Экология/6.Экологический мониторинг

 

Д.т.н.Кенжетаев Г.Ж

магистр Бердисугирова И.И.

магистр Картбай А.С.

магистр Нурлыбаева С.Б

 

Испарения токсичных вод и влияния техногенного объекта на прибрежную зону каспия

 

Аннотация Хвостохранилище Кошкар-Ата расположено в 5-6 км северо-восточнее города Актау Республики Казахстан и в 7-8 км восточнее побережья Каспийского моря. Хвостохранилище образовано  сбросами отходов производства Прикаспийского горно-металлургического комбината (ПГМК), перерабатывающего комплексные уранофосфорные руды, сбросных вод сернокислотного завода (СКЗ) и неочищенных хозбытовых сточных вод верхних микрорайонов г. Актау. В статье представлены результаты исследований испарения с поверхности водной фазы хвостохранилища «Кошкар-Ата».  Составлено уравнение водного баланса с учетом отсутствия поступающих в токсичный водоем стоков. Построена карта полей рассеивания пыли неорганической обладающей эффектом суммации вредного воздействия.

Введение Хвостохранилище Кошкар-Ата образовано  сбросами отходов производства Прикаспийского горно-металлургического комбината (ПГМК), перерабатывающего комплексные уранофосфорные руды, сбросных вод сернокислотного завода (СКЗ) и неочищенных хозбытовых сточных вод верхних микрорайонов г. Актау. Отходы переработки в виде пульпы сбрасывались в естественную бессточную впадину Кошкар-Ата. Объем накопленных отходов составляет 105 млн. т с суммарной активностью 11242 Ки. В период эксплуатации хвостохранилища объем сбросов пульпы и сточных вод превышал объем испарения. В связи с этим, водная площадь хвостохранилища постоянно росла и в 1992 г. достигла максимальной величины 77, 18 кв. км. В последующие годы объем испарения превышал объем поступающих в хвостохранилище сбросов и водная площадь к 2005 г. уменьшилась до 33,76  км2 (рис.1)[1].

 

Хвост 004

 

Рисунок 1 – Обзорная карта хвостохранилища Кошкар-Ата  с видом обнажившейся в разные годы поверхности водной фазы

При этом, обнажилась значительная часть высохших пульпоотходов, образовав «пылящие пляжи», представляющие потенциальную опасность для здоровья населения близлежащих населенных пунктов. Площадь загрязненных пляжей, являющихся источником токсичной пыли, превышает 20 кв. км, располагаясь, в основном,  в южной части хвостохранилища. 

Материалы и методы Жидкая фаза отходов, размещенных в хвостохранилище, представляет собою рассол, образованный за все время эксплуатации хвостохранилища в результате концентрации минеральных солей при постоянном испарении с поверхности накапливаемых промышленных стоков. Общая минерализация водной фазы в 2003 году составляла 168,0 - 200,8 г/дмЗ,  в начале 2009 года составила 234,4 – 248,0 г/дмЗ.

Отходы производства переработки ураносодержащих руд – фосфогипс, фосфомел, по гранулометрическому составу классифицируются как пылеватый суглинок. Химический  состав отходов.

Фосфогипс – СаSO4 – 84-92%  к весу;  Р2О5  общий – 1,5%;  Р2О5 – нерастворимый в воде – 1,7%, F – 0,3-0,4%, SiО2 – 2,0%,  Fe2О3 – 0,5%, Al2О3 – 0,5% MgО – 1,0%, среда – слабокислый  раствор.

Фосфомел – СаСO3 – 80-90%,   СаSO4 – 7-13%, среда – слабощелочной раствор.  

Содержание 226Ra составляет в песках – (2-3)·10-10, в шламах – (10-13)·10-11 г/г, отходы характеризуются повышенным уровнем радиоактивности, вызванной, в основном, присутствием радиоактивного изотопа 226Ra. Наряду с относительно повышенным содержанием в жидкой части пульпы 226Ra степень минерализации её довольно высока.  При распаде изотопа 226Ra образуется радон 222Rn, который выделяется в атмосферу, образуя при распаде несколько дочерних короткоживущих продуктов. Вдыхание радона 226Ra может способствовать возникновению онкологических заболеваний. Интенсивность выделения радона  зависит от многих факторов, таких как концентрация, влажности отходов и воздуха и др.

Площадь загрязненных пляжей, являющихся источником токсичной пыли, превышает 20 кв. км, располагаясь, в основном,  в южной части хвостохранилища [2]. Оценка степени опасности РАО хвостохранилища Кошкар-Ата для здоровья жителей близлежащих населенных пунктов и г. Актау проводилась силами Института ядерной физики Национального ядерного центра РК в 2008 г. В 2009 году, выполнены мероприятия по реабилитации двух радиационно опасных участков хвостохранилища, расположенных в южной части впадины Кошкар-Ата, что обеспечило ликвидацию сложившейся аварийной ситуации – изоляцию  радиоактивных отходов несанкционированно вскрытых на хвостохранилище, уменьшило площадь радиационного загрязнения хвостохранилища [3].

Для оценки воздействия на здоровье людей пылевого фактора важны условия сухого жаркого климата Мангистауской области определяющие степень потерь токсичной влаги. 

В этой связи в 2012 году, исследовательской группой под руководством профессора Кенжетаева Г.Ж, по бюджетной программе «Грантовое финансирование научных исследований» Министерства образования и науки Республики Казахстан по теме: «Научное обоснование исследования компонентов окружающей среды прибрежной зоны Каспия и техногенных объектов, были проведены работы по наблюдению за испарением влаги с поверхности водоемов и почвы в районе хвостохранилища. Объектом исследований является изучение возможности сокращения потерь воды из оставшегося отстойного пруда хвостохранилища.  Водный объект - хвостохранилище в пределах впадины Кошкар-Ата с площадью водного зеркала около 18 км2.

Энергетический потенциал данной территории, определяемый приходом солнечной радиации и турбулентным теплообменом, очень значительный – годовые величины суммарной солнечной радиации достигают 6500-7000 Мдж/м2 при ясном небе. С апреля по сентябрь суммарная радиация за сутки изменяется от 20,4 до 29,7 Мдж/м2. В районе метеостанции Форт-Шевченко нами эпизодически проводились наблюдения за испарением с водной поверхности по водно-испарительному бассейну площадью 20 м2.

Данные были использованы при анализе районных значений испарения с водной поверхности [4]. Норма годовой суммы испарения с естественных водоемов для района составляет 1200 мм, многолетняя изменчивость годовых сумм испарения очень невелика и составляет Cv = 0,1-0,12.

При расчетах водного баланса впадины Кошкар-Ата, исходя из того, что испарение с водной поверхности и суши лимитируется не энергетическими возможностями территории, а ее увлажненностью, к расчету водного баланса принимались годовые суммы осадков и их распределение внутри года.

        Коэффициент перехода от нормы испарения к годовому испарению 1%-ной вероятностью превышения – 1,23, к 95-%-ной – 0,85. Исходя из этого, годовые величины испарения с естественных водоемов составили: P=50% - 1250мм, P=1% - 1538мм, P=95% - 1065мм. Распределение испарения по месяцам приведено в таблице 1 рисунке 2.

Таблица 1 – Испарения по месяцам с водной поверхности хвостохранилища

Испарение с водной поверхности (мм), P=50%

Месяцы

Год

Сезоны

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

XII-III

IV - XII

25

37

62

100

150

188

200

187

138

88

38

37

1250

100

1150

       

        Для естественных водоемов района и, безусловно, для хвостохранилища характерна высокая минерализация, что снижает испарение (табл. 2, рис.2).

Таблица 2 - Испарение с поверхности минерализованного водоема

Испарение с поверхности минерализованного водоема (мм), P=50%

Месяцы

Год

Сезоны

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

XII-III

IV - XII

22

33,3

55

90

135

169

180

168

124

79

34

33

1125

90

1035

    

        Из-за отсутствия сведений о величине минерализации и химическом составе вод водоема введены ориентировочные поправки в годовые суммы испарения – во все годы K=0,9. Соответственно, годовые суммы испарения расчетных вероятностей составили: P=50% – 1125 мм, P=1% – 1384 мм, P=95% – 959 мм. Для ориентировочных оценок можно принять распределение в году для P=1% и P=95% по году, близкому к среднемноголетнему (P=50%).

По сравнению с испарением с водной поверхности испарение с почвы незначительно, поскольку определяется не энергетическим потенциалом, а только наличием доступной влаги в почве. Испарение с поверхности почвы оценивалось по данным фактических наблюдений по испарителям ГГИ 500-50 и ГГИ 500-100 на метеостанциях Форт-Шевченко (поле) и Тущибек. Продолжительность наблюдений невелика, поэтому определены только среднемноголетние величины испарения с поверхности почвы (табл.3, рис.2).

Таблица 3 – Испарение с поверхности почвы хвостохранилища

Испарение с поверхности почвы

Месяцы

Год

Сезоны

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

XII-III

IV - XII

10

12

15

22

25

36

23

19

15

17

10

6

210

43

167

        

       Расчет распределения испарения внутри года по районным коэффициентам достаточно надежно выполнен для года средней увлажненности (P=50%). Из-за непродолжительных и неоднородных рядов наблюдений за испарением надежно оценить распределение испарения в годы 1% и 95% вероятностью превышения не представляется возможным. В расчетах водного баланса впадины Кошкар-Ата необходимо опираться на средние многолетние значения его составляющих. 

  

 

Рисунок 2 – Количество испаряемой влаги с поверхности водоемов и почвы

       Что касается величины потерь на испарение, по данным расчетов, за последние 15 лет, она составляет – 1,201 м/год. Можно предположить, что на долю фильтрационных вод приходится около 9-10% от общей величины, тогда эти потери по высоте составят 0,106 м, то есть 8,8% от общего уровня [4,5]. Изменения уровня воды в водоемах можно рассматривать как некоторые проявления глобаль­ного масштаба.

        Результаты исследований На основании проведенных исследований, нами получено следующее ниже выражение. Так, для рассматриваемого отстойного водоёма, может быть, справедливо уравнение водного баланса [5]:

 

                                                ,                                          (1)

 

где: V - объем водоема в момент времени t; Ub (t)  - приток воды в единицу времени; Еb (t)   - слой видимого испарения (Еb = Е - Р), теряемый в единицу времени; Е - испарение; Р - осадки; S (t)     - площадь поверхности водоема.

Вместе с этим, учитывая, отсутствие поступающих стоков, можно уравнение водного баланса  представить в следующем виде [6]:

 

                                                    ,                                               (2)

где:  H – уровень воды в водоеме в момент времени t; S(H) – площадь поверхности водоема при определении значения Н.

       Успех исследования будет зависеть как от точности (мето­дики) определения составляющих водного баланса, так и от выяснения при­чин их изменения. Не­достаточная изученность испарения определяет неопределенно­сть при использовании уравнений водного баланса.

        Для изучения элементного состава пыли с хвостохранилища, был проведен анализ проб оседающих атмосферных примесей, отобранных вблизи  хвостохранилища  и на фоновом участке.

        Обсуждение результатов Установлено, с поверхности хвостохранилища сдувается пыль, в состав которой входят 13 наименований загрязняющих веществ и одна группа веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия: пыль неорганическая с SiO2 < 20% + пыль неорганическая с SiO2 74,5% (рис. 3). Это, очевидно, объясняется погодными условиями (относительно высокая влажность воздуха и малые скорости ветра в период наблюдений) не способствующими пылению.

        С помощью интерпретации данных космической съемки и рисовки контура водного бассейна озера Кошкар-Ата с применением прибора спутникового позиционирования GPS  установлено состояние контура водного бассейна озера на август 2012 г [7]. Для изучения многолетнего распространения пыления и загрязнения района хвостохранилища с использованием ПК «ЭРА» была построена карта полей рассеивания пыли неорганической с указанием изолиний ПДК (рис.5). 

       Установлено, что высохшая поверхность на большей части покрыта фосфо-гипсовой коркой, препятствующей пылению.

 

 

1 – пыль неорганическая с SiO2 74,05%; 2 – тоже с SiO2 20%; 3 – калия хлорид; 4 – цинк; 5 – железо; 6 – бария сульфат; 7 – марганец; 8 – натрия хлорид; 9 – алюминий; 10 – кобальт;  11 – медь; 12 – никель; 13 – хром.

Рисунок 4 – Состав пыли сдуваемой с пляжной зоны хвостохранилища

 

     

Рисунок 3 - Поля рассеивания пыли неорганической

 

        Выводы Во всяком случае, имеет место испарение воды с поверхности хвостохранилища в атмосферу, обмеление береговой зоны, и обнажение песков, с образованием мелкодисперсной пыли, неблагоприятно влияющей на организм человека. При этом реальна возможность загрязнения прибрежной зоны Каспийского моря за счет переноса ветром неорганической пыли, так как площадь «пылящих» пляжей все более увеличивается. В этой связи необходима реализация проекта по рекультивации территории хвостохранилища  и сокращению площадей пылящих пляжей,  что позволит  уменьшить потенциально возможные выбросы токсичных веществ  атмосферу и, соответственно, снизить до минимально возможного уровня негативное воздействие  на состояние воздушной среды, почв, растительного мира прибрежной зоны Каспия. Кроме того,  реализация проекта приведет к снижению фактора радиационного риска для населения.

 

Литература:

1.     «Разработка комплекса мероприятий по предотвращению негативного влияния хвостохранилища Кошкар-Ата на окружающую среду с выдачей Технологического регламента рациональной эксплуатации хвостохранилища», ДГП ГНПОПЭ «Казмеханобр», Алматы, 2000 г. с 101.

2.     Отчет «Мониторинг исходного состояния и проведение НИР по определению химического состава береговых грунтов и донных отложений хвостохранилища Кошкар-Ата, проведение расчета рассеивания пыли с определением значений и расстояний достижения ПДК», ЗАО "Механобр Инжиниринг", Санкт-Петербург, 2001 г. с 127.

3.     Рекультивация двух радиационно опасных участков хвостохранилища Кошкар-Ата. ТОО «КАТЭП». Алматы. 2007 г. с 105.

4.     Указания по расчету испарения с поверхности водоемов. Л. Гидрометеоиздат, 1969 г.,  83 с.

5.     «Проведение постоянного мониторинга за пылением радиоактивных и токсичных отходов хвостохранилища Кошкар-Ата», ЗАО "Механобр Инжиниринг", Санкт-Петербург, 2002 г.  с 98.

6.     Кенжетаев Г.Ж., Нурбаева Ф.К, Дюсенова Г.С., Жардем А.Г. Предотвращение испарения с поверхности токсичных вод. Проблемы экологической геоморфологии «IV – е Жандаевские чтения». Материалы Международной научно-практической конференции 17-19 апреля КазНУ им. Аль-Фараби  Алматы 2007 с 157-162.

7.     Сырлыбеккызы С., Еликбаев Б.К., Тайжанова Л.С. Анализ   результатов   воздействия   нефтедобывающих   предприятий-промыслов   на    загрязнение почвы в прибрежной зоне Каспия // Материалы международной научно-практической конференции «Мұнайгаз кешенінің өзекті мәселелері», Ақтау қаласы,   2012 г., С. 253-261.