Экологическая оценка изменения факторов окружающей среды Донецко-Макеевской промышленно-городской агломерации
Дудик Сергей Алексеевич
Автореферат магистерской работы
Донецк, 2003
Введение
Донецкий каменноугольный бассейн – крупнейший индустриальный район Украины, промышленное развитие которого насчитывает более 200 лет. Подобно Рурскому бассейну в Германии или Пенсильванскому в США он сыграл выдающуюся роль в становлении угольной, металлургической и иных видов промышленности, развитии геологической, горной и других наук, основании университетов, институтов и колледжей. Основа существования региона – его минерально-сырьевые ресурсы; здесь геологами открыто и разведано свыше 800 месторождений, более 50 видов минерального сырья. Их стоимость по оценкам зарубежных специалистов составляет свыше 3 триллионов долларов США. Однако систематическое нарушение и несоблюдение законов и правил природы, действующих независимо от воли людей, привело к тому, что Украина (и особенно Донбасс) стали регионами Европы, где сложилась весьма напряженная, а местами катастрофическая экологическая ситуация. В результате техногенного загрязнения окружающей среды Донбасса нарушено динамическое равновесие, а опасность поражения человека стала одной из наиболее высоких в Украине и мире.
Здоровье жителей региона на 70% и более зависит от экологического состояния среды (в мире на 21%). Так, если в Донецкой области в 1991 г. число умерших составило 60,8, а число родившихся 54,4 тыс. чел., то в 2000 г. умерло уже 80,1 тыс.чел., а родилось 29,5 тыс.чел. . Средняя продолжительность жизни мужчин в Украине по официальным данным составляет 58 лет, а в Донбассе – не более 53-55 лет. Кроме того, загрязнение окружающей среды Донбасса пагубно влияет на генетический аппарат человека, и у нас год от года растет количество детей, родившихся с генетическими уродствами, а детская заболеваемость с 1996 по 1999 г. возросла на одну треть. По заключению специалистов, изучавших экологическую ситуацию в ряде городов Донбасса, причинами смерти на 95% явились болезни, обусловленные ухудшившейся средой обитания, а сам регион признан зоной экологического бедствия.
Весьма напряженную экологическую обстановку создало в Донбассе все возрастающее техногенное воздействие на среду обитания, связанное с разработкой углей и других полезных ископаемых, развитием металлургической, коксохимической, строительной и иных видов промышленности, работой ТЭЦ, сжигающих каменный уголь, и других производств. Техногенная нагрузка на геологическую среду в регионе превышает аналогичный показатель в соседних странах в 5-15 раз.
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Одной из наиболее важных глобальных проблем человечества стала экологическая проблема, включающая наблюдение за окружающей средой, ее охрану, рациональное использование природных ресурсов и другие вопросы, затрагивающие взаимоотношения общества и природы. Интенсивное использование, особенно в последнем веке, природных ресурсов и вовлечение их в хозяйственную деятельность привело к значительным физико-химическим изменениям биосферы многих регионов мира. В некоторых из них эти изменения достигли той границы, за которой общественный прогресс и благополучие общества стали затруднительными и невозможными.
К одному из таких регионов Европейского континента относится Донбасс. Здесь произошло чрезмерное истощение природных ресурсов и сверхзагрязнение окружающей среды вредными химическими веществами. Наиболее высоких масштабов они достигли в промышленно-городских агломерациях, особенно Донецко-Макеевской (ДМ ПГА). Здесь сконцентрирована основная часть промышленных предприятий региона и проживает большая часть его населения.
Учитывая серьезность сложившейся ситуации, первоочередной задачей является изучение масштабов, характера и степени техногенного воздействия на биосферу Донбасса. Для этого необходимо провести комплексное эколого-геохимическое картирование ДМ ПГА и получить достоверные данные. Опираясь на результаты эколого-геохимического картирования, разработать на глубокой научной основе оптимальные пути выхода из создавшегося экологического кризиса
Цель работы. Объект исследования – основные компоненты природной среды горнопромышленных районов Донбасса - приземная атмосфера, почвы, подземные воды. Цель работы - региональная оценка эколого-геохимического состояния основных взаимосвязанных компонентов биосферы Донецко-Макеевской ПГА. Методы исследований – эколого- геохимическое картирование, аналитические исследования почв с использованием спектрального химического атомно- абсорбционного методов.
Научная новизна. Впервые проведена эколого-геохимическая инвентаризация почв Донецко-Макеевского ПГА, их гигиеническая оценка, установлена высокая степень техногенных химических изменений всех взаимосвязанных компонентов биосферы – приземной атмосферы, почв, подземных вод, даны рекомендации экологического оздоровления окружающей среды.
Практическая ценность. Предложенный комплексный метод эколого-геохимического картирования отличается высокой степенью достоверности итоговых материалов, сравнительной дешевизной.
Апробация. На работу ''Эколого-геохимическая инвентаризация компонентов окружающей среды г. Донецка и прогнозирование их изменений'' дано экспертное заключение, в соответствии с Законом Украины ''О научной и научно-технической экспертизе'' от 25 января 1996 года.
Содержание работы
1 Состояние проблемы.
Почвы, как главная депонирующая природная среда, в наибольшей степени отражают масштабы и характер изменений ОС в техногенный период.
Выполненное Институтом геолого-экологических проблем Донбасса (ИГЭПД) эколого-геохимическое картирование почв (преимущественно по сети 200х200 м) показало, что в их загрязнении участвует более 40 вредных химических веществ, среди которых 26 металлов, различные органические соединения, в том числе и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), а также нитраты, нитриты, аммонийный азот, хлориды и др. Наиболее активными элементами-загрязнителями почв являются Hg, Рв, Zn, As, Ge, Mo, Ag, Cu, Ba, W. Их техногенные аномалии и поля занимают от 80 (Hg) до 30% площади ПГА. Около 10-15% изученной городской территории занимают техногенные литохимические аномалии Sb, Mn, P, Sn, Mg, Li, нитратов и хлоридов, 5-10% - Fe, Cr, Be, Tl, Cd, Zr, Sc. Особенностью техногенных литохимических аномалий и полей является их высокая комплексность. В отдельных из них присутствует до 10-17 элементов-загрязнителей.
Согласно медицинским нормативам на территории ПГА присутствуют очаги химического загрязнения почв, где жизнедеятельность населения подвержена опасности. Так, на территории города Донецка имеется 209 таких очагов. Общая их площадь 51 кв.км, что составляет 15,3% городской территории. Сопоставление геохимических спектров техногенных литохимических аномалий и других природно-техногенных объектов показало наличие причинно-следственной геохимическй связи в компонентной цепи: минеральное сырье ? промотходы ? окружающая среда.
Эти данные свидетельствуют, что добыча, переработка и потребление минерально-сырьевых ресурсов, особенно местных углей, в наибольшей степени сказались на химических изменениях почв и других компонентов биосферы этого региона. Таким образом, геохимическая специализация измененных в антропогенный период компонентов биосферы Донбасса в большей части унаследована от добываемого и используемого в регионе минерального сырья.
2 Геологическая характеристика района работ.
Стратиграфия. В геологическом строении района участвуют палеозойские, и кайнозойские образования. Палеозойские образования представлены девонскими вулканогенно-осадочными, каменноугольными и пермскими осадочными породами. Девонская система. Девонские образования находятся в зоне сочленения складчатого Донбассас с Приазовским геоблоком Украинского щита (УЩ). Они расчленены на николаевскую, антон- тарамскую, долтинскую и раздольненскую свиты. Николаевская свита («белый девон»)- Д2пк разделяется на две толщи: нижнюю - гравелито-аргиллитовую, залегающую непосредственно на породах кристаллического фундамента и верхнюю- сланцево-известковистую.
Гравелито-аргиллитовая толща сложена конгломерато- гравелитами и грубозернистыми аркозовыми песчаниками, иногда переходящими в кварциты. Выше по разрезу эти отложения переслаиваются с маломощными горизонтами глинистых сланцев. Мощность гравелито-аргиллитовой толщи колеблется от нескольких метров до 35-50 метров. Вверх по разрезу нижняя толща постепенно сменяется аргиллито-известковистыми породами с редкими прослоями песчаников.
Преобладают тонкокристаллические, сливные известняки. Мощность верхней толщи колеблется от нескольких метров до 65 метров.
Антон-тарамская свита – Д3ап сложена базальтами, пикрит- базальтами, андезито-базальтовыми порфиритами, лавобрекчиями и туфами основного состава. Она несогласно залегает на породах николаевской свиты и докембрия. Наряду с покровными образованиями встречаются межпластовые, дайковые и экструзивные тела. Мощность свиты колеблется от 70 до 500 метров.
Долгинская свита ("бурый девон") – Д3 dl. Отложения свиты залегают на слабо размытой поверхности эффузивной толщи антон- тарамской свиты и на породах кристаллического фундамента. Они представлены континентальными терригенными, преимущественно грубообломочными образованиями, (конгломератами, гравелитами, песчаниками). Мощность свиты колеблется от 20 до 150 метров. Раздольненская свита ("серый девон") – Д3 rs залегает на буром девоне и не имеет четко установленной подошвы. Переход между "бурым" и "серым" девоном постепенный. Породы, слагающие свиту, представлены песчаниками от конгломератовидных до мелкозернистых и, реже - песчаными сланцами. Окраска пород чаще всего серая, светло-серая. Мощность свиты колеблется от 69 до 208 метров.
Каменноугольная система. Отложения каменноугольной системы слагают сводовую часть и крылья Главной антиклинали и повсеместно обнажаются на дневной поверхности, либо перекрыты маломощным чехлом четвертичных образований. Данная система представлена отложениями всех трех отделов.
Нижний отдел обнажается вблизи зоны сочленения Донбасса с Приазовским геоблоком УЩ. Он расчленен на четыре стратиграфические подразделения – турнейского, визейского ярусов, грабовской и самарской свит.
Турнейские образования –C1t представлены, главным образом, известняками, меньше - доломитами. В основании разреза залегают грубозернистые кварцевые песчаники, участками переходящие в тонкозернистые разности.
Визейские образования –C1v согласно залегают на породах турнейского яруса. Они представлены карбонатными и песчано- глинистыми породами. В основании разреза залегают плитчатые глинистые известняки, чередующиеся с прослоями известково- глинистых сланцев. Выше по разрезу наблюдается толща однородных по составу серых мелко-неравномернокристаллических известняков, переслаивающихся с мергелями.
Грабовская свита – С12 представлена глинистыми песчаниками с прослоями известняков и углистых сланцев. Самарская свита С13 сложена сланцами песчаными, глинистыми песчаниками, известняками с встречающимися прослоями углей.
Средний отдел является основной стратиграфической единицей и представлен всеми свитами. Отложения этого отдела обнажаются вдоль оси Главной антиклинали, характеризуются высокой угленосностью и являются объектом эксплуатации многочисленных угольных шахт.
Отложения свиты С21 частично обнажаются и представлены песчаниками и сланцами с ограниченным количеством известняков. Угленосность свиты весьма низкая и промышленного значения не имеет.
Свита С22 хорошо изучена. Отложения ее обнажаются в осевой части антиклинали Сложены они в нижней части чередующимися пачками сланцев и песчаников мощностью 10-20 м; в верхней части свиты развита мощная выдержанная пачка (120 м) так называемых «софиевских» песчаников, накопление которых продолжалось и в первый период образования свиты С23 в связи с чем известняк Н1, разграничивающий свиты С22 и С23 в районе отсутствует. В свите 5-6 слоев известняков небольшой мощности. В основании «софиевских» песчаников местами встречается угольный пласт g3, в редких случаях достигающий рабочей мощности.
Свита С23 в средней части разреза, над «софиевскими» песчаниками, представлена алевритовыми и глинистыми сланцами, а также мелкозернистыми песчаниками. К ней приурочены известняки Н3, Н4, Н41, Н5, Н50, Н51, Н6 и Н61 и угольные пласты и прослои h3, h4, h5, h6, h61, h62, h7, h8, h10 и h101 . Над известняком Н50 залегает устойчивая пачка глинистых сланцев мощностью 40 м, являющаяся хорошим корреляционным горизонтом. Заканчивается разрез мощной пачкой (100-130 м) «чернокурганских» песчаников, выдержанных на всем простирании района. В основании этих песчаников залегает пласт h10, местами имеющий мощность до 1,5 м.
Свита С24 сложена в основном алевролитовыми и глинистыми сланцами с очень ограниченным количеством песчаников, известняков и углей. Известняки, как правило, маломощные, невыдержанные, глинистые; прослои углей также маломощны (0,05-0,2 м).
Свита С25 по составу пород и угленасыщенности разделяется на три примерно равные части. Нижняя часть свиты, между известняками К1 и К6, представлена песчаниками и алевритовыми сланцами и содержит большое количество известняков и углей. К этой части свиты приурочено до 10 пластов углей (от k1 до k41), достигающих рабочей мощности. Непосредственно в кровле угольных пластов k21, k31 и k4 залегают известняки. Песчаники здесь сосредоточены в основании свиты, а угленасыщенная часть почти вся расположена выше песчаников между пластом угля k2 и известняком К6.
Средняя часть свиты, между известняками K6 и K7 , представлена мощными пачками песчаников и сланцев, чередующихся между собой, и угольными пластами k42, k5 , k51 , k52 и k6. Известняки отсутствуют. Известняк K7, присутствующий почти повсеместно на южном крыле антиклинали, на большей части северного крыла размыт.
Верхняя часть свиты, между известняками K7 и L1 , также представлена мощными пачками песчаников, переслаивающихся со сланцами, главным образом алевритовыми, и содержит известняки K8 и K9. Между известняками K7 и K8 в сланцах залегают рабочие угольные пласты k7 и k71, выше известняка К9 - пласты k74, k75 и k8 с известняком L1 в кровле. На значительной площади известняк L1 размыт и замещен песчаником.
Свита C26 обладает максимальной угленасыщенностью в нижней половине. Отложения ее начинаются мощной пачкой песчаников (30-50 м), залегающих в кровле известняка L1, над которой расположена группа пластов углей: l1, l21, l3, l4н и l4в с известняком L5 в кровле последнего. Выше следует переслаивание мощных пачек песчаников и сланцев, вмещающих пласт l5 и пласт l6 с известняком L7 в кровле. Над ним залегает пачка сланцев мощностью 30-45 м с угольными пластами l7, l71, l8, l81 и l82 . Пласт l82 залегает в почве известняка M1, которым начинается разрез свиты C27.
В свите C2 промышленная угленосность приурочена преимущественно к сланцевой толще, заключенной между известняками M1 и M10. В этой толще 18 угольных пластов и прослоев, из которых 14 достигают рабочей мощности. В верхней части свиты развиты мощные песчаники; имеются три прослоя углей ( m81 , m9 , m91 ), приобретающих иногда рабочую мощность.
Верхний отдел развит на крыльях Главной антиклинали и представлен тремя свитами, сложенными чередованием мощных толщ песчаников, аргиллитов, алевролитов и маломощных прослоев известняка. Угленасыщенность слабая. Угольные пласты, достигающие рабочей мощности и имеющие промышленное значение, содержатся только в свите С31 (пласт n1). Общая мощность этих отложений составляет 2300-2800 м.
Пермская система. Отложения пермской системы распространены в Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловинах. В пределах площади района они слагают Краматорско-Часовьярскую синклиналь на севере и Райско-Калиновскую на юго-западе. В нижнем отделе перми выделяются три свиты (картамышская, никитовская и славянская). Первая из них согласно перекрывает отложения верхнего карбона и представлена переслаиванием песчано-глинистых пород с преобладанием алевролитов и песчаников. Мощность свиты 880-970 м. Отложения никитовской и славянской свит, представленные терригенно-галогенными образованиями, развиты в крайней северной части Центрального углепромышленного района .
Кайнозойский структурный этаж сложен горизонтально залегающими неогеновыми и четвертичными отложениями. Отложения неогена представлены нижне-, средне-, и верхне- сарматскими образованиями (глины, песчано-глинистые породы, известняки-ракушечники, каолиновые глины, опоковидные песчаники. Мощность этих отложений колеблется от нескольких метров до 20-30 метров.
Четвертичные образования покрывают тонким чехлом отложения палеозоя. К ним относятся разнообразные в генетическом отношении континентальные отложения. Наибольшим развитием пользуются приуроченные к водораздельным пространствам суглинистые эолово-делювиальные, а в долинах - аллювиальные и аллювиально-делювиальные отложения. Довольно широко распространены техногенные образования. В стратиграфическом отношении они подразделяются на нижне-, средне- и верхнечетвертичные и современные.
К нижнечетвертичному отделу относятся первый снизу горизонт тяжелых суглинков и аллювиальные образования. Суглинки имеют красновато-бурый, темно-бурый и коричнево- бурый цвет, чаще всего бесструктурные, неравномерно запесоченные, иногда переходящие в супеси. Их мощность колеблется в пределах 3-5 метров, иногда достигает 13 метров. Аллювиальные отложения слагают разрез пятой надпойменной террасы, они представлены мелко- и разнозернистыми песками с прослоями буровато-серой глины. Их мощность не превышает 3-4 м.
Среднечетвертичные отложения представлены эолово- делювиальными лессовидными суглинками водораздельных пространств, имеющими коричневато-бурую окраску; бесструктурными, местами слегка запесоченными и содержащими карбонатные стяжения. Верхнечетвертичные отложения представлены эолово- делювиальными лессовидными суглинками водораздельных пространств и аллювиальными отложениями I и II надпойменных террас. Лесовидные суглинки верхнечетвертичного звена темно-палевые или буровато-желтые, пылеватые, макропористые. Из новообразований в них часто встречаются мелкие включения карбонатов, иногда отмечаются включения гипса. Мощность суглинков верхнего одела достигает 4-5 метров. Вторая надпойменная терраса рек района (Кальмиус, Грузской и др.) сложена светло-серыми мелко- и среднезернистыми песками с тонкими глинисто-илистыми прослоями, с включениями кварцевой гальки и обломков песчаника и песчаных сланцев палеозоя. Первые надпойменные террасы рек района сложены разнозернистыми песками с галькой и щебнем, с прослоями суглинков. Мощность осадков I надпойменной террасы колеблется от 1 до 7 метров и зависит от рельефа подстилающих коренных пород.
Верхнечетвертичные современные нерасчлененные отложения объединяют в своем составе делювиальные отложения склонов долин рек и балок и элювиально-делювиальные отложения открытых участков. Делювиальные отложения представлены светло-желтыми, буровато-желтыми рыхлыми, бесструктурными легкими суглинками, вмещающими мелкие обломки коренных пород. Мощность их изменяется от 1-2 до 4 м.
Элювиально-делювиальные отложения широко распространены на склонах долин рек и балок. По составу это грубообломочный продукт разрушения горных пород с примесью суглинистого и песчаного материала. Мощность элювиально-делювиальных отложений 0,3-1,0 м, но иногда достигает 3 м. Современные образования представлены аллювиальными, аллювиально-делювиальными отложениями пойм рек и днищ балок и пролювием - отложениями конусов выноса промоин и оврагов, а также техногенными образованиями.
Пойменная фация аллювия сложена песками с галькой и обломками коренных пород, суглинками и супесями, илами и глинами. Русловая фация в местах перекатов состоит из песчано- галечного или гравелистого материала, в плесоватых частях рек – из илисто-песчаного . Мощность аллювиальных отложений равна 3-5 м, достигая в отдельных случаях десятка метров. Аллювиально- делювиальные отложения балок обычно глинистые, песчано- глинистые, с большим содержанием грубообломочного материала. Мощность их составляет 0,5-4 м.
Пролювий имеет незначительное распространение у подножия склонов и в устьевых частях оврагов и мелких балок и представлен рыхлым несортированным материалом мощностью 0,5-3 м.
Техногенные образования распространены вблизи угольных шахт, обогатительных фабрик, других промышленных предприятий, вдоль транспортных магистралей и др. Это отвалы, терриконы, насыпи, которые представлены различной крупности обломками каменноугольных песчаников дресвы, сланцев и, в меньшей степени, четвертичными суглинками и ископаемыми почвами. Мощность техногенных образований, складированных в терриконы, достигает 30 и более метров.
Особенности тектонического строения.
Северная часть исследованного район приурочена к Главной антиклинали Донбасса, известной также под названием Горловской. Антиклиналь имеет субширотное простирание, углы падения крыльев крутые: 48-56 0 в отложениях свит C25 -C31 и 56-76 0 в отложениях свит C21 -C32 , слагающих ядро складки. Глубина погружения крыльев по нижней продуктивной свите C23 составляет примерно 3,5-4 км. На юге антиклиналь резко переходит в пологую Кальмиус-Торецкую котловину, а на севере - в Бахмутскую, что фиксируется изменением простирания пород верхнего карбона в восточной части района от широтного до субмеридианального.
К местам сочленений крыльев Горловской антиклинали с субмеридианальными флексурами Бахмутской и Кальмиус- Торецкой котловин приурочены крупные Булавинский, Брунвальдский (Юнкомовский) и Горловский надвиги.
Строение Главной антиклинали почти симметричное. Более круто по сравнению с южным залегает северное крыло в западной части района и, наоборот, в восточной части района - южное. Пологое западное замыкание Главной антиклинали отделяется от круто залегающих крыльев надвигами: Северным на севере и Главным на юге .
Сводовая часть антиклинали осложнена цепочкой мелких куполовидных складок (с северо-запада на юго-восток): Дзержинская (купол Карабанка) и Дылеевская брахиантиклинали, купола Чернобугорский, Чернокурганский, «Катушка». Софиевский, полукупол Новый, Чегарниковская, Кировская, Кондратьевская, Корсуньская, Веровская брахиантиклинали, Ольховатская антиклиналь.Все эти складки имеют размеры от 0,8х0,4 км (Софиевскйи купол) до 5 км (Кировская, Веровская брахиантиклинали) и выделяются в рельефе в виде небольших поднятий. Длинные оси складок развернуты относительно оси Главной антиклинали к северо-западу на угол от 20 до 40?, в юго- восточной части, начиная с Кондратьевской брахиантиклинали, длинные оси складок субпараллельны оси Главной антиклинали. Все складки, как правило имеют асимметричное строение, углы падения пород на крыльях от 30 до 70?.
Из других крупных структур на территории района выделяются: северо-западное замыкание Боково-Хрустальской синклинали в зоне перехода ее в Бахмутскую котловину (северная часть площади) и Чистяково-Снежнянская синклиналь Кальмиус- Торецкой котловины (южная часть). Обе структуры представлены своими крыльями, примыкающими к Горловской антиклинали соответственно с северо-востока и юго-запада.
Разрывные нарушения по их положению относительно свода Главной антиклинали подразделяются на три основные группы: нарушения осевой части, северного и южного крыла . Система разрывных нарушений, главным образом надвигового типа, осложняет строение как крыльев антиклинали, так и осевой части. Почти все надвиги, имеющие южное и юго-западное падения, развитые в осевой части и на южном крыле антиклинали, сливаются в осевой части в единую зону. Амплитуды надвигов при этом быстро уменьшаются, и зона характеризуется многочисленными, но мелкоамплитудными смещениями. Наиболее крупными надвигами с южным падением сбрасывателя являются (с запада на восток) : Осевой, Главный, Артемовский, Чегарский, Горловский и Брунвальдский.
Один из крупнейших надвигов района - Горловский - генетически связан с субмеридиональной Горловской флексурой, которая в последние годы прослежена в Кальмиус-Торецкой котловине от г.Донецка до южных окраин г.Горловки. Горловская флексура, четко выраженная на южном крыле Главной антиклинали, быстро к северу затухает.
Брунвальдский (Юнкомовский) надвиг имеет максимальную амплитуду (до 400 м) на флексурном сочленении Чистяково- Снежнянской и Кальмиус-Торецкой котловин. К северу в крутопадающих отложениях свит С25-С27 южного крыла Главной антиклинали он разветвляется на серию малоамплитудных (до 75 м) разрывов южного падения, полностью затухающих в отложениях свиты С23 вблизи осевой части антиклинали.
Особо следует отметить Байракский надвиг, проходящ
К купольным структурам осевой части антиклинали приурочены зоны интенсивного дробления пород. Одним из таких нарушений является разлом «Секущая», с незначительной амплитудой смещения. Мощность зоны дробления, представленной тектонической брекчией, достигает 20-30 м.
Наряду с пликативными структурами, сводовую часть Главной антиклинали по всему ее простиранию сопровождают разрывные нарушения. По пространственному положению относительно свода Главной антиклинали, разрывные нарушения подразделяются на 3 основные группы: нарушения осевой части, северного и южного крыла .
3. Оценка экологической ситуации
Экологические проблемы воздушной среды
Одна из острейших проблем – загрязнение воздушного бассейна: данные показывают, что индекс загрязнения атмосферы в Донбассе один из самых высоких в Украине .
Среднемесячные концентрации компонентов-загрязнителей в атмосферном воздухе г. Донецка стабильно превышают среднесуточные предельно допустимые концентрации (ПДК): по пыли - до 1,5, фенолу – до 3, диоксиду серы – до 2, аммиаку – до 2, и наибольшее загрязнение характерно для диоксида азота – до 4,5 раз. А ведь даже превышение ПДК до 1,5-2 раз приводит по заключению медиков к необратимым негативным изменениям в окружающей среде, пагубным для здоровья.
Подобное загрязнение обусловлено, в первую очередь, высокой плотностью выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, поставляемых более 1500 предприятиями. Количество выбросов по данным за 2001 г. превысило 40% от общегосударственного. В атмосферу Донецкого региона за 2001 г. выброшено более 1,8 млн т вредных для здоровья веществ, т.е. на 1км2 территории приходится 70 т выбросов, что в 10 раз превышает этот показатель по Украине. Общий валовый выброс в Украине составляет 316,0 тыс. т/год, из этого объема 155,4 тыс. т/год приходится на выбросы метана – опасного парникового газа, приводящего к глобальному потеплению. Кроме того, только 1т угля, сгорая, выделяет в атмосферу 60 кг пыли, 50 кг сернистого ангидрита, 8 кг оксидов азота в виде радона-222, радия-226, тория-232 и др.
Особую опасность для здоровья человека и всей окружающей среды представляет повышенное содержание ртути в приземной атмосфере. Поэтому были проведены работы по ее определению в городах Донецке, Горловке и в окрестностях Никитовского рудного комбината. С помощью автоматического газоанализатора ИМГРЭ-8, расположенного на микроавтобусе, было определено количество паров ртути в воздушной среде указанных мест. (Аналитик В.З.Фурсов). В Донецке измерения проводились непрерывно при движении микроавтобуса на расстоянии 16 км от западной границы города до его центра и в обратном направлении. В результате выявлено, что содержание ртути в воздухе Донецка в среднем составляет 25-30пг/л (пг/л=1*10-12г) при фоновых концентрациях за пределами промышленных регионов до 2,2 пг/л. Еще более значительные содержания паров ртути были выявлены в г. Горловка, особенно в районе Никитовского ртутного комбината: от 155-300 до 1427-1680 пг/л {3}, что является причиной ртутной интоксикации жителей этого района, их повышенной заболеваемости и детской смертности. Ведь пары ртути при дыхании сорбируются белковыми молекулами и трансформируются в токсичную метилртуть. Она поражает все органы человека, отрицательно влияет на центральную нервную систему, нарушает иммунную систему, способна накапливаться в организме человека и вызывать возникновение и развитие злокачественных опухолей.
Роль промышленных и бытовых отходов.
Значительное влияние на окружающую среду Донбасса оказывает огромное количество отходов. Донецкий регион продолжает неуклонно превращаться в свалку бытовых и промышленных отходов. Занимая 4,4% площади Украины, он стал прибежищем более одной трети всех накопленных в стране отходов. В связи с некоторым увеличением производства с 1999 г. в Донецкой области увеличился объем образования промышленных отходов, составивший в 2000 г. 52 млн т (24,6 млн т из них токсичные). Кроме того, остается низким уровень использования отходов в качестве вторичных ресурсов. Динамика движения производственных отходов в области свидетельствует, что несмотря на кажущийся растущим процент использования последних, их количество не уменьшается, а наоборот, постоянно растет. В результате насчитывается уже более 1000 объектов накопления отходов в виде терриконов, отвалов, шламонакопителей и свалок.
Непосредственно в Донецкой области накоплено около 4 млрд т твердых промышленных отходов, что составляет более 25% суммарных объемов по Украине. В регионе находится свыше 70% отходов угольной промышленности, 40 металлургических шлаков, более 30% золошлаков ТЭС страны и свыше 1 млн т/год твердых бытовых отходов.
По данным государственных органов статистики Донецкой области отходы занимают около 1% территории земель области или более 8,2 тыс. га, а в угольной отрасли и теплоэнергетике Украины отвалы и примыкающие санитарные зоны занимают соответственно свыше 32,0 и 1,5 тыс. га, что приводит к изъятию из сельскохозяйственного оборота значительных земельных ресурсов. Основные источники образования отходов в Донбассе — предприятия угольной промышленности, в связи с этим экологическое состояние Донецкого бассейна в основном определяется значительным количеством отходов, именно горного производства. За период разработки углей только в Донбассе накоплено свыше 2 млрд т отходов добычи и обогащения, к настоящему времени в регионе имеется 1257 терриконов, из них для 355 характерны процессы самовозгорания угля. По данным Государственного управления экологии и природных ресурсов в Донецкой области насчитывается 580 терриконов, из которых 114 горящих (на территории г. Донецка — 30 горящих терриконов). Очаги горения представляют собой источники газовыделений, иногда достаточно интенсивных , причем каждый отвал создает зону негативного воздействия на окружающую среду радиусом до 3 км. При этом в местах выхода газовых струй на поверхности терриконов образуются различные техногенные минералы: самородная сера — S, нашатырь — NH4Cl, а также ряд других минералов, содержащих соединения серы и азота, которые, растворяясь атмосферными осадками, загрязняют почвы и природные воды. Так, на породных отвалах Донбасса обнаружены: реальгар — AsS, пиккерингит — MgAl2 [SO4]*22H2O, галотрихит — FeAl2[SO4]4*22H2O, чермигит — NH4Al[SO4]4*12H2O, масканьит — (NН4) 2[SO4], сомольнокит — FeSO4*H2O, эпсомит — MgSO4*7H2O, халькантит — CuSO4*5H2O, алуноген — Al2[SO4]3*18H2O и др. Размещение твердых отходов в отвалах и хвостохранилищах на поверхности крайне негативно влияет на состояние окружающей среды. Помимо выбросов в атмосферу пыли и вредных газов твердые отходы в отвалах способствуют минерализации и загрязнению солями тяжелых металлов почв сельскохозяйственных угодий вследствие дренирования атмосферных осадков через их толщу.
По данным проведенного Институтом геолого-экологических проблем Донбасса (ИГЭПД) исследования экологической ситуации на закрываемой шахте "Донецкая" ГХК "Октябрьуголь" установлено, что в результате многолетней водно-ветровой эрозии породных отвалов произошло химическое загрязнение грунтовых вод и почв солями тяжелых металлов до чрезвычайно опасной концентрации. Аналогичные данные получены учеными Рурского университета при изучении влияния эксплуатации породных отвалов угольных шахт на состояние окружающей среды.
С целью улучшения экологической обстановки в регионе необходимо значительно шире использовать породы отвалов. Так, исследования, проведенные Государственным Макеевским НИИ по безопасности работ в горной промышленности, а также вузами региона (в том числе ДонНТУ), позволили сформулировать следующие направления формирования технологической схемы переработки породных отвалов Донецкого региона: извлечение железосодержащего сырья, извлечение германия, извлечение редкоземельных элементов, извлечение алюминий содержащего сырья для отправок на передел или организации собственного производства, извлечение силикатных материалов для производства строительных материалов.
Водные ресурсы региона и их загрязнение
В связи с тем, что Донецкий регион с высокой плотностью населения расположен в засушливой части Украины (водообеспеченность на одного жителя в 5 раз ниже, чем в среднем по Украине), очень важной является проблема водообеспечения и охраны водных ресурсов. По данным Государственного управления экологии и природных ресурсов в Донецкой области для воды практически всех рек региона характерна высокая концентрация солей. Это связано как с высоким природным уровнем солей, так и сбросом в водные объекты значительного количества сточных вод, по которым маловодная Донецкая область занимает первое место в Украине. Так в 2000 году сброс загрязненных сточных вод в области составил 943 млн м3 или 30% от всеукраинских. Основные загрязнители водных объектов – предприятия металлургической промышленности (56%), в том числе – Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича и ''Азовсталь'', Енакиевский металлургический и коксохимические заводы, а также предприятия угольной промышленности, коммунальное хозяйство (почти по 20%). Вместе со сточными водами только в 2000 году в водные объекты области было сброшено в тыс. т.: взвешенных веществ 18,8; органических веществ 6,4; нитратов 15,6; азота аммонийного 1,6 и др. Фактические данные свидетельствуют о том, что под влиянием сброса шахтных вод и промышленных стоков минерализация речных вод повысилась почти в 2 раза, что установлено прежде всего на реках Лугань и ее притоках – Лозовая, Камышеваха, Белая, а также Кальмиус, Грузская, Крынка, Миус, Казенный Торец и Кривой Торец в пределах углепромышленной части Донбасса.
Высокий уровень загрязнения поверхностных вод региона характерен для азота нитритного и аммонийного с содержаниями соответственно 16,5 и 10,5 ПДК, нефтепродуктов – до 10 ПДК, легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) – 2,5 ПДК, а также сульфат-иона – до 25 ПДК.
По данным ИГЭПД, проводившего эколого-геохимическое изучение р. Грузской, превышение ПДК в водах зафиксировано для (в контрастности по отношению к ПДК): натрия – 3,35; фенолов – 40,0; роданидов - 5,4; цианидов – 2,4; нитрит-иона – 1,76; иона аммония – 3,12; хлор-иона – 1,13; кадмия – 8,4; лития – 2,17 и др.
Гидрогеохимические исследования подземных вод региона включали анализ более 6000 проб воды, отобранных из различных источников: колодцев, родников, скважин и др. Анализ предполагал изучение не только физических и химических свойств воды, но и определение различных химических элементов и соединений: Hg, Ag, Zn, Pb, Cu, Mn, F, B, Br, No3-, No2-, и др. в лаборатории Артемовской ГРЭ. По результатам данных исследований в подземных водах установлены аномалии ртути, мышьяка, нитратов и др. токсичных компонентов. На экологическую обстановку в подземных водах верхних водоносных горизонтов и комплексов Донецкой области различные химические элементы и соединения оказывают разное влияние. Аномалии фтора с содержаниями, превышающими ПДК (1,5 мг/л), встречаются довольно часто, максимальные концентрации для региона установлены в водоносных горизонтах Донецко- Макеевского района (до 3,4 мг/л); в ореольных водах Никитовского ртутного месторождения – 0,8 – 2,5 мг/л. Превышающие ПДК концентрации фтора вызывают заболевания зубов – флюороза, а также тяжелое заболевание скелета, связанное с деформацией костей, - остеосклероз.
Максимальные концентрации ртути (до 0,02-0,05 мг/л) обнаружены в подземных водах кайнозойских и палеозойских отложений Главной антиклинали в районе Никитовского ртутного месторождения, а также в районе Дебальцевского тектонического узла – 0,005 – 0,02 мг/л (пос. Мироновский, г. Дебальцево).
Мышьяк также встречается в концентрациях, превышающих предельно допустимые. Особо следует подчеркнуть факт установления к северо-западу от г. Донецка крупной аномалии, контрастность которой превышает ПДК (0,05 мг/л) до 24 раз, а замеры достигают 15х30 км. Это объясняется влиянием Авдеевского коксохимического завода, использующего донбасские угли, содержащие мышьяк и ртуть в значительных количествах. В ореольных водах Никитовского и Дружковско-Константиновского ртутных рудных полей развиты аномалии мышьяка с содержанием до 0,05 – 0,06 мг/л. Наличие в повышенных концентрациях этого элемента приводит к возникновению у человека злокачественных опухолей кожи, печени, тонкого кишечника, патологическим изменениям в генной системе, способствует увеличению частоты дерматитов у детей, снижению слуха.
Максимальные концентрации бора (1,5 – 3,8 мг/л) выявлены в районе г. Амвросиевка в зоне влияния Кутейниковского сброса, а также сел Степано- Крынка и Григорьевка в районе пересечения Зуевского купола поперечнами антиклинальными структурами в зоне Мушкетовско-Персиановского разлома – 0,69 – 1,58 мг/л (при ПДК 0,5 мг/л). В ореольных водах Никитовского ртутного месторождения бор содержится в концентрациях до 1,9 мг/л. Техногенные аномалии бора невысокой концентрации (0,5 – 0,9 мг/л) установлены в южной части г. Донецка, в черте городов Макеевка и Горловка, что объясняется деятельностью находящихся здесь предприятий металлургической и химической промышленности. Бор отрицательно воздействует на желудочно- кишечный тракт человека и обладает эмбриотоксическим действием, употребление воды из богатых бором водоисточников приводит к возникновению хронической интоксикации со всеми ее негативными последствиями.
Большую беспокойность вызывает загрязнение подземных вод Донбасса соединениями азота. Это обусловлено, с одной стороны, их токсичностью, а с другой – хорошей растворимостью и высокой миграционной способностью. На 50% территории содержание нитратов в подземных водах превышает ПДК (45 мг/л) в 20 раз и более. Наиболее высокие концентрации нитратов – до 2180 мг/л – установлены у с. Алексеевка к западу от г. Донецка, а превышающие 1000 мг/л выявлены в близи городов Доброполье (1100 – 1581 мг/л), Константиновка (до 1389 мг/л) и в некоторых других местах. Концентрации нитратов, превышающие 500,0 мг/л, отмечены в десятках гидрогеохимических аномалий. Избыток нитратов является причиной экзем, нарушения обмена веществ в организме, поражения почек и печени, оказывает отрицательное воздействие на сердечно-сосудистую систему, а постоянная интоксикация приводит к нарушению обмена веществ и онкологическим заболеваниям.
Основными техногенными источниками цинка являются сточные воды заводов цветной и черной металлургии и, в меньшей степени, - угольных шахт. Наиболее высокие его концентрации (50-70 мг/л при ПДК=5,0 мг/л) установлены в районе заводов ''Укрцинк'' (г. Константиновка) и ''Цветмет'' (г. Артемовск). Содержание цинка, в 2-5 раз превышающее ПДК, выявлено также в зоне выщелачивания соленосных отложений нижней перми на северо- восточной окраине Донбасса. Цинк накапливается в печени и является причиной заболеваний селезенки, печени, легких, а также малокровия и других болезней.
Для подземных вод региона характерно также высокое содержание других микрокомпонентов, таких как свинец (до 25 ПДК), барий (более 100 ПДК), марганец (75 ПДК), литий (20 ПДК), титан (более 30 ПДК) и др. Значительную экологическую опасность представляет высокое содержание макрокомпонентов в подземных водах региона. Так, максимальное содержание хлоридов зафиксировано в Красноармейском районе на участке Самарский-Капитальный, где ПДК превышена в 211 раз. Есть свидетельства того, что хлор может разрушать белки нашего организма и неблагоприятно влиять на кожу и волосы. Исследования американских ученых показали, что хлор-ион и его соединения нарушают обмен веществ, а также могут вызывать рак и другие болезни. Поскольку для подземных вод угленосных отложений Донбасса характерно возрастание минерализации с глубиной, то увеличение глубины отработки угольных пластов в водах, откачиваемых из шахт и сбрасываемых в гидрографическую сеть, увеличивается содержание хлор-иона. Уже сейчас почти половина шахт региона сбрасывает воды, в которых содержание Cl- превышает ПДК до 52,6 раз.
Среднее содержание сульфат-иона в водах зоны гипергенеза для Донбасса составляет 554,0 мг/л, в подземных водах г. Донецка – 1182,5?2601,2 мг/л (при ПДК=500 мг/л).
Высокие содержания указанных компонентов характерны, в первую очередь, для районов с интенсивной тектонической нарушенностью, способствующей разгрузке по зонам разломов вод глубоких горизонтов, значительно обогащенных различными компонентами, а также для районов с высоким содержанием указанных элементов в углях, так как разработка последних способствует более интенсивному переходу элементов в подземные воды. Например, в водах Рассыпнянского-Нижнего и Ольховатского участков в превышающих ПДК концентрациях встречены кобальт, ванадий, титан, марганец, никель, а также стронций, барий и фтор.
4 Методика эколого-геохимического картирования почв и его результаты
Почвы, являясь главным депонирующим компонентом природной среды, хранят в себе основной объем информации о физико-химических изменениях окружающей среды за весь период техногенеза. Они, как никакой другой компонент окружающей среды, требуют детального экологического исследования и постоянного наблюдения Мониторинга).
Методика эколого-геохимического картирования почв, проведенного в пределах Донецко-Макеевского района, занимающего площадь более 1000 км2 и являющегося одним из крупнейших горно-промышленных регионов не только Украины, но и Европы в целом, заключалась в следующем:
1. Отбор проб из верхнего почвенного горизонта (А) с глубины до 5 см по сети 200х200-100х100м. Всего было отобрано около 20000 почвенных проб.
2. Определение с помощью спектрального метода 37 химических элементов (анализатор PGS-2): Ag, Mo, Pb, Ni, Cr, V, Sn, Be, Ga, Yb, Bi, Ge, Sc, Ta, In, B, Mn, Cu, W, Mg, Cd, Al, Fe, Co, Si, Nb, La, Y, Li, Ta, Zr, Ce, Sb, Hf, Sr, P, Th, U, Ti, As, Na, Ba, Ca, F.
3. Определение ртути с помощью атомно-абсорбционного метода (анализатор РАФ-1).
4. Определение с помощью атомно-абсорбционного (анализаторы AAS- 1, AAS-3, Hitachi-7000) и спектрофотометрического методов (анализатор СФ- 26) в пробах из очагов высокой степени загрязнения As, Cd, Sr, Sb, Zn, Cu, P, Mo, Ni, Cr, Mn, Mg, Ag, Bi, Sn.
5. В почвенных пробах, отобранных по сети 1000х1000м, изучались распределение аммоний-, нитрат-, нитрит-, хлор-иона.
6. Обработка аналитических данных и построение эколого- геохимических карт.
5 Результаты исследований
Эколого-геохимическое картирование района по данным около 20000 проб, с исследованием распределения в почвах 44 химических элементов, а также соединений азота и хлоридов показали:
1. Изменения химического состава почв под воздействием многообразных техногенных процессов произошли практически на всей исследованной территории, что характерно также для всего региона в целом. Почти на 50% ее площади химические изменения почв достигли средней, высокой и чрезвычайно высокой степени. В их загрязнении, равно как и других компонентов окружающей среды, участвуют 26 химических элементов, а также нитраты, нитриты, аммонийный азот и хлориды.
2. Наиболее высокой активностью среди металлов в техногенных физико-химических изменениях почв обладают ртуть, свинец, цинк, мышьяк, германий, молибден и серебро.
3. Результаты гигиенической оценки свидетельствуют, что на 15% урбанизированной части территории согласно нормативам Минздрава жизнедеятельность населения подвержена опасности в связи с высокой степенью загрязнения почв металлами (образованием опасных и чрезвычайно опасных очагов химического загрязнения).
4. Установлено, что основная роль в происшедших химических изменениях почв и других компонентов биосферы региона принадлежит угледобыче и углепотреблению (промышленному и бытовому) экологически "грязных" углей Донбасса (геохимически специализированных на ртуть, мышьяк, серу, германий, молибден, бериллий, а отдельные марки — также на литий, таллий и скандий), а также черной и цветной металлургии.
Сравнение приведенных геохимических спектров почв в районе коксохимических заводов и в районе угледобывающих предприятий — шахт с усредненным геохимическим спектром почв г. Донецка показывает, что деятельность коксохимических заводов влияет на накопление в почвах Нg, Аs, SЬ, Gе, Zn и др., в то время как в районах шахт накапливаются преимущественно Нg, Аs, SЬ, Сs, Gе и пр. Сходство представленных рядов накопления обусловлено, в первую очередь, высоким содержанием указанных элементов в углях Донбасса.
С целью оценки уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения, согласно Методическим указаниям МЗ СССР № 4266-87 от 13 марта 1987г. используются коэффициенты концентрации (Кс) элементов-загрязнителей и суммарный показатель загрязнения ими почв (Zс).
Базирующаяся на данных эколого-геохимических исследований карта экологической опасности почв г. Донецка составлена по показателю суммарного загрязнения Zс, представляющему собой суммарный коэффициент концентрации (Кс) 23 элементов-загрязнителей (кроме кальция, магния и алюминия) по всем почвенным пробам. На карте выделены участки различной степени (категории) загрязнения почв, где согласно медицинским нормативам МЗ СССР № 4266-87 изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения почв при различной величине Zс характеризуются как:
1) категория загрязнения почв допустимой опасности (Zс меньше 16) — не происходит изменений показателей здоровья населения;
2) умеренно опасная категория загрязнения почв (Zс 16—32) — увеличение общей заболеваемости населения;
3) опасная категория загрязнения почв (Zс 32—128) — увеличение общей заболеваемости, количества часто болеющих детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы;
4) чрезвычайно опасная категория загрязнения почв (Zс более 128) — увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикоза беременности, числа преждевременных родов, мертворожденных, гипотрофии новорожденных). Анализ карты, как показал химические изменения почв допустимой степени опасности (Zс 1 — 16) произошли на 85% площади данной территории — 280 км2.
В пределах остальной части городской территории — 50, 7км2 (15%) согласно указанным гигиеническим нормативам жизнедеятельность населения в различной степени подвержена опасности. На территории города выявлено 209 очагов загрязнения почв металлами, из которых 192 находятся в промышленно- жилых массивах (их общая площадь 48, 8 км2) и 17 — на территории (19 км2) полеводческих и лесотехнических ландшафтов.
Среди обнаруженных техногенных очагов в пяти (2с) загрязнения металлами достигло чрезвычайно опасной категории, в 47 — опасной и в остальных 157 — умеренно опасной. Очаги чрезвычайно опасной и опасной категорий, как правило, характеризуются сложным строением и нередко занимают значительные территории. Они имеют один или несколько эпицентров, которые часто пространственно контролируются источниками промышленных выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Общая площадь городской территории, в почвах которой содержание металлов соответствует умеренно опасной категории загрязнения, составляет 42, 6км2 (12, 9%), опасной — 7, 6 (2, 25) и чрезвычайно опасной — 0, 5 км2 (0, 16%).
Анализируя распространение отдельных элементов-загрязнителей, отметим, что в почвах региона зафиксированы превышающие ПДК содержания цинка (до 435 ПДК), мышьяка (до 100 ПДК), свинца (56 ПДК), кадмия (до 125 ПДК) и др.
Заключение
Таким образом, создавшаяся крайне неблагоприятная экологическая ситуация в Донбассе требует принятия соответствующих мер по ее улучшению, а также более тщательного изучения природных геологических условий, обусловливающих, и не в последнюю очередь, экологическое состояние региона. В июне 1998 г. в г. Орхусе (Дания) министры защиты окружающей среды разных стран мира подписали конвенцию "О доступе к информации, участии общественности в процессе принятия решений и доступе к правосудию по вопросам, касающимся окружающей среды". Ратификация Орхусской конвенции и ее практическое осуществление имеет очень важное значение для Донбасса и Украины в целом. Однако для улучшения создавшейся в регионе негативной обстановки необходимо не только знать современные экологические реалии, но и активно участвовать в практическом осуществлении природоохранных мероприятий, что будет способствовать устойчивому экологически безопасному развитию Донбасса и Украины.
Список литературы
1. Б.С.Панов, О.А.Шевченко, А.М.Дудик, С.А.Дудик, С.Ю.Селяков. "Современные экологические проблемы Донецкого Бассейна.", Геофизический журнал, 2003 г.
2. А.М.Дудик, С.Ю.Селяков и др. "Эколого-геохимическая инвентаризация компонентов окружающей среды г.Донецка и прогнозирование их изменений", ИГЭПД, Донецк, 1995г.
3. С.А.Дудик, научный руководитель О.А.Шевченко. "Особенности техногенных изменений почв Донецко-Макеевской ПГА.",сборник докладов Международной научной конференции, апрель 2002 г.