Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор Тяжелые металлы в окружающей среде
Глава 2. Характеристика объектов и методы исследования 24
2.1 . Общая характеристика природных условий района исследования 24
2.2. Характеристика объектов исследования 38
2.3. Методы исследования и объем выполненных работ 42
3. Горнорудный комплекс как основной фактор техногенного воздействия на окружающую среду изучаемого района 50
3.1. Краткая историческая справка по Баймакскому району 50
3.2. Краткая историческая справка по г. Сибай и ОАО БМСК 52
3.3. Загрязнение воздушной среды 53
3.4. Хвостохранилища твердых отходов 54 J
3.5. Загрязнение водной среды 55
Глава 4. Содержание и распределение тяжелых металлов в водах рекХудолаз и Таналык 57
4.1. Тяжелые металлы в воде р. Худолаз 57
4.1.1. Оценка состояния фонового створа р. Худолаз 1—57
4.1.2. Оценка техногенного влияния на состояние р. Худолаз 62
4.1.3. Результаты исследования состояния реки Карагайлы, как притока р. Худолаз 67
4.1.4. Качество воды в реке Худолаз, впадающей в р. Урал 71
4.2. Тяжелые металлы в воде р. Таналык 72
4.2.1. Оценка состояния фонового створа р. Таналык 72
4.2.2. Створ р. Таналык, пос. Самарское 74
4.2.3. Оценка техногенного влияния на состояние р. Таналык 77
4.2.4. Качество воды в реке Таналык, впадающей в р. Урал 81
Глава 5. Влияние эксплуатации рудных месторождений на содержание тяжелых металлов в донных отложениях рек Башкирского Зауралья 84
Глава 6. Биоиндикация токсического действия загрязняющих веществ в реках Худолаз и Таналык 86
Выводы 97
Список использованной литературы 99
Приложения 114
- Общая характеристика природных условий района исследования
- Краткая историческая справка по г. Сибай и ОАО БМСК
- Результаты исследования состояния реки Карагайлы, как притока р. Худолаз
Введение к работе
В современном мире из-за быстрого развития промышленности крайне остро встали вопросы взаимодействия человека и природы. Особую тревогу вызывают загрязнения окружающей среды.
Одной из серьезных проблем, которые встали перед человечеством, является вопрос загрязнения водных ресурсов.
Наличие медно-колчеданных месторождений в рудных районах Башкирского Зауралья способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей и перерабатывающей промышленности цветной металлургии, строительство предприятий в котором велось без должного учета экологических факторов, самоочищающей способности водных объектов и их экологической емкости (Балков, 1996; Гармаш, 1985; Глазовская, 1989; Оценка экологической..., 2001).
Актуальность проблемы. С целью оздоровления окружающей среды и улучшения экологической обстановки в регионе существуют программы технических мероприятий, цель которых состоит в определении основных направлений и методов обеспечения экологической безопасности населения. Для решения задач таких программ крайне важно создание информационной базы по источникам загрязнения, их классификация, учитывающая условия их образования и степень воздействия на водотоки; изучение физико-химического состава воды водотоков промышленных предприятий; мониторинг загрязнения водоемов и оценка степени влияния промышленных предприятий на состояние водных объектов, применение биотестовых методов анализа качества вод, позволяющие обнаружить токсические соединения, влияющие на организм (Краснощекое, Розенберг, 1994; Розенберг и др., 2000; Малушко, 2002; Зинченко и др., 2004;).
Цели и задачи исследования. Целью работы является характеристика водных объектов Башкирского Зауралья - рек Худолаз и Таналык в связи с
5 разработкой рудных месторождений и урбанизацией; исследование источников загрязнения и степени их воздействия на состояние изучаемых рек в местах размещения горнорудных предприятий Башкирского Зауралья.
Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) охарактеризовать состояние рек Худолаз и Таналык и годичной
динамики загрязнения;
установить основные загрязняющие компоненты и выявить основные источники загрязнения;
изучить распределение ионов тяжелых металлов в системе вода -донные отложения;
4) провести биотестирование донных отложений изучаемых рек.
Научная новизна. В зоне Башкирского Зауралья автором впервые
проводились комплексные исследования влияния деятельности горнообогатительных комбинатов на накопление и распределение тяжелых металлов в речной воде и донных отложениях. Получены характеристики фонового и техногенного содержания ионов металлов в реках. Биотестирование иловых осадков рек с использованием ракообразных Daphnia magna Str. показало, что загрязнение рек сточными водами горно-обогатительного комбината в сочетании со сбросами городских сточных вод резко увеличивают общую токсичность. В таких условиях речные экосистемы имеют ограниченные возможности самовосстановлению, а реки Башкирского Зауралья весьма уязвимы к техногенному воздействию со стороны предприятий горнорудного комплекса.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в результате проведенных исследований данные позволяют дать оценку экологического состояния малых рек Башкирского Зауралья и могут быть использованы как основа для разработки основных направлений, методов и природоохранных мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность населения в регионе.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной и молодежной конференции «Экологические проблемы крупных рек - 3», (Тольятти, 2003); конференции «Неделя науки - 2003» Сибайского института Башкирского государственного университета (Сибай, 2004); международной научно-практической конференции «Приоритет России XXI века: от биосферы и техносферы к ноосфере» (Пенза, 2004); международной конференции «Природное наследие России: изучение, мониторинг, охрана», (Тольятти, 2004).
Выражаю благодарность научным руководителям: доктору биологических наук, профессору, академика РАЕН А.Ю. Кулагину и доктору технических наук, профессору P.P. Хабибуллину за советы и консультации при подготовке настоящей рукописи. Работа выполнена благодаря советам, содействию и практической помощи со стороны доктора биологических наук Ю.А. Янбаева; директора Федерального государственного учреждения по мониторингу водных объектов бассейнов рек Белой и Урала А.С. Малмыгина; заведующего лабораторией биоиндикации университета им. Лобачевского М.Е. Безрукова; доктора биологических наук Я.Т. Суюндукова, начальника Сибайской лаборатории ФГУ МВО БУ Гумеровой Г.Я., которым автор приносит слова искренней признательности.
Общая характеристика природных условий района исследования
Большое значение в формировании природных комплексов любой территории имеет ее геологаческое строение, состав горных пород, их залегание и т.д. Оно во многом определяет направление почвообразовательного процесса, структуру почвенного покрова, физические и химические свойства, состав природных вод, даже некоторые специфические особенности циркуляции приземных слоев атмосферы (через рельеф). Геология региона определяет также и структуру промышленности, следовательно, особенности антропогенного воздействия на природную среду, даже в некоторой степени — количество и состав поступающих загрязняющих веществ. От специфики природных условий в немалой степени зависит также и то, будут ли попавшие в естественные ландшафты загрязняющие вещества аккумулироваться здесь же, окажутся частично нейтрализованы или вынесены за пределы данной территории. В этом большую роль играют характер рельефа, направления и скорость ветров, почвенный покров, особенности гидрологической сети (Кашапов, 1992; 1996).
Исходя из этого, ниже рассматриваются некоторые специфические особенности природных условий.
Регион исследований, (карта-схема расположения района исследования, приложение, стр.130) согласно схеме тектонического районирования Южного Урала, входит в состав Магнитогорского мегасинклинория и, располагаясь в западном крыле этой крупной структуры, характеризуется весьма сложным внутренним строением (Ожиганов, 1964).
Согласно агропочвенному районированию С.Н. Тайчинова, П.Я. Бульчука (1975), этот район относится к Зауральской лесостепи (Учалинский административный район Республики Башкортостан) и Зауральской степи (Баймакский, Хайбуллинский административные районы), составляющих в целом Башкирское Зауралье (БЗ). БЗ протягивается узкой полосой восточнее хребта Уралтау, отделяясь от него продольным межгорным понижением, и переходит на востоке в Зауральский пенеплен, простирающийся вдоль границы Башкортостана с Челябинской и Оренбургской областями. Помимо Уралтау, естественными рубежами на западе являются хребты Кыркты, Ирендык, долины рек Таналык и Сакмара. Поверхность имеет общий наклон на восток. Именно по БЗ Восточно-Европейская платформа смыкается с Западно-Сибирской плитой. Зауралье Республики Башкортостан занимает обширную территорию с общей площадью 2.4 млн.га, которая относится к восточному склону Южного Урала и Восточному Зауралью (Вербицкая, 1964). БЗ занимает площадь 9,1% территории республики. Лесистость 1-20%. Протяженность с севера на юг составляет 375 км, что обусловливает разнообразие природных условий.
Формирование современного облика структуры и рельефа Восточной части Башкирии начинается с конца палеогена под влиянием оживления движения земной коры. Неравномерность движения земной коры привела к образованию гор в центре Южного Урала. На востоке же значительное вздымание претерпела только зона хребтов Крыкты-Ирендек, а остальная часть сохранила облик приподнятых цокольных и местами даже пластовых равнин (Кадильников, Тайчинов, 1973).
Основной чертой геологического строения является широкое развитие в составе палеозоя магматических эффрузивных и интрузивных образований и большие мощности палеозойских толщ, а также преобладание холмистого или почти равнинного рельефа (Либрович, 1964).
В соответствии с современным обликом рельефа, связью его со структурами и историей развития в степной части можно выделить два морфоструктурных элемента территории: Зауральский мелкосопочник и Зауральскую равнину, которые соответствуют низкогорному и равнинному агроклиматическим подрайонам Зауральского степного района (Тайчинов, Бульчук, 1975). Зауральский мелкосопочник протягивается узкой полосой восточнее хр.Уралтау и имеет очень сложный рельеф, представляющий серию расчлененных долинами рек остепненных хребтов или разрозненных возвышений. Возник он сложно построенной структуре Магнитогорского синклинория, относящегося к внутренней части бывшей геосинклинили. В строении его участвуют вулканогенные и осадочные породы. Они собраны в систему различных складок, что при денудации и привело к формированию мелкосопочника. Устойчивые к выветриванию породы образовали повышения, на месте неустойчивых пород возникли понижения.
Наиболее высокую часть мелкосопочника составляют хребты Куркак, Крыкты, Ирендык, сложенные вулканогенными породами. Вершины хребтов плоские, а склоны крутые. В склоны хребтов врезаются узкими ущельями долины рек. Высота местности в межгорном понижении, приуроченном к синклианальному прогибу, составляет 400-500 м на юге. Рельеф понижения увалисто-равнинно-мелкосопочный (верховье рек Сакмара, Большой и Малый Кизил, Миндяк) Широтное сечение рельефа местности представлено на рис. 1.1 Приложение 1).
Степень расчлененности рельефа 0,5-1,5 км/кв , глубина местных базисов эрозии 100-250 м.
Зауральская равнина (пенеплен) простирается вдоль границ Башкортостана и Оренбургской областями и целиком включается в степную зону. Ее территория сложена сильно дислоцированными породами верхнего протерозоя и палеозоя, которые пронизаны мощными интрузиями гранитов. Однако различия литологического состава пород и геологические структуры не находят прямого отражения в рельефе пенеплена. Происхождение эрозионно-аккумулятивное. Образовался на срезанном денудацией слабоприподнятом складчато-глыбовом основании Магнитогорского синклинория (Башкортостан..., 1996).
Краткая историческая справка по г. Сибай и ОАО БМСК
В период с 1950 по 1960 гг. начинает формироваться инфраструктура г. Сибая как крупного промышленного центра Зауралья. Формирование и последующее развитие транспортной сети и системы энергоснабжения промышленного производства, несомненно, способствовало росту антропогенной нагрузки на компоненты окружающей среды Баймакского района.
1952 год. Завершено строительство железной дороги Магнитогорск Сибай. 1953 год. Вошла в строй первая очередь высоковольтной линии электропередач Магнитогорск - Сибай. 1958 год. Завершено строительство Худолазовского водохранилища и промышленной котельной для обеспечения водоснабжения комбината. Ввод в эксплуатацию водохранилища привел к существенному изменению гидрологического режима в нижней части бассейна реки Худолаз — одного из крупных притоков реки Урал.
1959 год. Пущена первая очередь обогатительной фабрики Башкирского медно-серного комбината мощностью 680 тыс. т. руды в год и начата отгрузка потребителям товарной продукции медного, цинкового, пиритного концентрата. Руды перерабатываются по схеме прямой селективной флотации. Образующиеся отходы - материал хвостохранилищ являются мощными источниками эмиссии тяжелых металлов в окружающую среду.
1962 год. Фактический объем переработки руд на обогатительной фабрике комбината составил 1408 тыс. т., при проектном уровне - 1360 тыс .т. Столь существенный рост объемов производства, несомненно, привел и к увеличению техногенной нагрузки на окружающую среду.
1964 год. На обогатительной фабрике усовершенствована схема пиритной флотации, в результате чего было обеспечено повышение качества продукции.
1965 год. Запущен в эксплуатацию дробильно-сортировочный цех серного колчедана проектной мощностью 500 тыс. т., который в течение последующих многих лет был производителем экспортной продукции.
1966 год. На обогатительной фабрике Башкирского медно-серного комбината в 1966 году внедрена бесцианидная технология обогащения руд.
1967 год. Введена в строй установка по производству щебня из вскрышных пород Сибайского карьера. Такая переработка пород вскрыши с получением товарного щебня фракций 20-70 мм, 5-20 мм и 0-5 мм оказалась достаточно рентабельной. Под внешними отвалами вскрышных пород ОАО «БМСК» сегодня занята площадь 635 га.
Вскрышные породы и некондиционные руды, накопленные на внешних отвалах карьеров, являются мощными постоянно действующими источниками загрязнения окружающей среды.
Результаты исследования состояния реки Карагайлы, как притока р. Худолаз
Река Карагайлы протекает в северо-восточном направлении по городской территории г. Сибай и является правобережным притоком р. Худолаз. Река имеет ширину 1-2 м, глубину 0,5м.
Река Карагайлы протекает в зоне промышленных и коммунально-складских предприятий. На реке имеется водоем (пруд Строитель), первоначально служивший источником водоснабжения комбината. Водоем образован подпором воды земляной плотиной, нормальный подпорный уровень — 348,2 м, средняя глубина 1,0 м. Река Карагайлы в своем верхнем течении в 6 км от города перегорожена глухой дамбой, воды ее отведены по искусственному руслу в реку Камышлы-Узяк. Питание реки Карагайлы в настоящее время осуществляется в основном шахтными и подотвальными водами БМСК. В течение 2003 года для определения степени загрязнения р. Карагаилы мы вели отбор и анализировали воду с 4-х точек. Рассмотрим эти точки по течению рек. Река Карагаилы: р. Карагаилы, выше сбросов шахтных вод ОАО «БМСК»; Ф р. Карагаилы, пруд Строитель; р. Карагаилы, ниже сброса ливневых вод ОАО БМСК; р. Карагаилы, устье. Величины предельно допустимых концентрации для водоемов рыбохозяйственного назначения, высокого загрязнения (ВЗ) и экстремально высокого загрязнения (ЭВЗ) приведены в таблицах 5,6 приложения. Медь. Распределение ионов меди в реке Карагаилы происходит следующим образом: в начале реки, т. е. в первой точке отбора концентрация ее составляет около 0,01 мг/дм . После попадания в реку подотвальных и рудничных вод, которые сбрасываются без очистки, уровень концентрации меди поднимается до 0,4 мг/дм3 (400 ПДК рыбхоз)- Далее по течению реки в районе сброса ливневых вод ОАО БМСК значения концентрации ионов меди несколько понижаются и составляют около 0,15 мг/дм3 (150 ПДК рыбхоз) Динамика загрязнения воды в р. Карагаилы ионами меди представлена на рисунке 6. Цинк. Примерно такая же картина наблюдается по иону цинка (рисунок 7). В первой точке отбора средняя концентрация этого металла равна 0,07 мг/дм3. В воде пруда Строитель она увеличивается в 40 раз - 2,8 мг/дм3, что составляет 280-кратное превышение ПДК рыбхоз.- Далее по реке происходит незначительное разбавление. Высокие концентрации цинка наблюдаются на всем протяжении реки Карагайлы, далее р. Худолаз. Марганец. В начале реки средние концентрации ионов марганца не превышают 0,04 мг/дмЗ. Далее же, во второй контролируемой точке, происходит резкий скачек содержания этого металла до 110 ПДК рыбхоз- Река Карагайлы почти не обладает самоочищающей способностью, вследствие чего высокие концентрации марганца наблюдаются по всей реке (рисунок 8). Пограничный с Челябинской областью створ на реке Худолаз расположен 400 м. выше поселка Новопокровский. Расстояние от предыдущего створа 10 км, в этом промежутке реки сброс сточных вод не осуществляется. Пробы с этих двух створов отбирались в один день. Расстояние до устья - 13 км. Ширина реки на месте отбора заужена, так как вода затекает в трубы диаметром 1,2 м. Во время паводка речная вода течет сверху моста. Ниже по течению река расширяется и варьирует в течение года от 7 до 12 м. Течение быстрое. Дно реки и берега около моста каменистые, пологие. На берегах обильно растет ива. Медь. При сравнении концентрации меди в этом створе с вышележащим створом п. Калинино наблюдается следующая картина. В декабре 2002 г., в январе, феврале и июне 2003 г. содержание этого металла выше, а в октябре и ноябре 2002 г. и 2003 г., декабре 2003 г. - ниже. Остальные месяцы концентрация меди в обеих точках примерно на одном уровне.
Цинк. Концентрации цинка в створе п. Новопокровский ежемесячно достигают ЭВЗ, в мае - июле 2003 г. были в пределах ВЗ. Как правило, эти значения ниже, чем в створе п. Калинино. Уменьшение составляет в 1,5-2,6 раза.
Марганец. Концентрации марганца в большинстве случаев в створе п. Новопокровский ниже, чем в створе п. Калинино в 1,1-1,5 раза, максимально в 2,2 раза 5.08.2002 г.
Класс качества - шестой. Индекс ИВЗ - 44,768 в 2002 году и 47,422 в 2003 году.
Таким образом, по результатам исследований видно, что в фоновом створе содержание тяжелых металлов повышенное, что обуславливается геохимическими факторами. Сбросы сточных вод ОАО «БМСК» дает 7-кратное увеличение концентрации меди, цинка - 57-кратное; марганца - 10-кратное. Река Худолаз сильно загрязняется после впадения р. Карагайлы, в которую попадают стоки предприятий г. Сибай.
Оценка состояния фонового створа Фоновым створом р. Таналык является точка — выше г. Баймак (cxejvia расположения точек отбора проб на реке Таналык, приложение, стр.132). Это место характеризуется тем, что здесь нет техногенного воздействия на реку. Точка расположена чуть ниже озера Графское. Расстояние до устья - 210 км, расстояние до следующего створа (р. Таналык, пос. Самарское) — 95 км. Ширина реки на месте отбора не превышает 3 м. Течение умеренное. Дно реки каменистое. Берега пологие. На берегах - травянистая растительность. В зимние месяцы река перемерзает, вследствие чего в это время года пробы не отбирались. Всего было отобрано и проанализировано 34 проб по двум исследуемым показателям - Си и Мп. Для характеристики содержания ионов Zn анализировались 23 пробы.
В этой главе кратко описывается содержание металлов в фоновом створе.
Медь. В первый год исследований среднее значение содержания Си было равно 0,0088 мг/дм . В последующие годы этот показатель в два раза понизился и составил величину около 0,0045 мг/дм"\ Максимальная концентрация 0,02 мг/дм3 наблюдалась в мае 2000 года, минимальная 0,001 мг/дм3 - в мае 2001 года.
