Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика района исследования 15
1.1. Физико-географическая характеристика территории размещения объектов ОАО "Кирово-Чепецкий химический комбинат" (КЧХК) 15
1.2 Общая характеристика производства объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, экологические проблемы, пути решения 24
1.2.1. Краткая история развития производств на предприятиях КХЧК 24
1.2.2. Экологические проблемы, связанные с деятельностью предприятий Кирово-Чепецкого промышленного комплекса 26
1.3. Экологический контроль и мониторинг в районе промышленной зоны объектов КЧХК 31
Глава 2. Методы и объекты геоэкологического мониторинга территории в районе исследования 37
2.1. Методы наземного геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе хранения химических и радиационно опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината 37
2.2. Химические и токсикологические методы анализа проб воды, донных отложений, почвы и растительности 42
2.3. Картографические и математические методы в представлении результатов анализа 44
2.4. Методы аэрокосмического мониторинга в геоэкологической оценке природных и природно-техногенных систем 44
2.4.1. Методы дешифрирования космических снимков. Дешифровочные признаки 46
2.4.2. Технология дешифрирования космических снимков 51
2.4.3. Спектральная отражательная способность 53
2.4.4. Вегетационные индексы 58
2.5. Геоинформационные методы в оценке состояния природного комплекса района исследования 61
Глава 3. Геоэкологическая оценка состояния природных и природно-техногенных систем с использованием методов аэрокосмического мониторинга 63
3.1. Оценка состояния атмосферного воздуха по атмосферным осадкам (снеговой покров) вблизи КЧХК 65
3.2. Геоэкологическая оценка состояния водных объектов 67
3.2.1. Оценка интенсивности русловых процессов по данным дистанционного зондирования 67
3.2.2. Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений 72
3.2.3. Оценка сезонной динамики экологического состояния водных объектов аэрокосмическими методами 86
3.3. Геоэкологическая оценка состояния почв 90
3.3.1. Характеристика почвенного покрова района исследования 90
3.3.2. Химическое загрязнение почв 91
3.3.3.Радиационное загрязнение почв 101
3.4. Геоэкологическая оценка состояния растительного покрова 105
3.4.1. Характеристика фитоценозов района исследования 105
3.4.2. Содержание поллютантов в растительных объектах 106
3.4.3. Анализ сезонной и многолетней динамики состояния растительного покрова по материалам космических снимков 109
3.5.Оценка динамики природно-техногенного комплекса в районе объектов ОАО "Кирово-Чепецкий химический комбинат" методами автоматизированного дешифрирования 126
Глава 4. Разработка рекомендаций по созданию системы геоэкологического мониторинга природно техногенного комплекса в районе объектов Кирово Чепецкого химического комбината 132
4.1. Обоснование перечня показателей геоэкологического мониторинга природных сред и объектов в районе исследования 132
4.2. Обоснование методов и технологий геоэкологического мониторинга природных компонентов в районе исследования 137
4.3. Структурно-функциональная схема аэрокосмического компонента системы геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе КЧХК 140
4.4. Организационное и информационное обеспечение геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината 149
Выводы 156
Заключение 159
Список литературы 160
Приложение 176
- Экологические проблемы, связанные с деятельностью предприятий Кирово-Чепецкого промышленного комплекса
- Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений
- Анализ сезонной и многолетней динамики состояния растительного покрова по материалам космических снимков
- Организационное и информационное обеспечение геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На территории Кировской области более 60 лет действует «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б. П. Константинова» (КЧХК), являющийся одним из крупнейших промышленных предприятий России по производству фторполимеров и минеральных удобрений. За годы деятельности промышленных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, природный комплекс в районе его эксплуатации под воздействием техногенного загрязнения сильно преобразован и представляет собой нарушенную природно-техногенную систему, сформировавшуюся вследствие сброса стоков предприятий, воздействия выбросов, складирования отходов производства, нарушения ландшафта при строительстве и эксплуатации объектов. На территории комбината находятся шламонакопители и хвостохранилища, содержащие большое количество токсичных, ртутьсодержащих, радиоактивных отходов. Хранилища отходов производства расположены в 1,5 км от селитебной зоны г. Кирово-Чепецка, в зоне санитарной охраны водозабора областного центра города Кирова с населением более 500 тыс. человек. За годы производственной деятельности всего комплекса предприятий КЧХК существенно возросли площади антропогенно нарушенных земель, водных и биологических экосистем.
Система производственного экологического контроля химического состава сточных, поверхностных и подземных вод, ливневых стоков, промышленных выбросов на объектах КЧХК осуществляется на постоянной основе. Однако комплексного изучения техногенного загрязнения природных сред и объектов на такой сложной территории, в районе крупного химического комбината с его прошлым радиоактивным наследием, расположенной в пойме реки Вятки – основного питьевого источника населения региона, не проводилось. Экологический мониторинг компонентов природной среды, включающий оценку изменения ландшафтов, водных, почвенных экосистем, растительных и животных объектов на данной территории не осуществляется.
Всё это обусловливает актуальность и необходимость проведения работ по изучению экологического состояния территории в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината, с использованием не только наземных методов исследований, но и современных геоинформационных и аэрокосмических технологий, позволяющих в динамике оценить происходящие изменения, провести геоэкологическую оценку и сделать прогноз развития экологической ситуации на данной территории.
Кроме того, разработанные в диссертационном исследовании программные продукты, материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса в районе исследования, рекомендации по организации системы геоэкологического мониторинга являются актуальными и могут быть использованы для совершенствования экологического мониторинга и при проведении мероприятий по реабилитации территорий, загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.
Цель работы. Геоэкологическая оценка состояния природных и природно-техногенных систем в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса с применением современных методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картирования, ГИС-технологий с целью оптимизации системы экологического мониторинга исследуемой территории.
Задачи:
-
Обоснование и выбор приоритетных показателей, методов и технологий для геоэкологической оценки природно-техногенных систем в районе исследования.
-
Апробация методов аэрокосмического мониторинга, геоэкологического картографирования, ГИС-технологий в геоэкологической оценке природного комплекса в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.
-
Выявление сезонной и многолетней динамики состояния природного комплекса в условиях техногенного загрязнения и геоэкологическая оценка исследуемой территории.
-
Разработка утилит для предварительной подготовки данных дистанционного зондирования c дальнейшей тематической обработкой и использованием программных средств: ENVI 4.5, MapInfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.
-
Разработка рекомендаций по созданию системы геоэкологического мониторинга природного комплекса в районе КЧХК с использованием методов аэрокосмического мониторинга и ГИС-технологий.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются природные и природно-техногенные системы в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса. Предмет исследования – геоэкологическая оценка и мониторинг территории в зоне влияния объектов Кирово-Чепецкого химического комбината с использованием аэрокосмических методов.
Методы исследования. В проведении работ по геоэкологической оценке природных и природно-техногенных систем использованы методы наземных исследований, дешифрирования материалов аэрокосмических съемок, автоматизированной обработки данных и геоинформационного картографирования результатов исследования, программирования, методы сравнительно-географического и пространственного анализа, физико-химические и биологические методы. В качестве программного обеспечения для обработки данных использовались пакеты программ ENVI 4.5, MapInfo Professional 7.5, Borland Delphi 7, Gdal, ArcGIS 9.1.
Обоснованность и достоверность полученных результатов в геоэкологической оценке территории обеспечивалась применением традиционных классических и аэрокосмических методов, ГИС-технологий, единством подходов к сбору, обработке, анализу и картографированию данных, а также использованием представительных результатов наземных и аэрокосмических исследований.
Научная новизна диссертационного исследования
-
Создан банк многолетних (за период с 1973 по 2008 гг.) данных спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведена обработка разновременных разномасштабных космических снимков. Выявлена высокая эффективность аэрокосмических, информационных методов, позволяющих одномоментно провести геоэкологическую оценку всего комплекса, в том числе труднодоступных участков, за большой промежуток времени и сравнить состояние природно-техногенных систем. Разработана новая программа Geofit, которая расширяет функциональные возможности используемых программных продуктов.
-
Впервые построены оценочные карты сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса, индекса влагосодержания, динамики русловых процессов, изменения ландшафта в процессе строительства и эксплуатации объектов КЧХК с использованием данных ДЗЗ и современных ГИС-технологий с целью выявления изменений экосистем, прогноза развития опасных природных и природно-техногенных процессов. Предложен новый Нормализованный разностный цианобактериальный индекс для оценки экологического состояния водоемов с использованием методов дистанционного зондирования Земли.
-
Впервые проведена геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, выявлены ареалы химического, радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. По данным тематических карт природных сред и объектов построена комплексная карта техногенного загрязнения природных сред и объектов в районе КЧХК.
-
Разработан модуль системы геоэкологического мониторинга природно-техногенного комплекса в районе КЧХК с использованием аэрокосмических методов и ГИС-технологий, который может быть положен в основу разработки программы и создания системы комплексного экологического мониторинга исследуемой территории.
Практическая значимость работы заключается в том, что материалы по геоэкологической оценке и прогнозу состояния природного комплекса могут быть использованы при проведении мероприятий по реабилитации территорий и водных объектов, химически и радиационно загрязненных в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината.
Апробированные в ходе диссертационного исследования методы дистанционного зондирования, геоэкологического картирования, разработанные компьютерные программы, структурно-функциональная схема системы геоэкологического мониторинга могут стать основой при разработке программы и создании системы комплексного экологического мониторинга р. Вятки – основного источника водоснабжения областного центра г. Кирова – и природно-техногенного комплекса в районе КЧХК.
Разработанный новый метод оценки степени техногенного загрязнения водоемов с использованием данных ДЗЗ является информативным и рекомендуется в системах экологического мониторинга водных объектов.
Технология выявления зон аккумуляции, размыва, подтопления, смещения русла, изменения площади обводненных территорий на основе данных ДЗЗ позволяет делать прогнозы скорости размыва берегов, выявлять зоны подтопления, что крайне необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации объектов, расположенных в прибрежной зоне.
Разработанный спецкурс "Аэрокосмические методы и технологии геоэкологического картирования в оценке состояния природных и природно-техногенных систем" реализуется в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению Экология; магистров и бакалавров по направлению 020.800.68 - Экология и природопользование; магистров по направлению подготовки 020100.68 - Химия.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на Всерос. науч.-практич. конференции с международным участием «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (г. Киров, 2008, 2009, 2010, 2011), Всерос. науч.-практич. конференции молодёжи «Экология родного края – проблемы и пути их решения» (г. Киров, 2009, 2010, 2011), Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, Республика Коми, Россия, 2009), IV Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. уч. «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009, 2011), 2-й Всерос. науч.-практич. конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2010), IV Международ. науч. конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород 2010), XVII Междунар. науч.-технич. симпозиуме «Геоинформационный мониторинг окружающей среды: GPS и GIS – технологии» (Украина, Алушта, 2011), III-Международ. науч.-практич. конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011), Международ. студенческой науч. конференции «Знания молодых – новому веку» (Киров, Вятская ГСХА, 2011) , Всерос. конференции с международным участием «Экоаналитика – 2011» (Архангельск, 2011).
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии его в полевых исследованиях, в отборе проб (более 400), в описании типов ландшафтов, фитоценозов, радиометрической съемке, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, расчете вегетационных индексов, разработке нового индекса оценки степени загрязнения водоемов (Normalized Difference Сyanobacterial Index), дешифрировании и обработке космических снимков (10 космических снимков с разных спутников с различным разрешением за период 35 лет), картировании ареалов химического загрязнения природных сред (более 20 карт), геоэкологической оценке и прогнозе влияния производственной деятельности Кирово-Чепецкого промышленного комплекса, разработке компьютерных программ (программа Geofit), расширяющих функциональные возможности используемых программных продуктов, создании банка многолетних данных спутниковых наблюдений на исследуемую территорию, проведении обработки разновременных разномасштабных космических снимков, построении карт сезонной и многолетней динамики вегетационного индекса в условиях техногенного загрязнения (более 50 карт), выявлении различия тенденций динамики техногенно нагруженной и фоновой территории, разработке спецкурса "Аэрокосмические методы и технологии геоэкологического картирования в оценке состояния природных и техногенных систем".
Закономерности миграции специфических загрязнителей в системе вода – донные отложения были выявлены при выполнении работ автором исследования в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-7588.2010.5 «Миграция и распределение радионуклидов и поллютантов в компонентах природной среды в зоне влияния промышленного предприятия (на примере Кирово-Чепецкого химического комбината)», (2010–2011 гг.).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует специальности 25.00.36 "Геоэкология", поскольку геоэкологическая оценка природного комплекса в условиях техногенного загрязнения крупных промышленных объектов, геоэкологическое картирование, моделирование, ГИС-технологии и базы данных входят в круг задач геоэкологии. Проведены исследования по следующим областям в отрасли "Науки о Земле":
1) п. 1.8. – "Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека: химическое и радиоактивное загрязнение почв, поверхностных вод …" Выявлены ареалы химического и радиационного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. Показано, что геоиндикаторами процессов размыва являются различия положения береговой линии реки Вятки, выявленные на основе данных ДЗЗ за различные годы съемки.
2) п. 1.11 – "Геоэкологические аспекты функционирования природно-техногенных систем". Проведены исследования по оценке многолетней (35 лет) динамики природного комплекса в районе КЧХК и выявлены изменения структуры природно-техногенных систем вследствие строительства крупнейшего химического предприятия – Завода минеральных удобрений КЧХК. Доказана высокая эффективность аэрокосмических методов в геоэкологической оценке природно-техногенных систем.
3) п.1.12, п.1.13 – "Геоэкологический мониторинг…."Динамика и закономерности развития опасных природных и природно-техногенных процессов, оценка опасности и риска…". Разработана структура системы геоэкологического мониторинга, включающая информативные показатели, современные методы и технологии с использованием методов аэрокосмического мониторинга, математической и статистической обработки результатов, моделирования и ГИС-технологий. Выявлены геоиндикаторы развития опасных природных и природно-техногенных процессов размыва берегов, смещения русла реки, подтопления, изменения площади обводненной территории.
4) п. 1.17 – "Геоэкологическая оценка территорий: современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии…" Проведена геоэкологическая оценка состояния природного комплекса в районе КЧХК, построены оценочные карты сезонной и многолетней динамики, выявлены ареалы техногенного загрязнения почв, водных объектов, донных отложений, растительности. С использованием методов геоэкологического картирования, дистанционного зондирования разработаны метод оценки степени техногенного загрязнения водоемов, компьютерная программа Geofit, расширяющая функциональные возможности используемых программных продуктов.
Основные результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Выявлена динамика природно-техногенных систем в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса по материалам космической съемки за 35 лет, которая проявляется в увеличении площадей промышленных зон, техногенно-нарушенных территорий и значительном уменьшении территорий, занятых лесными и луговыми фитоценозами.
-
Оценочные карты сезонной и многолетней динамики распределения значений вегетационного индекса, индекса влагосодержания, цианобактериального индекса, построенные на основе данных ДЗЗ, позволили выявить тенденции к ухудшению состояния растительности в районе исследования, проявляющиеся в снижении значений NDVI, усыхании хвойных лесов, и определить степень загрязнения водных объектов.
3. Разработана и оптимизирована структура системы геоэкологического мониторинга на территории в районе КЧХК, включающая информативные показатели, современные методы и технологии. Разработан новый метод оценки характера "цветения" водоемов и степени их техногенного загрязнения, создана компьютерная программа Geofit, улучшающая качество и расширяющая функциональные возможности используемых программных продуктов.
4. Апробированные в ходе диссертационного исследования аэрокосмические методы, ГИС-технологии, методы моделирования, математической и статистической обработки результатов исследования позволили с высокой степенью достоверности выявить степень загрязнения природного комплекса и ареалы химического и радиационного загрязнения компонентов природно-техногенных систем, динамику изменения ландштафтов, русловых процессов реки Вятки в районе исследования, и могут быть рекомендованы для геоэкологической оценки и оптимизации системы экологического мониторинга техногенно-нарушенных территорий.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе 7 работ из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы 175 страниц машинописного текста и Приложение. Диссертация содержит 24 таблицы, 48 рисунков. Список литературы состоит из 145 наименований, в том числе 11 иностранных источников.
Экологические проблемы, связанные с деятельностью предприятий Кирово-Чепецкого промышленного комплекса
Действующий в Кировской области более 60 - лет Кирово-Чепецкий промышленный комплекс относится к предприятиям, характеризующимся высокой экологической опасностью. В различных производствах КЧХК образуется большое количество газообразных, жидких и твердых отходов, а до 1992 года и радиоактивных отходов, которые вместе с производственными сточными водами оказывают влияние на геологическую среду.
Около 30% образующихся газообразных отходов выбрасываются в атмосферный воздух. Остальные обезвреживаются на специальных установках с образованием, в основном, утилизируемых продуктов и частично жидких и твердых отходов. Удельный выброс загрязняющих веществ от стационарных источников ежегодно составляет более 200 т/км2, что в 5-6 раз выше по сравнению с областным центром, г. Кировом, с населением в 6 раз большим, чем в г. Кирово-Чепецке. В связи с этим город Кирово-Чепецк является одним из самых загрязненных городов на территории Кировской области [12,13,23].
Жидкие отходы утилизируются (около 80%) в производствах комбината или в виде товарного продукта передаются другим отраслям промышленности. Неутилизируемые жидкие отходы, ввиду отсутствия технологии переработки и обезвреживания и в целях предотвращения загрязнения поверхностных водоемов, передаются на полигон глубинного захоронения (ПГЗ), расположенный между промплощадками завода Полимеров КЧХК и завода минеральных удобрений КЧХК рядом с золоотвалом ТЭЦ-3 и объектами размещения отходов комбината. Полигон эксплуатируется с марта 1987 г. Он состоит из 6 нагнетательных скважин, обеспечивающих непрерывную закачку до 2000 м3/сутки жидких отходов производств сложных минеральных удобрений, ТХАН и хлороформа на глубину 1257-1280 м в пласт-коллектор, сложенный карбонатными породами серпуховско-окского водоносного комплекса. Пласт-коллектор перекрыт глинистыми водоупорными породами верейского горизонта, содержит рассолы (минерализация 270 г/л), не пригодные для использования в хозяйственных целях. Пресные воды верхней части геологического разреза данного района изолированы от пласта-коллектора. За 20-летний период эксплуатации в полигон закачано около 7 млн. м3 отходов [24].
Твердые отходы производств комбината, представляющие собой продукты переработки природного сырья (плавиковый шпат, поваренная соль, апатит), шламы водоподготовки и очистки сточных вод, отработанные катализаторы, сорбенты, фильтровальные материалы частично утилизируются на комбинате или реализуются другим предприятиям. Часть отходов направляется на захоронение на специально оборудованные объекты и площадки. Твердые отходы, содержащие высокоопасные и опасные вещества (в основном ртуть, хром, сурьму, фтор, кислоты), предварительно подвергаются обезвреживанию термическим или реагентным способами для понижения содержания токсичных соединений до безопасных уровней или перевода в нерастворимые формы [24].
Вследствие специфики используемого сырья, существующих технологий производства, применяемых методов обезвреживания отходов на комбинате ежегодно направляется на захоронение около 20 т. твердых отходов 3 класса токсичности, 30,5 тыс. т. отходов 4 класса токсичности и 3,7 тыс. т. нетоксичных отходов. Захоронение твердых отходов 3 класса токсичности производится на участке захоронения отходов, расположенном на территории промплощадки завода полимеров, совместно с отходами 4 класса токсичности, содержащими соединения ртути, цинка.
Ежегодно на комбинате образуется около 25 т. отходов 2 класса токсичности, которые из-за отсутствия в настоящее время технологии обезвреживания временно хранятся на цеховых складах в количестве до 300 т. С 1991 г. на отдельной площадке складируется для дальнейшей переработки в строительные изделия около 30 тыс. т. в год отвального сульфата кальция - «фтор-гипса».
В твердых отходах, размещенных на участке захоронения отходов 3-4 классов токсичности, расположенном на промплощадке завода Полимеров КЧХК в основном содержатся: сульфат кальция (44,3%), хлорид натрия (28,47%), нерастворимые в соляной кислоте компоненты (13,3%), гидрохлорид магния (8,5%) и пределах до 1% - оксид и карбонат цинка и сульфид ртути. На участке захоронения отходов 4-ого класса опасности в состав твердых отходов входят сульфат кальция (68,3%), нерастворимые в соляной кислоте компоненты (13%), магния гидрохлорид (5,6%), хлорид кальция (до 8%), фторид кальция, карбонат кальция, гидроксиды кальция, железа, алюминия (1-2%) [24, 25].
В целом, на территории промышленной зоны Кирово-Чепецкого химического комбината за годы его деятельности хранится свыше 14 млн. т. промотходов, в т. ч. более 1 млн. т. опасных, которые размещены в шламонакопителях, хвостохранилищах технического мела и участках захоронения промышленных отходов 3, 4 классов опасности. Секции хранения отходов расположены в водоохраной зоне р. Вятка, во 2 поясе санитарной зоны питьевого водозабора г. Кирова. Поэтому экологическая ситуация в районе размещения промышленных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината на протяжении длительного времени остается сложной [7].
Кроме перечисленных объектов размещения химических отходов комбината к его промплощадке в западном направлении примыкают территории, занятые объектами размещения радиоактивных отходов. На промплощадке комбината располагается 8 хранилищ радиоактивных отходов. В настоящее время в этих хранилищах размещено около 440 тыс. т отходов низкой и средней активности. Суммарная активность отходов около 1,3-1014 Бк (3400 Ки), из которых 76% составляют альфа-активные радионуклиды плутоний (65%) и уран (11%), остальное гамма- и бета-активные - цезий-137 (23%) и стронций-90 (1%) [25-27 ].
Другая известная экологическая проблема предприятий ОАО «КЧХК» - азотное загрязнение подземных и поверхностных вод. Основным источником этих загрязнений в объединенных сточных водах, поступающих в р. Просницу через Измерительный лоток, является техногенное загрязнение водосборной площадки и оз. Просное, сформировавшееся до конца 80-х -начала 90-х годов прошлого века в результате предыдущей деятельности химкомбината. Особую озабоченность вызывают грунтовые воды, загрязненные (с конца 80-х годов) за счет поступления в них соединений азота из 5-й и 6-й секций хвостохранилища мела в результате нарушения противофильтрационной защиты. Ореол загрязнения распространяется и движется в направлении р. Вятки. По прогнозам гидрогеологов фронт максимального загрязнения может достигнуть реки за 10-15 лет. В результате утечки произошло сильное загрязнение нитратами аммония и стронция пойменных озёр Берёзовое и Бобровое [7]. Во время высоких паводков, происходящих на данной территории раз в пять-семь лет, происходит вынос азотных соединений в р. Вятку, что временами приводит к превышению предельно допустимого загрязнения по аммонию на водозаборе г. Кирова [24].
В технологическом процессе завода Полимеров КЧХК используется довольно большое количество (до 120 т) жидкой ртути, за десятилетия работы завода накоплен большой объем ртутьсодержащих отходов. В настоящее время сброс ртутных соединений в р. Елховку практически отсутствует, но проблема ртутного загрязнения природных сред остается не решенной [28-29].
Из всех видов загрязнения окружающей среды в районе промышленных предприятий КЧХК наибольшую экологическую опасность представляет загрязнение поверхностных и подземных вод. Сверхнормативное загрязнение стоков предприятий комбината может приводить к ухудшению качества воды на питьевом водозаборе г. Кирова, находящемся на р. Вятке в 13,5 км ниже по течению от места впадения р. Волошки - приемника сточных вод предприятий КЧХК.
Основным коллектором сточных вод предприятий КЧХК является р. Елховка, принимающая ливневые стоки г. Кирово-Чепецка, сточные воды из выпусков завода Полимеров КЧХК и завода минеральных удобрений КЧХК и 1-й секции шламонакопителя. Кроме того, в загрязнение Елховки вносит вклад разгрузка грунтовых вод, загрязненных химическими и радиоактивными отходами производства прошлого наследия. Через озеро Просное воды реки Елховки поступают в реку Просницу и далее в р. Вятку -основной источник питьевого снабжения кировчан [4,7].
За последние годы в структуре ООО КЧХК (филиал управляющей компании «УРАЛХИМ») произошли существенные изменения. Все предприятия входившие в его состав стали самостоятельными юридическими лицами. Вместо одного хозяина объекта стало более 10, среди которых на данной территории действуют два современных крупных завода "Завод полимеров" и "Завод минеральных удобрений", «Управление автотранспорта КЧХК», «Энергосберегающая организация КЧХК» и др. с огромным комплексом своих экологических проблем. Все радиационно-опасные отходы на территории КЧХК переданы в собственность Кирово-Чепецкого отделения ФГУП «РосРАО».
Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений
Гидрологическая сеть вблизи КЧХК представлена р. Елховкой, карьером Завода минеральных удобрений, оз. Березовое и оз. Просное. Установлено, что в районе шламохранилища, расположенного в 1,5 км от реки Вятки, наблюдается высокий уровень загрязнения подземных вод соединениями минерального азота (главным образом нитрата аммония). При этом происходит постепенная разгрузка подземных вод в ближайшие пойменные озера. Значительное загрязнение характерно для оз. Березовое и Бобровое что позволяет их считать наиболее загрязненными водными объектами на исследуемой территории. Значения концентраций аммонийного азота в подземных водах достигают более 40 г/л, а в озерах около 10 г/л [94] Высокие концентрации определяемых солей аммония в воде оз. Березовое следует отнести за счет близко расположенных хвостохранилищ. Во время весенних паводков, пойменные озера заливаются и загрязняющие вещества попадают с паводковыми водами в реку Вятку [95J.
В поверхностных водах в районе КЧХК отмечаются высокие концентрации химических веществ, связанных с производством, отходами и стоками комбината. По данным радиохимического анализа по сравнению с фоновыми значениями в некоторых пробах воды превышена удельная активность плутония-239, 240; стронция-90, цезия-137. Мощность эквивалентной дозы в прибрежной зоне р. Елховки на поверхности почвы и в районе оз. Просное превышает фоновые значения.
К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) [96]. Индекс загрязнения воды, как правило, рассчитывают по шести-семи показателям, которые можно считать гидрохимическими.
Для расчета ИЗВ для водных объектов, расположенных в районе Кирово-Чепецкого химического комбината, использовали следующие гидрохимические показатели: нитрат-, нитрит-, хлорид-, фторид-ионы, ион натрия и аммония.
При построении карт загрязнения природных поверхностных вод, кроме данных собственного опробования использованы материалы лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН. На картах отражена степень загрязнения вод по комплексному гидрохимическому показателю - индексу загрязнения воды. В 2008 г. (рис. 18) большинство водоемов характеризуются низким уровнем загрязнения. Исключение составляет озеро Березовое (№ 7), уровень загрязнения которого характеризуется как опасный (4 балла). Это может быть связано с расположением озера вблизи секций хранения отходов ЗМУ КЧХК, что свидетельствует о существенном влиянии данных техногенных объектов на загрязнение природных сред соединениями азота и другими поллютантами.
В 2009 и 2010 гг. наиболее чистым водоемом по химическим показателям остается река Елховка на всем ее протяжении (низкий уровень загрязнения). Особую опасность представляют такие водные объекты как оз. Бобровое (№ 9), оз. Березовое (№ 7), которые характеризуются критическим уровнем загрязнения (5 баллов). Повышенный уровень загрязнения данных водных объектов обусловлен разгрузкой грунтовых вод, загрязненных нитратом аммония жидкой фазы хвосгохранилища мела за счет проницаемости противофильтрационного экрана. Также критический уровень загрязнения отмечен для пробы № 2, располагающегося вблизи родника, просачивающегося с территории Завода полимеров в р. Елховку. Рис. 19 Карта-схема оценки степени загрязнения поверхностных водных объектов в районе Кирове- Чепецкого химического комбината в 2008 - 2009 гг. Как было установлено ранее [7, 97] высокое содержание нитрата аммония и стронция в оз. Бобровое и Березовое связано с тем, что данные водные объекты расположены вблизи 6 секции шламонакопителя. Стенки данной секции являются частично проницаемой, поэтому жидкая фракция, содержащая загрязняющие вещества, проникает через полупроницаемую стенку в грунтовые воды. Из грунтовых вод нитрат аммония поступает в подземные И поверхностные воды. С 2009 по 2011 г. наблюдается уменьшение содержания ионов в поверхностных водных объектах. Снижение азотного загрязнения водных объектов может быть связано и с мероприятиями, осуществляемыми руководством КЧХК, по снижению содержания загрязнителей в водных объектах (засыпание 6 секции хвостохранилища мела, выкачивание воды из глубинных слоев оз. Бобровое).
В течение последних трех лет высокие концентрации ионов стронция аммония, нитрат-ионов определены в оз. Березовое и Бобровых озерах (т. 9. 7). в отводной канаве, впадающей в старицу р. Вятка (т. 28) (рис. 20). Рис. 20 Содержание ионов стронция, аммония и нитрат-ионов в пробах воды (на глубине 0,3 м) из поверхностных водных объектов вблизи КЧШ в 2011г. Согласно данным 2009-2011 г. можно выделить несколько водных объектов, содержащих высокие концентрации нитрата аммония и ионов стронция: оз. Березовое. Бобровые озера, отводная канава в старицу р. Вятка.
В 2011 г. наблюдается уменьшение концентрации загрязняющих веществ по сравнению с 2009-2010 гг. Содержание анализируемых ионов в р. Просница не превышает ПДК, поэтому при впадении в р. Вятка вода остается достаточно чистой. Однако в период паводка может происходить промывка пойменных озер и загрязнение р. Вятка. В ходе выполнения исследования в пробах воды проводилось определение содержания тяжелых металлов (цинка, свинца, меди, марганца, ртути). Установлено, что концентрация цинка во всех пробах не превышала ПДК, но в некоторых пробах наблюдалось превышение фонового значения (место выхода грунтовых вод у Завода полимеров (2) и стоки ТЭЦ-3 (32)). Содержание кадмия и меди не превышало ПДК во всех пробах воды.
Превышение концентрация ионов свинца по сравнению с ПДК определено в воде оз. Бобрового (№ 9). в стоках ТЭЦ-3 (№ 33). В 2010 и 201 1 гг. концентрация марганца в половине проанализированных проб была выше ПДК. Максимальные значения содержания марганца установлены в оз. Березовом и в точке 2, Как и в предыдущие годы, содержание ртути было высоким (в 1,8-3,5 раза выше ПДК) в пробах из р. Елховка (№№ 4. 21) и месте выхода грунтовых вод у Завода полимеров (№ 2). Установлено, что р. Елховка достаточно загрязнена соединениями ртути. Кроме того, в 201 1 г. было выявлено превышение ПДК в 2,3 раза для ртути в пробе воды из оз. Просного со стороны Глухого бора (т. 36), что может быть связано с переходом в воду соединений ртути в растворимое состояние из донных отложений.
Таким образом в 2010 и 2011 гг., наиболее загрязненными тяжелыми металлами водными объектами остаются оз. Бобровое на глубине 5,5 м (№ 9). река Елховка(№№ 4, 21) и место выхода грунтовых вод у Завода полимеров (№2) (рис. 21).
При радиохимическом анализе проб воды установлено, что для большинства отобранных проб воды удельные активности урана-238, стронция-90. цезия-137 превышали фоновые значения. Наибольшее содержание всех исследуемых радионуклидов характерно для воды из места выхода грунтовых вод Завода полимеров (№ 2) и дренажной канавы у хранилища РАО (№ 3). Причем, в т. 3 удельная активность урана превысила фон в 120 раз, стронция - в 8,6 раз. Высокие значения, по сравнению с фоном, удельных активностей радионуклидов связаны с утечкой загрязненных вод из шламонакопителей и хранилищ в грунтовые воды и разгрузкой их в поверхностные водные объекты. На всем протяжении р. Елховка содержание радионуклидов превышает фоновые значения.
Анализ сезонной и многолетней динамики состояния растительного покрова по материалам космических снимков
Методика экспериментальных работ по дешифрированию космических снимков территории исследования осуществлялась по технологии, приведенной в главе 2, и включала следующие этапы:
1. Выбор объекта исследования - природного комплекса в районе влияния объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат».
2. Получение аэрокосмических материалов оптимальных масштабов, оптических и спектральных характеристик, с учётом сезонности и повторности съемки на изучаемой территории.
3. Визуальное и автоматизированное дешифрирование полученных материалов.
4. Составление картосхем по результатам дешифрирования.
5. Подведение итогов исследования.
Аэрокосмические материалы, используемые в эксперименте. Район исследования обеспечен материалами космической съемки, полученными с американских спутников Landsat-5 и Landsat-7 с использованием съемочной аппаратуры ЕТМ+, в масштабе 1:100 000 с разрешением на местности 30 м в 8 спектральных диапазонах (0,52-0,9; 0,45-0,52; 0,52-0,6; 0,63-0,69; 0,76-0,9; 1,55-1,75; 2,08-2,35; 10,4-12,5). Кроме того, использовались многозональные и синтезированные изображения, полученные съемочной системой SPOT-5. Снимки характеризуются разрешением на местности 10 м, в масштабе 1:50 000 в 4-х спектральных диапазонах (0,50-0,59; 0,61-0,68; 0,78-0,89; 1,58-1,75).
Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических материалов. Исследование проведено в следующей последовательности:
1. Выбор эталонных участков для каждого класса объектов на местности. Эти участки используются для формирования обучающих выборок. Обучающие наборы данных для каждого класса объектов устанавливаются по данным полевых исследований, анализа имеющихся карт изучаемой территории, визуального дешифрирования цветного изображения.
2. Получение спектральных статистических характеристик выбранных типичных классов объектов и построение классификатора.
3. Детальная классификация, кластеризация природных объектов, отображенных на композиционном изображении, классификация лесного массива по преобладающим породам леса, динамики изменения состояния растительности в разные годы съемки и разные сезоны года на основе расчета обучающих данных параметров используемых алгоритмов.
4. Расчет вегетационных индексов по результатам дешифрирования космических снимков. Составление индексных карт.
5. Создание классификационных (тематических) карт, содержащих итог результатов классификации.
6. Подтверждение результатов классификации изучаемых изображений путем проведения наземных маршрутных обследований.
Для геоэкологической оценки природного комплекса вблизи химкомбината использовались многозональные космические снимки за 1992, 2000, 2002, 2005 и 2007 гг. съемки в 8-ми спектральных диапазонах с разрешением 30 м, полученные с аппаратов Landsat (рис 33). Снимки были сделаны в весеннее-летний период (май-август). Также в работе использовались снимки за сентябрь 2007 и апрель 2008 гг. в 4-х спектральных диапазонах с разрешением 10 м, полученные с аппарата SPOT-5. При обработке снимков использовали компьютерную программу ENVI 4.5.
При визуальном дешифрировании синтезированных снимков хорошо выделяются как природные, так и антропогенные объекты - дороги, территория объектов КЧХК (Завод минеральных удобрений, Завод полимеров, секции хранения отходов). Большое внимание при дешифрировании уделялось растительному покрову и его состоянию. Фиксировался природный состав лесов, выделены хвойные и лиственные леса.
Для количественной оценки состояния растительности вблизи объектов ОАО «КЧХК» применяли вегетационный индекс NDVT и индекс влагосодержания NDW1, которые можно использовать как интегральные показатели. Расчет индекса позволил получить карты NDVI и NDWI по которым можно проследить динамику изменения состояния растительности, оценить разреженность растительного покрова, выявить зоны угнетения и восстановления, содержание влаги в растительности.
В работе использовались утилиты для предварительной подготовки данных дистанционного зондирования, а также для дальнейшей тематической обработки известными программными средствами. Для предварительной подготовки изображений, полученных с космических аппаратов, использовали программу Geofit, разработанную в рамках выполнения данного исследования с использованием инструментального пакета Borland Delphi 7.0 (рис. 34). Данный продукт позволяет выделять область интересов на снимках согласно заданным размерам и координатам, а также разрешению.
При проведении геоэкологической оценки состояния растительности вблизи КЧХК методами аэрокосмического мониторинга были получены индексные карты. С использованием базы данных ДЗЗ составлен атлас индексных карт (NDVI и NDWI) состояния сосновых, лиственных лесов, луговой растительности, включающий 36 карт (Приложение). Была сделана оценка значений данных спектральных индексов отдельно для сосновых лесов, лиственных лесов и лугов. Это обусловлено различной чувствительностью данных типов растительности к воздействию природных факторов и негативных факторов среды [125]. Индексные карты были построены для фоновой территории и импактной территории. В качестве фоновой были выбраны две территории: первая - в районе реки Быстрицы. вторая - неподалеку от областного центра - г. Кирова (рис. 35). Данные территории расположены на значительном удалении от химкомбината, поэтому могут рассматриваться в качестве фоновых.
Организационное и информационное обеспечение геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе объектов Кирово-Чепецкого химического комбината
Существенной составляющей геоэкологического мониторинга антропогенно измененного природного комплекса в районе объектов ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат» является информационное обеспечение процесса принятия и реализации управленческих решений, направленных на улучшение экологической ситуации в районе влияния крупного химического комбината.
Информационное обеспечение геоэкологического мониторинга природно-техногенных систем в районе химически и радиационно-опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината должно быть нацелено главным образом на органы исполнительной власти, контролирующие организации и население, проживающее в непосредственной близости от химкомбината и в областном центре - г. Кирове. Организация информационно-аналитического обеспечения системы геоэкологического мониторинга возможна на основе взаимодействия всех участников данной системы с опорой на Департамент экологии и природопользования Кировской области.
Система геоэкологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать полученную в течение года информацию и обеспечивать сравнительный анализ по годам: состояния окружающей среды в районе КЧХК; выявления причин наблюдаемых и вероятных изменений состояния компонентов природной среды; допустимости изменений и нагрузок на компоненты природной среды в целом; существующих резервов природного комплекса.
Важной составляющей системы геоэкологического мониторинга окружающей среды вблизи КЧХК является разработка информационных продуктов в виде констатационных, ситуационных, аналитических и прогнозных карт, электронной базы данных по природным средам и компонентам, которые должны включаться в ежегодный отчет по реализации данной программы. По результатам проведения геоэкологического мониторинга природных и природно-техногенных систем в районе химических и радиационно-опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината необходимо проведение анализа полученной информации, и разработка природоохранных мероприятий для принятия управленческих решений.
Поскольку предприятия производственного комплекса КЧХК являются градообразующими для города Кирово-Чепецка, где проживает 83 000 тысячи населения наряду с геоэкологическим мониторингом должен проводиться социально-гигиенический мониторинг, включающий социально-гигиенический контроль условий проживания и компонентов природной среды, питьевой воды, продовольственного сырья; анализ показателей общей заболеваемости населения и медико-демографический анализ состояния здоровья населения. Система социально-гигиенического мониторинга регламентирована Постановлением Правительства РФ № 426 от 1.06. 2000 [145]. Основным координатором в этой системе является Федеральная служба управления Роспотребнадзора по Кировской области, тесно взаимодействующая по конкретным вопросам с другими организациями и ведомствами, осуществляющими мониторинг. Для большинства видов деятельности социально-гигиенического мониторинга существуют нормативные документы, определяющие контролируемые показатели и способы их регистрации. В задачу данного исследования не входило более детальное рассмотрение данного вида мониторинга, но в представлении общей схемы комплексного экологического мониторинга (рис. 48) наряду с системой геоэкологического мониторинга нами включен блок и социально-гигиенического мониторинга.
Для функционирования системы комплексного экологического мониторинга в районе химически и радиационно-опасных объектов Кирово-Чепецкого химического комбината и принятия оптимальных управленческих решений требуется оперативный анализ всей информации, получаемой исполнителями геоэкологического мониторинга природных сред и объектов, природно-техногенных систем, а также социально-гигиенического мониторинга. Эффективное решение поставленной задачи невозможно без применения современных средств обработки и оперативного представления информации в соответствующий информационно-аналитический центр всеми участниками системы мониторинга.
Источниками информации для формирования базы данных ГИС комплексного экологического мониторинга окружающей природной среды в районе КЧХК являются существующие в настоящее время базы данных исполнителей, созданные уполномоченными природоохранными органами Росгидромет, Росприроднадзор, Роспотребнадзор, Департамент экологии и природопользования.
Для информационного сопровождения мониторинга почв и растительности в лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и Вятского государственного гуманитарного университета разработаны базы данных в формате Microsoft Access [132]. Показатели мониторинга животного мира хранятся в базе данных формата FoxPro, разработанной во Всероссийском НИИ охотничьего хозяйства и звероводства, содержащей информацию о пробных площадках, зоологических таксонах, показателях численности видов животных.
