского национального университета имени Аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы ТОО «ECOTERA», Республика Казахстан, г. Алматы
Исследованы процессы миграции тяжелых металлов в ландшафтах Мангистауской области Республики Казахстан. Проводится мониторинг загрязнения почвы в окрестностях хвостохранилища от бывшего горнометаллургического предприятия.
В аридных зонах испаряемость преобладает над осадками и водорастворимые продукты техногенеза начинают концентрироваться в почвах, поэтому, здесь возможно интенсивное накопление техногенных элементов в высоких концентрациях в виде коллоидальных растворов, мигрирующих в органических и минеральных формах. Проведен мониторинг по точкам отбора почв на определение тяжелых металлов и металлоидов в окрестности хвостохранилища «Кошкар-Ата».
Установлено увеличение концентраций тяжелых металлов в почвах на юго-восточном и восточном направлениях от хвостохранилища «Кош-кар-Ата». Анализ механизмов осаждений, с учетом физико-химических особенностей существования молекул, образуемых газов и частиц тяжелых металлов, показывает опасность вовлечения в техногенные потоки атмосферного аэрозоля элементы: Мо, V, и, Se, №, Сг, РЬ, Cd и очень токсичного, легко вовлекаемого в биологический круговорот селена.
Ключевые слова: влияние хвостохранилища в аридных ландшафтах, загрязнение почв тяжелыми металлами, мониторинг почв.
Введение
Ландшафты Прикаспийского региона Казахстана (к ним относятся Ман-гистауская и Прикаспийская области) испытывают интенсивное техногенное воздействие нефтедобывающих отраслей производства. Крупные нефте-газоконденсатные месторождения региона отличаются от всех ранее введенных в разработку месторождений углеводородного сырья, повышенной хи-
* Главный научный сотрудник НИИ проблем экологии КазНУ им. Аль-Фараби, доктор географических наук.
* Доцент НИИ проблем экологии КазНУ им. Аль-Фараби, кандидат географических наук. " Ведущий специалист ТОО «ЕСОТЕЯА».
мической агрессивностью, связанной с большим присутствием сероводорода, меркаптанов, углекислого газа. При буровых работах используется 27 видов химических реагентов, вызывающих загрязнение природных комплексов.
Ранее нами были установлены следующие виды негативных воздействий в ландшафтах Казахстанского Прикаспия [1]:
- разрушение морфологического профиля почв совместно с ветро-пылевым выносом материала и появление вторичных антропогенных форм рельефа;
- эрозия почв с появлением вторичных антропогенных форм рельефа;
- пастбищная деградация почв, вызвавшая дефляцию почвы со снижением продуктивности угодий;
- затопление и подтопление прибрежных территорий Каспийского моря, создавшие процессы анабиозиса и образование восстановленных соединений железа, марганца, серы и азота;
- радиоактивное загрязнение в Атырауской области, вовлекло в пищевой цикл радионуклиды: цезий 137, стронций 90, радий 226 и ряд тяжелых металлов: никель, ванадий, стронций, кобальт, молибден, мышьяк и др.
В результате химического класса воздействий произошли:
а) нефтехимическое загрязнение, имеющее последствия уплотнения почвенного горизонта, образования битумных кор, изменения генетического горизонта почвы, увеличения содержания углерода, уменьшения содержания кислорода, угнетения биотических составляющих почв, увеличения суммы оснований, возрастания степени засоления и количеств токсичных тяжелых металлов;
б) засоление почв, обусловленное двумя причинами: сбросом сильно минерализованных сточных вод на всех нефтепромыслах и нерациональным использованием орошаемых земель, т.е.:
- разлив и сбросы нефтепромысловых вод на поверхность привели к хлор-кальциевому и сульфат-хлоридному засолению почв с минерализацией до 150-200 г/л;
- процессы засоления дополнительно привели к глубокой трансформации морфо-генетического профиля почвы, сформировавшие техногенные луговые солончаки и солончаковые почвы с измененным морфологическим, химическим и механическим свойствами по отношению к исходной почве.
Выше названные процессы эрозии тесно связаны с эоловыми процессами, которые играют значительную роль в формировании обширных впадин пустынь, особенно в Мангистауской физико-географической провинции. Пастбища на песчаных почвах Прикаспийского региона Казахстана при неправильном их использовании деградируют за 1-3 года. Мгновенно появляются очаги дефляции, проблемы с заметными наносами песков даже на окраинах
населенных пунктов. Имеет место известный в мире пример «трагедии пастбищ» Хардина [2].
Материалы
Местными источниками атмосферного аэрозоля в Мангистауской области служат природные почвообразующие породы (озерно-морские и аллювиальные засоленные слоистые отложения). Литологический состав поч-вообразующих пород склонен к формированию атмосферного аэрозоля, в условиях критических значений дней пыльных бурь в году, суховеев, засух и особенностей атмосферного переноса. Традиционно считается, что наличие большой скорости ветра понижает потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Но частая повторяемость дней с неблагоприятными явлениями погоды (пыльные бури, суховеи, атмосферная и почвенная засухи, малое количество осадков), может не понижать, а повышать ПЗА. Результатом одновременного сочетания неблагоприятных явлений в аридных ландшафтах является вынос солей в атмосферу. По Н.Ф. Глазовскому направление и дальность атмосферного переноса солей определяется положением данной территории в системе бассейнов атмосферного стока [3]. С атмосферным стоком региональный суммарный вынос солей в аридных областях колеблется от 24-132 млн. т в год и атмосферный вынос солей составляет от 6,0 % до 36,6 % от их суммарного поступления (эоловый вынос солей).
Воздушные потоки переносят не только химически инертную пыль, но и кристаллики солей, которые растворяются в атмосферной влаге и переносятся аэрозолями, молекулами и ионами. На территории аридных ландшафтов показателем интенсивности этого процесса может служить количество пыльных и соляных бурь. На основании данных о количестве пыльных бурь и районов распространения дефляции Н.Н. Романовым была составлена схема расположения районов с наиболее интенсивным поступлением веществ в атмосферу [4]. Полученные материалы Н.Ф. Глазовского и Н.Н. Романова, позволили сделать им некоторые выводы по пространственным закономерностям миграции водорастворимых компонентов с атмосферными потоками и оценить количество вещества, поступающих в атмосферу Прикаспийского региона в результате ветрового выноса [5]. По Н.Н. Романову вынос растворимых веществ с поверхности почв при обычных пыльных бурях составляет 0,1-0,2 т/км2. При особо сильных ветрах, когда дефляция захватывает 510 см почвы, выносится более 10 т/км2 в год. Действительно, одна пыльная буря в Казахстане выносит из распаханных почв от 10 до 100 т/км2, с поверхности солончаков - до 1000 т/км2 (рис. 1).
На протяжении 1998-2006 гг. данные Казахского научно-исследовательского института министерства охраны окружающей среды РК показывают повышенные значения содержания пыли в атмосферном воздухе Манги-стауской области [6-9].
Рис. 1. Ветровой вынос солей с впадин в Мангистауской провинции (аэрофото-снимок, впадина Куанды)
ПГМК - производственно-горнометаллургический комбинат; МАЭК - Мангистауский Атомно-энергетический комбинат
Рис. 2. Схема расположения хвостохранилища «Кошкар-Ата»
В данной статье нами приводятся результаты исследований запыленности атмосферы, миграция в ней взвешенных частиц, возможные пути загрязнений терригенного аэрозоля. В реальной атмосфере химический состав и распределение частиц по высоте зависит от деятельности местных источников атмосферного аэрозоля и от особенностей атмосферного переноса. Статистическая обработка показывает, что в общем составе частиц атмосфер-
ного аэрозоля 85 % принадлежит частицам, поднимаемых ветром с поверхности [10]. В простых атмосферных условиях тяжелые элементы неподвижны, но скорость их выщелачивания увеличивается если в атмосфере есть кислотообразующие газы, например NOx, превышение которых над нормативным в Мангистауской области постоянно наблюдается [6, 7]. На протяжении многих лет основными источниками загрязнения атомами тяжелых металлов в Мангистауской области служили предприятия горнометаллургического комбината при разработке уранового месторождения, где с 1965 года производилось складирование промышленных отходов в хвостохрани-лище «Кошкар-Ата» в естественной котловине, находящейся севернее г. Ак-тау. Здесь размещались токсичные промышленные и в том числе радиоактивные отходы, а также хозбытовые, фекальные стоки части жилого массива г. Актау (административный центр Мангистауской области) (рис. 2).
На расстоянии порядка 2-3 км по периметру от хвостохранилища «Кошкар-Ата» полностью деградирована земля (рис. 3).
Рис. 3. Хвостохранилище «Кошкар-Ата. Полностью техногенно-трансформированный ландшафт
Промышленные отходы, попавшие в хвостохранилище «Кошкар-Ата», представляют собой продукт переработки колчедана - цветные сернистые соединения ^ Fe, №, ^ и составило по отчетам в 2006 г.: жидких - 304 млн. т, твердых - 104 млн. т.
Методы
Основная часть работы - получение картины загрязнений тяжелых металлов в почвах близ лежащих районов возле хвостохранилища «Кошкар-Ата». Поэтому, основными методами данной работы явились:
- системный метод исследования ландшафта, позволяющий изучать наиболее характерный его компонент;
- методы классификации, проведенной на основе геоэкологических критериев, характеризующих трансформации компонентов ландшафта;
- методы аэрофотосъемки при визуализации выноса солей с поверхности ландшафта;
- геоинформационный метод с версией AгcGIS-9, позволяющий создать цифровые базы пространственных данных в виде карт;
- аналитические методы химических анализов.
Результаты
Миграционная способность многих вовлекаемых элементов, в т.ч. и токсичных, существенно изменяется в зависимости от кислотно-щелочной и окислительно-восстановительной обстановок. В резко восстановительной сероводородной обстановке миграционная способность железа, меди, кобальта, цинка, никеля уменьшается по сравнению с окислительной на 1-2 порядка. Пыли, содержащие молибден, ванадий и уран и очень ядовитый для растений и животных селен будут более подвижными в щелочной среде аридных зон, поэтому, из всех токсичных элементов, именно они представляют опасность вовлечения в техногенные потоки. В Мангистауской области испаряемость преобладает над осадками и водорастворимые продукты техно-генеза начинают концентрироваться в почвах, поэтому, здесь возможно интенсивное накопление техногенных элементов в высоких концентрациях в виде коллоидальных растворов, мигрирующих в органоминеральных формах. Нами был проведен мониторинг по точкам отбора в почвах на определение тяжелых металлов и металлоидов в окрестности хвостохранилища «Кошкар-Ата» (рис. 4-10). Хорошо прослеживается тенденция увеличения значений содержания микроэлементов в почве вокруг хвостохранилища «Кошкар-Ата» по направлению преобладающих ветров в сторону ст. Мангышлак. Повышенное содержание микроэлементов вдоль этого направления свидетельствует о ветровом переносе загрязняющих веществ с оголенных участков хвостохранилища. Карты-схемы точек отбора почв хвостохрани-лища «Кошкар-Ата» приведены на рисунках 4-10, в которых представлены значения содержаний тяжелых металлов в пробах почвы: Си, Т1, N1, Сг, Со, 2п и Аб, соответственно. Из них видно, что увеличение концентраций тяжелых металлов в почвах и растениях наблюдается на юго-восточном и восточном направлениях от хвостохранилища. Таким образом, имеет место загрязнение почв в окрестности хвостохранилища «Кошкар-Ата» соединениями тяжелых металлов:
- меди в 10 раз;
- титана в 100 раз;
- никеля в 20 раз;
- цинка в 8 раз;
- мышьяком в 2 раза.
Таким образом, анализ проведенного мониторинга содержания тяжелых металлов в почве, Мангистауской области показывает возможность опасности вовлечения элементов: Си, Т^ №, О; Со, Zn, As, Se в атмосферный аэрозоль терригенного происхождения.
Обсуждение
Воздействующие на ландшафт факторы могут быть внешними или внутренними. Климатические факторы (суховеи, атмосферная и почвенная засухи) относятся к внутренним факторам ландшафта. А пыльные бури, будучи экстремальными, стихийными явлениями относятся к внешним факторам.
Тесное взаимодействие внешних и внутренних факторов, которые формируют зональные местные закономерности: атмосферная засуха сочетается с почвенной засухой и осложняется суховеями и пыльными бурями.
Для аридных ландшафтов Казахстанского Прикаспия, несмотря на наличие сильных ветров, способствующих самоочищению атмосферы и снижающих ПЗА-факторы, вызывающие загрязнение воздуха значительны. К ним относятся: пыльные бури, суховеи и опасные скорости ветра. Несмотря на высокое значение КИПа (коэффициент интенсивного переноса), превосходящего минимальный в 9 раз, внешние факторы (пыльные бури, засухи, суховеи) оказывают более сильное влияние - и природные комплексы становятся неустойчивыми. В Мангистауской области постоянное превышение значения пыли над нормативным до 5-7 раз с повторяемостью до 38, в условиях критических значений пыльных бурь, засух и суховеев, формирует атмосферный аэрозоль. Особенно, это заметно в окрестностях хвостохрани-лища «Кошкар-Ата», где наличие пыльных бурь (60 дней в году) усиливает перенос солей в атмосферу.
В принципе, молекулы газов и частицы химических веществ при контакте с элементами подстилающей поверхности могут быть захвачены и необратимо выведены из атмосферы, благодаря сорбционным процессам: адсорбции, абсорбции и хемосорбции. Но в аридных условиях говорить о захвате пыльных частиц элементами подстилающей поверхности крайне неразумно. Хотя по мере уменьшения размеров частиц с радиусами 0,05-0,5 мкм эффективность сухого осаждения растет. Для никеля и железа следует ожидать более значительного сухого осаждения, по сравнению с кобальтом, цинком, марганцем и железа, которые содержатся в крупных частицах со средним диаметром 2-7 мкм. Такие элементы как никель, хром, свинец, кадмий и селен находятся в основном в составе субмикронных (< 1 мкм) аэрозольных частиц и легко разносятся ветром и пыльными бурями.
Рис. 10. Содержание мышьяка в образцах почвы
Заключение
1. Выявлен ветровой перенос загрязняющих веществ с оголенных участков хвостохранилища «Кошкар-Ата» Мангистауской области.
2. Проведен мониторинг по точкам отбора почв на определение тяжелых металлов и металлоидов в окрестности хвостохранилища «Кошкар-Ата».
3. Установлено увеличение концентраций тяжелых металлов на юго-восточном и восточном направлениях от хвостохранилища «Кошкар-Ата».
4. В ландшафтах Мангистауской провинции, анализ механизмов осаждений, с учетом физико-химических особенностей существования молекул, образуемых газов и частиц тяжелых металлов, показывает опасность вовлечения в техногенные потоки атмосферного аэрозоля следующие элементы: Мо, V, и, Se, №, О", РЬ, Cd и очень токсичного, легко вовлекаемого в биологический круговорот селена.
Список литературы:
1. Ахметжанова З.Х. Техногенные трансформации ландшафтов Прикаспийского региона // Проблемы региональной экологии. - М., 2010. - № 4. -С. 6-10.
2. Hardin G The tragedy of commons // Science. - 1968. - 162. - 1243-1248.
3. Глазовский Н.Ф. Избранные труды: в 2-х т. / РАН, Ин-т географии // Геохимические потоки в биосфере / РАН, Ин-т географии. - М., 2006. - Т. 1. -535 с.
4. Романов Н.Н. Пыльные бури в Средней Азии // Тр. ТашГУ Физич. науки. Кн. 20. - Ташкент, 1960. - Вып. 174. - С. 109-111.
5. Иванов И.В., Глазовский Н.Ф. Геохимический анализ почвенного покрова степей и пустынь. - М., 1979. - 134 с.
6. Природные ресурсы и охрана окружающей среды // О состоянии охраны атмосферного воздуха в РК. Сер. 16. Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосфере. - Алматы: Агенство Республики Казахстан по статистике, 2004. - Т. 1. - 159 с.
7. Регионы Казахстана. Краткий статистический справочник. - 2006. -46 с.
8. Статистический ежегодник Казахстана:Статистический сборник / Под ред. К.С. Абдиева. - Алматы: Агенство республики Казахстан по статистике, 2008. - 502 с.
9. Природные ресурсы и охрана окружающей среды // О состоянии охраны атмосферного воздуха в РК. Сер. 16. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, их очистка и утилизация. - Алматы: Агенство РК по статистике, 2004. - Т. 2. - 220 с.
10. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. -Л.: Из-во ЛГУ 1982. - 368 с.
