Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Краткая физико-географическая характеристика района исследований 11
1.1. Географическое положение и история образования 11
1.2. Климат и гидрография 11
1.3. Рельеф и почвенный покров 14
1.4. Растительность и животный мир 16
1.5. Промышленность и сельское хозяйство 18
Глава 2. Черная металлургия и её влияние на окружающую природную среду 20
2.1. История развития и размещения черной металлургии 20
2.2. Состав и количество выбросов от предприятий черной металлургии. 21
2.3. Участие России в международных программах по охране окружающей среды 31
2.4. Влияние черной металлургии на окружающую природную среду 32
2.5. Пути ослабления негативного влияния черной металлургии на окружающую природную среду 39
2.6. Оценка состояния окружающей среды в цехах по производству проката черных металлов 44
2.6..1. Оценка экологической опасности техногенного воздействия предприятия на окружающую среду 43
2.6.1.1. Оценка качества атмосферы городов с черной металлургией 47
2.6.2. Методы защиты атмосферного воздуха от производственной пыли, токсичных паров и газов 48
2.6.3. Совершенствование технологии стальных фасонных профилей малых сечений 49
2.6.4. Оценка влияния техногенного воздействия на здоровье людей 54
2.6.5. Пути оздоровления окружающей среды в цехах по производству проката черных металлов 56
2.7. Применение методов биоиндикации при мониторинге техногенного загрязнения окружающей среды 58
2.8. Мониторинг содержания тяжелых металлов в зоне влияния металлургических предприятий 60
Глава 3. Методика экологических исследований влияния техногенного загрязнения на окружающую среду 63
Глава 4. Изменение экосистем лесной зоны ETC под влиянием техногенного воздействия от предприятий черной металлургии 66
4.1. Характеристика ландшафтов района исследований 66
4.2. Уровень, характер и динамика техногенного воздействия от металлургических предприятий 67
4.3. Экологическая оценка влияния техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты лесной зоны 72
4.3.1. Оценка загрязнения атмосферы выбросами металлургических предприятий 73
4.3.1.1. Экологическая оценка состояния окружающей среды г. Череповца 75
4.3.2. Экологическая оценка накопления и миграции загрязнений в почвах и растениях в ландшафтах лесной зоны 81
4.3.2.1. Экологическая оценка влияния техногенных выбросов на почвы и растительность г. Череповца и прилегающих территорий 89
4.3.2.2. Оценка влияния предприятий черной металлургии на качество природных вод 96
4.3.2.3. Экологическая оценка изменения компонентов ландшафтов водоохранной зоны Рыбинского водохранилища в результате техногенного воздействия предприятий черной металлургии... 102
4.4. Оценка изменения лесной растительности в зоне влияния техногенных выбросов комбината «Северсталь» 121
Глава 5. Экологическая оценка и пути оптимизации состояния окружающей среды в зоне техногенного влияния предприятий черной металлургии 134
5.1 Оптимизация функционирования ландшафтов водоохраной зоны Рыбинского водохранилища в условиях подтопления
5.2. Оптимизация функционирования лесных ландшафтов в условиях техногенного воздействия предприятий черной металлургии 141
5.3. Интегральная оценка изменения состояния окружающей среды в зоне действия комбината «Северсталь» 142
Практические рекомендации 145
Заключение 148
Библиографический список 152
Приложения 168
- Климат и гидрография
- Состав и количество выбросов от предприятий черной металлургии.
- Методика экологических исследований влияния техногенного загрязнения на окружающую среду
Введение к работе
Актуальность темы. Черная металлургия является одним из основных загрязнителей окружающей среды (ОС) во многих регионах и городах России и мира (Каменский, 2001 и др.). Наибольший вред ОС приносят техногенные выбросы от предприятий черной металлургии. Негативное воздействие на ОС оказывает также складирование отходов производства и сброс отработанных вод. В результате длительного поступления в ОС техногенных выбросов почвы территорий промышленных центров с черной металлургией и прилегающих к ним районов особенно сильно загрязнены тяжелыми металлами (ТМ), кроме того, наблюдается увеличение рН почвы в результате постоянного поступления карбонатов кальция и магния. Масштабы изменения ОС в зоне действия предприятий черной металлургии зависят не только от состава и объема техногенных выбросов, но и от положения предприятия в определенной природной зоне и подзоне.
По данным Росгидромета (Гос. доклад..., 2002) к чрезвычайно опасной категории загрязнения ТМ в 2000 году отнесено 0,5% населенных пунктов России, к опасной категории - 3,7%, к умеренно опасной - 10%. Нами исследовались влияния на ОС - ОАО «Северсталь», находящийся в подзоне южной тайги лесной зоны, и Омутнинского металлургического комбината, расположенного в подзоне средней тайги лесной зоны. Они отнесены к умеренно опасной и низкой зоне загрязнения. Накопление загрязнения оказывает н егативное воздействие не только на состояние ОС, но и на здоровье населения.
Учитывая накопление загрязнений, следует ожидать, что в дальнейшем загрязнение будет становиться все более опасным, что неблагоприятно скажется на здоровье людей и состоянии окружающей природной среды. Воздействие черной металлургии на природу ведет также к накоплению твердых отходов и загрязнению вод (Лотош, 2000, 2002). Масштабы и характер загрязнения ОС предприятиями металлургического комплекса связаны с уровнем применяемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством используемого сырья, объемом и составом выбросов, сбросов и твердых отходов, географическим
6 положением предприятий, характером рассеивания и влиянием на ландшафты и их компоненты.
Необходимость улучшения состояния ОПС делает актуальным проведение экологической оценки и поиск путей оптимизации её состояния в регионах с черной металлургией. При этом очень важна оценка влияния на ОПС внедрения новых технологий, что позволит оптимизировать стратегию и тактику природоохранной деятельности с учетом зонального и регионального положения предприятий черной металлургии (Мусихина, 2001; Гос. Д-д, 2002).
Теоретической и методологической основой исследований послужили труды ученых в области охраны природы, экологии, геохимии ландшафта. В процессе работы нами были проанализированы работы ученых институтов Глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, Геоэкологии РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и др. Большой вклад в изучение влияния техногенных выбросов на ОС внесли труды В.А.Абакумова, М.А.Глазовской, В.Г.Заиканова, А.В.Хабарова, Афанасьева Е.А., Безуглой Э.Ю., Звонковой Т.В., Коронкевича Н.И., Чернавской Н.М., Юсфина Ю.С.и др. Тем не менее, нарастание техногенного воздействия на ОПС требует мониторинга её состояния для разработки мероприятий по оптимизации природопользования. Некоторые вопросы, в частности, изменение ландшафтов и экосистем при совместном влиянии подтопления и техногенных выбросов в работах ученых не получили достаточного отражения. Необходима также оценка влияния на ОПС вновь внедряемых технологий.
Исходя из выше сказанного нами была поставлена цель:
- провести экологический анализ влияния предприятий черной металлургии на современное состояние окружающей среды лесной зоны и дать практические рекомендации по природопользованию в условиях техногенного воздействия предприятий черной металлургии..
Соответственно с целью были поставлены и выполнены следующие задачи:
проанализировать отечественный и зарубежный опыт по оценке влияния черной металлургии на состояние окружающей среды;
выявить объемы, состав, структуру и рассеивание загрязнений от предприятий черной металлургии;
провести экологический анализ влияния выбросов и сбросов предприятий черной металлургии на компоненты ОПС: атмосферу, почвы, воды, растительность;
обосновать основные пути по улучшению состояния окружающей среды в зоне влияния предприятий черной металлургии;
обосновать на основе экологического анализа необходимость модификации технологии производства стальных фасонных профилей высокой точности.
Объектом диссертационного исследования технологии, применяемые в черной металлургии, и измененные техногенными выбросами от предприятий черной металлургии ландшафты и компоненты ландшафтов лесной зоны.
Предметом изучения выступают природно-техногенные изменения в ландшафтах и их компонентах и разработка практических рекомендаций по стабилизации и улучшению их состояния и функционирования. Научная новизна.
На основе обобщения проведенных исследований с привлечением опубликованных материалов автором получены новые результаты:
впервые изучено влияние газообразных выбросов (S02, N02, N0) на состояние атмосферы, почвы, трав, деревьев, кустарников, мхов, луговых и лесных растительных сообществ на прилегающей к г. Череповцу территории радиусом 55 км;
осуществлен ландшафтный анализ территории и составлена ландшафтная карта района исследований;
на основе геохимических, биоиндикационных и фитоценотических исследований составлена карта зонирования техногенного воздействия. Выделены зоны: сильного, довольно сильного, среднего, слабого влияния и фоновая территория;
проведена оценка биоразнообразия по зонам техногенного воздействия для луговых и лесных ассоциаций и на основе учета степени степени и характера техногенного загрязнения с привлечением метода биоиндикации разработана шкала устойчивости трав и кустарничкова к техногенному загрязнению.
Апробация: результаты исследования докладывались на экологических семинарах в Университете стали и сплавов, в Госуниверситете по землеустройству и на нескольких конференциях (Москва, 1991, 1993, 2002, 2004, 2005, 2006; Горки, 2002, 2004; Тверь, 2005 и др.).
Теоретическая и практическая значимость.
В работе развиваются вопросы методики мониторинга динамики почв и растительности при совместном влиянии подтопления и техногенного воздействия. Анализируются пути миграции и аккумуляции загрязняющих веществ и, в соответствии с этим, даются практические рекомендации по улучшению состояния окружающей среды. Важное практическое значение имеет разработанная автором шкала устойчивости видов напочвенного покрова к техногенному воздействию. Разработки автора применяются на кафедре земледелия и растениеводства Государственного университета по землеустройству при преподавании дисциплин: агроландшафтное земледелие, растениеводство, агроэколо-гические основы использования сельскохозяйственных машин, а также при организации научной работы студентов.
Основные защищаемые положения.
- Наибольшее влияние на состоянине ОС в зоне влияния предприятий черной металлургии оказывают техногенные выбросы, содержащие газообразные и твердые вещества (пыль);
Газообразные выбросы наиболее негативно влияют на состояние растительности. Особенно неблагоприятноно влияют выбросы S02 и N02 и N0, что проявляется у вегетирующих растений в появлении на листьях участков хлороза и некроза и снижает годичные приросты в среднем в 1,5 раза. При сильном воздействии приводит к изреживанию и усыханию древостоев;
В почвах в зоне действия металлургических предприятий в результате ежегодной аккумуляции пыли увеличивается содержание ТМ, железа, кальция, магния и др.. Накопление карбонатов кальция и магния приводит к карбонити-зации почвы и увеличению рН до щелочной реакции;
Накопление в почвах водоохраной зоны металлов и серы, а также прямое воздействие техногенных выбросов на растительность приводит к постепенному снижению биоразнообразия и замене луговых растений на сорные и рудеральные; в лесных сообществах загрязнение почв сдерживает возобновление деревьев и кустарников. В лесах происходит смена зеленомошно-кустарничковых сообществ на осоковые и заково-разнотравные.
В водоохраной зоне Рыбинского водохранилища при воздействии подтопления наблюдается заболачивание почв, что проявляется в формировании торфянистых и глеевых горизонтов, которые выполняют роль геохимических барьеров для техногенных загрязняющих веществ, поэтому поступление ЗВ в водоем с трритории водоохраной зоны уменьшается;
В результате воздействия техногенных выбросов предприятия черной металлургии на прилегающей территории формируются в разной степени трансформированные зоны, выделяемые по индексам загрязнения атмосферы (ИЗА), индексам загрязнения почв (ИЗП) и по изменению растительного покрова. Выделены зоны: сильного загрязнения и трансформации (ИЗА > 20; ИЗП >10); довольно сильного загрязнения (ИЗА >10; ИЗП>5); среднего (ИЗА >5; ИЗП >3); слабого (ИЗА>1,5; ИЗП>1); фоновая территория (ИЗА<1; ИЗП<1).
Разработанная с участием автора технология производства высокоточных профилей позволяет получить значительный экономический эффект и улучшает состояние ОС в цехах по производству проката черных металлов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе монография (в соавторстве). Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, практических рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 184 страницах, в том числе 151 страница компьютерного текста. В диссертации имеется 11 рисунков, 61 таблица и 18 приложений. Библиографический список включает 178 наименований, в том числе 22 на иностранных языках.
1.
Климат и гидрография
Климат Вологодской области умеренно континентальный. Средние температуры января - 11...14, а июля + 17...18.Осадков 550...600 мм в год. Лето короткое, сравнительно теплое, а зима длинная, холодная, с устойчивым снежным покровом. Вторжения воздушных масс с Атлантики зимой сопровождаются потеплением и снегопадами, а летом похолоданием. Частые вторжения холодных воздушных масс с Арктики придают погоде неустойчивость в течение всего года. Средняя скорость ветра составляет 3,3...4,3 м/с, а на побережье водохранилища - 4,6...5,1 м/с. Среднее годовое количество осадков уменьшается с запада на восток - от 560...600 мм до 520...550 мм. Средняя годовая относительная влажность воздуха составляет 79...81 %. Высота снежного покрова на полях достигает 40...55 см, а в лесу - 70...80 см. Почва зимой промерзает в среднем на глубину 50...70 см.
С учетом тепло- и влагообеспеченности на территории Вологодской области выделено два агроклиматических района. 1. Северный район - прохладный, занимает северную часть области в пределах подзоны средней тайги лесной зоны. Сумма среднесуточных температур выше 10 С достигает 1550... 1600, осадков здесь за год выпадает 550.. .630 мм, а за период вегетации 250.. .260 мм. 2. Умеренно теплый агроклиматический район, расположенный в пределах подзоны южной тайги лесной зоны. Сумма среднесуточных температур выше 10С здесь больше 1600.Сумма осадков за год - 600...680 мм, за период вегетации - 250.. .290 мм.
Территория Вологодской области заболочена и имеет густую сеть рек и озер. Крупные реки: Сухона (с притоками - Двиница, Вологда), Юг с Лузой, верхнее течение Ваги с Кокшеньгой, Молога с Чагодощей, Шексна, Унжа (верховья). По территории Вологодской области проходит трасса Волго-Балтийского водного пути, Северо-Двинский канал. Крупные озера: Онежское, Белое, Кубенское, Воже. Озера сосредоточены в основном в западной и средней частях области.
На юго-западе области расположено Рыбинское водохранилище и Череповецкое. Череповецкое водохранилище образовано плотиной Череповецкого гидроузла на р. Шексне в 1963-64 годах, его площадь 1670 км2, объем 6,5 км3, средняя глубина 4 м. Осуществляется сезонное регулирование стока. Водохранилище создано в интересах транспорта и энергетики (является частью Водно-Балтийского водного пути). На его берегу находятся города - Белозерск и Кириллов. Рыбинское водохранилище образовано плотиной Рыбинского гидроузла. Заполнение водохранилища началось в 1941 году, а проектный уровень достигнут в 1947 году. Его площадь 4580 км2, объем 25,4 км3, наибольшая ширина 60 км, средняя глубина 5,6 м. Оно состоит из широкого центрального плеса и трех отрогов: Волжского, Моложского, Шекснинского. Уровень колеблется в пределах 4...5 м. Рыбинское водохранилище - составная часть Волго-Балтийского водного пути. На его северо-восточном берегу расположен город Череповец.
Климат Кировской области континентальный, с продожительной холодной многоснежной зимой и умеренно теплым летом. Средние температуры января -14 - 16, июля - +17-19. Особенности погоды отдельных месяцев и сезонов определяются характером атмосферных течений. С прохождением циклонов с Атлантики связаны резкие колебания температуры от суток к суткам, облачная погода и выпадение осадков, особенно в холодное время года, поэтому характерна пасмурная погода. В годы с преобладанием циклонической деятельности лето бывает холодным и дождливым. Вторжение антициклональных воздушных масс с севера приводит к установлению ясной сухой погоды. Летом в этих случаях бывают засухи (10.. .20 % лет).
Состав и количество выбросов от предприятий черной металлургии
Во многих регионах России металлургические предприятия оказывают наибольшее влияние на состояние окружающей среды (ОС). Поэтому важное значение приобретает контроль за качеством и количеством используемого сырья, объемом и составом выбросов, характером их рассеивания и влиянием на окружающую среду и её компоненты (Груздева, Груздев, 2002, 2003, 2004 и др.)
Во многих случаях ведущая роль черной металлургии в загрязнении ОС связана с её многостадийностью, в переработке значительных масс сырьевых материалов и большим разнообразием технологических процессов и приемов, а также с наличием крупных предприятий с полным циклом, на которых количество рабочих достигает 20000 человек и более. На каждой стадии могут использоваться разные технологии и оборудование. На некоторых заводах используется оборудование, поставленное в XIX веке. Кроме газов, шлаков и шламов на всех этапах металлургического производства образуется пыль. Особенно много пыли образуется при работе доменных, сталеплавильных, коксовых печей, агломерационных фабрик, заводов по обжигу извести (прилож.1). Значительное количество пыли образуется в цехах при обработке, в частности, при прокате металла.
В других странах мира металлургическое производство также сопровождается загрязнением ОС (прилож 2). Например, в США производится в год около 125 млн. т стали в год и при этом образуется до 14 (16-17) млн. т железосодержащей пыли (сухой и мокрой).
Выбросы пыли зависят от оборудования и технологии производства и обработки готового металла. При выплавке в электропечах малоуглеродистой и нержавеющей стали улавливание пыли на фильтрах достигает соответственно 14 и 20 кг/т стали. Примерная масса пыли, улавливаемой от доменного и сталеплавильного производства составляет 2,5 и 1,5 т на 100 т произведенных чугуна и стали ( Сает и др., 1990). Пылевые выбросы предприятий черной металлургии являются важным источником эмиссии вредных веществ в ОС. Формирование техногенных геохимических аномалий в атмосферном воздухе, в снеговом покрове и почвах в значительной мере обусловлено поступлением в атмосферу и последующим осаждением на подстилающие поверхности промышленной пыли (Буренков и др., 1993; Глазовский и др., 1983; Луценко идр., 1999; Миронов и др., 1996: Рохмистров, 1984; Сает и др., 1990; Янин, 1998, 2002, 2004). Проведенные на предприятиях исследования по изучению качественного состава и количеству пыли, образующейся в ходе различных производственных процессов, позволили идентифицировать источники техногенного загрязнения, установить геохимические ассоциации и комплексы поллютантов, сравнить различные технологии по воздействию на ОС, среду обитания и здоровье человека. Согласно определению Международной организации стандартизации (МОС) пыль - твердые частицы разного размера и происхождения, способные некоторое время оставаться в воздухе в виде суспензии. Аэрозоль - суспензия в газовой среде твердых или жидких, или твердых и жидких частиц, имеющих крайне низкую скорость осаждения. Твердые частицы дают аэрозоль твердых частиц, жидкие - аэрозоль жидких частиц. К атмосферной пыли относится совокупность взвешенных в воздухе мелких (10"2 - 10"4 см) твердых частиц, способных в отличие от дыма оседать при безветрии. Присутствующие в атмосфере твердые частицы можно разделить на собственно пыль, к которой относятся частицы с диаметром более 1 мкм и на аэрозоли твердых частиц радиусом менее 1 мкм (18, Янин, 2004). Частицы, имеющие диаметр меньше 0,001 мкм, называют ядрами Айткена. В атмосфере аэрозоли образуются при наличии пыли и в результате протекающих в атмосфере процессов, приводящих к формированию вторичных частиц (Грин и др., 1972; Батчер и др., 1977; Ивлев, 1982; Янин, 2004). Используется также термин производственная пыль, под которой понимается дисперсная система, состоящая из твердых частиц разнообразной формы, размера и физико-химических свойств, образующихся в результате производственной деятельности; размер её частиц изменяется от долей мкм до 100 мкм (Янин, 2004). В технологии очистки промышленных выбросов уловленный в ходе сухой газоочистки мелкодисперсный материал называется пылью, а осажденный при мокрой газоочистке - шламом.
В промышленной гигиене учитывают респирабельную пыль (вдыхаемую). Обычно частицы пыли радиусом более 5 мкм задерживаются в каналах носоглотки. К респирабельной пыли относятся частицы с размером более 0,1 мкм до 5-Ю мкм, которые особенно долго способны находиться в воздухе. Эти частицы уменьшают прозрачность воздуха, влияют на здоровье людей и могут вступать в различные физико-химические реакции. Частицы менее 1 мкм в атмосфере являются ядрами конденсации.
Методика экологических исследований влияния техногенного загрязнения на окружающую среду
Исследования влияния предприятий черной металлургии на состояние окружающей природной среды (ОПС) проведены в подзонах средней и южной тайги лесной зоны, в пределах Вологодской и Кировской областей. В процессе исследований была проанализирована имеющаяся по данной тематике литература, а также некоторые фондовые материалы, картографические материалы.
Учтены обобщения исследований Главной Геофизической обсерватори-ии, сделанные в 1992-1995 г А.В.Герасимовым и В.А.Федоровым. Нами проанализированы данные по изменению состояния окружающей среды с момента открытия Череповецкого и Омутнинского металлургических комбинатов по настоящее время. Были сравнены опубликованные данные различных исследователей. Составлены таблицы по динамике состояния ОПС и её компонентов. Это позволило выявить динамические тенденции в растительном и почвенном покровах средней и южной тайги под влиянием загрязнения от металлургических предприятий. Проведено обобщение литературных данных по влиянию черной металлургии на состояние ОС, сравнены технологии холодной прокатки черных металлов и предложенной горячей прокатки на технологической линии. Монтированной на Омутнинском металлургическом комбинате. Выявлен состав загрязнений при разных технологиях проепта. Проведена оценка экологического эффекта от использования новой установкина состояние ОС в цехах прокатного производства.
На местности были проведены полевые исследования маршрутно-ключевым методом с описанием ландшафтов и их компонентов и их изменением на разном удалении от источника загрязнения. Пробные площади закладывались вблизи комбината, на расстоянии 1 км, 2 км, 5 км, 12, 30, 50 и дальше, расстояния были установлены на основе индекса загрязнения атмосферы (ИЗА), накопления загрязняющих веществ в почвах (Индекс загрязнения почв -ИЗП) и деградации растительного покрова. Это позволило выявить ореолы рассеивания загрязнений и выделить зоны сильного, довольно сильного, среднего, слабого влияния загрязнения, а также фоновые территории, где влияние загрязнения от металлургических предприятий практически не сказывается. На пробных площадях были взяты образцы почв и растительности, которые в дальнейшем были проанализированы в основном на содержание тяжелых металлов. Для почв определялась рН и другие общие показатели. Химические анализы проведены в агрохимическом центре «Московский». Для анализов была использована методика, утвержденная МСХ 10.09.92. Сан ПиН 42-128-4433-87. ГОСТ 26483-85.
При изучении почв делались почвенные разрезы и прикопки, что позволяло выявить пространственное распределение почвенных разностей. Пробные площади закладывались в разных ландшафтах, отличающихся рельефом, материнскими почвообразующими породами, почвами и растительностью. Обращалось также внимание на реакцию видов флоры на загрязнение. Для древостоя учитывались горизонтальная и вертикальная сомкнутость крон, высота деревьев, диаметр ствола, форма кроны, облиственность и охвоенность, размеры хвои и листьев, размеры годичных приростов, наличие усыхающих и усохших деревьев, проводился перечет деревьев на пробной площади, учитывалось возобновление древостоя и его приуроченость. В процессе камеральной обработки определялись состав древостоя, класс бонитета, степень устойчивости и повреждения древостоя.
Для подлеска определялись количество штук на га, высота, приуроченность, жизненность и возобновление. При изучении травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового покровов отмечался процент их общего проективного покрытия и распределение по площади видов флоры. Для видов растений определялись высота, проективное покрытие, обилие, жизненность и наличие отклонений от нормы. При камеральной обработке данных проведено сравнение флористического состава растительных сообществ по зонам влияния загрязнения от металлургического комбината. Полученные данные оформлены в виде таблиц и графиков.
