Введение
Согласно статистическим данным Россия по производству удобрений за период с 1995 по 2010 г. поднялась с пятого на второе место в мире. Однако производимые азотные удобрения идут в основном на экспорт, в то время как на сельскохозяйственных угодьях страны отмечается недостаток внесения азотных удобрений в почву. В результате недостатка внесения удобрений вероятность загрязнения подземных вод азотсодержащими веществами под сельхозугодиями снижена, и имеется возрастающая опасность загрязнения подземных вод в местах размещения отходов от производства азотных удобрений.
Целью данного исследования является изучение природных и техногенных факторов, обуславливающих загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами вблизи объектов размещения отходов (ОРО).
Материал и методы исследования
Природные и техногенные факторы загрязнения подземных вод в местах размещения отходов от производства азотных удобрений изучались посредством анализа картографических материалов и опубликованных данных. Среди картографических материалов для изучения геоморфологических, геолого-гидрогеологических, тектонических и неотектонических условий и загрязнения азотными соединениями подземных вод использовались: 1) геологическая и гидрогеологическая карта СССР (серии: Московская (Л. N-37-XV), Средневолжская (Л. О-39-ХIV, N-40-XХ), Кузбасская (Л. N-45-III), Восточно-Саянская (Л. N-48-ХХХII), Тихвинско-Онежская (Л. О-37-IХ)) [4]; 2) государственная геологическая карта Российской Федерации (листы: N-(37), 38; N-(38), 39; N-(40), 41; О-(35), 36; О-(38), 39; L-(37), 38; М-(37), 38) [5]; 3) карта новейшей тектоники северной Евразии. М-б 1:5 000 000 (под ред. А.Ф. Грачева) [8]; 4) тектоническая карта России, сопредельных территорий и акваторий. М-б 1:4 000 000 (сост. О.А. Мазарович и др.) [11]; 5) карта выявленных участков загрязнения подземных вод соединениями азота на территории Российской Федерации (сост. И.А. Коваленко) [7]. Техногенные факторы изучались посредством обзора опубликованных материалов [1; 2; 5; 8-10; 12-15].
С целью корректного анализа факторов посредством изучения картографических материалов был создан ГИС-проект.
Результаты исследования и их обсуждение
Изучив структуру рынка удобрений [15], мы установили, что производство азотных удобрений в России сосредоточено в основном на 19 заводах минеральных удобрений (ЗМУ), первые 13 из которых производят 87% удобрений (рис. 1).
Рис. 1. Расположение производств азотных удобрений на территории России.
Номер ЗМУ и его местоположение: 1 – г. Невинномысск; 2 – г. Великий Новгород; 3 – г. Новомосковск; 4 – г. Кемерово; 5 – г. Кирово-Чепецк; 6 – г. Березники; 7 – пос. Верхнеднепровский; 8 – г. Тольятти; 9 – г. Россошь; 10 – г. Череповец; 11 – г. Тольятти; 12 – г. Салават; 13 – г. Пермь; 14 – г. Мелеуз; 15 – г. Балаково; 16 – г. Липецк; 17 – г. Ангарск; 18 – Кингисеппский р-н; 19 – г. Воскресенск.
В ГИС-проекте проанализировано положение ЗМУ. Установлено, что большая часть ЗМУ, производящих азотные удобрения, сосредоточена в Европейской части России – в Приволжском и Центральном федеральных округах.
Для каждого ЗМУ был проведен анализ природных факторов, оказывающих влияние на попадание загрязняющих веществ (ЗВ) из ОРО в подземные воды, а именно: 1) строение, фильтрационные и миграционные характеристики горизонта грунтовых вод (литология водовмещающих пород и пород зоны аэрации, мощность водоносного горизонта, коэффициент фильтрации, уровень грунтовых вод, минерализация и химический тип вод); 2) литология и мощность водоупорных пород для горизонта грунтовых вод; 3) геоморфологические условия расположения ЗМУ и ОРО; 4) тектонические и неотектонические условия; 5) наличие карстующихся пород в разрезе.
Анализ географического положения перечисленных выше ЗМУ показал, что они расположены в непосредственной близости от основных водных артерий регионов, что связано с большим водопотреблением. При этом расстояние от ОРО до реки составляет от 50 м до 2,6 км. В редких случаях, например ЗМУ в г. Перми, расстояние до крупного водоема составляет около 16 км. Это связано, прежде всего, с технологическим процессом и историей развития производства.
Анализ природных факторов расположения ОРО ЗМУ, показал, что имеются как их сходства, так и различия. Очевидным сходством является приуроченность исследуемых объектов к пойменным и другим террасам рек. В связи с этим литология, генезис и фильтрационные свойства водовмещающих пород и режим грунтовых вод в основном схожи. Мощность горизонта грунтовых вод напрямую зависит от динамики потока реки и колеблется от 8 до 65 метров, достигая максимальных значений в долине р. Волги. Уровень грунтовых вод, как правило, располагается неглубоко, обычно не более 3,0 м. Минерализация грунтовых вод вне промышленных зон не превышает 1,0 г/дм3, за исключением ЗМУ 1 и ЗМУ 14, где повышенную минерализацию связывают с подтоком вод из нижележащих горизонтов. Гидрокарбонат-ион является преобладающим ионом в химическом составе грунтовых вод, в большинстве случаев это воды HCO3-Ca. Водоупорными породами являются глинистые породы, но иногда выдержанный водоупор отсутствует и горизонт грунтовых вод имеет гидравлическую связь с нижележащим водоносным горизонтом, как, например, вблизи ЗМУ 9, где горизонт грунтовых вод (N-Q) имеет гидравлическую связь с нижележащим водоносным горизонтом (К2t-k). Тектонические и неотектонические условия и наличие карстующихся пород в разрезе способствуют формированию сложных гидрогеологических условий. Так, например, в связи с активными тектоническими и карстовыми процессами в районе ЗМУ 6, 8, 11 отмечается повышенная водопроницаемость земной коры.
Сопоставление карты выявленных участков загрязнения подземных вод соединениями азота и мест расположения ЗМУ показало, что в 85% случаев вблизи ЗМУ выявлено загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами. В этих местах интенсивность загрязнения составляет до 100 ПДК и более.
Состояние геологической среды вблизи ЗМУ, согласно данным государственных природоохранных и надзорных органов, является неудовлетворительным. Подобные данные имеются по ЗМУ 2, 4, 7, 9, 10. Как правило, оно проявляется в повышенном содержании аммония (NН4+) и нитратов (NO3-) в поверхностных водах.
Состояние подземных вод в пределах влияния на них ЗМУ в литературе освещено достаточно слабо. Имеются достоверные данные по трем ЗМУ – 5, 9 и 14.
На территории ЗМУ 5 отмечается минерализация грунтовых вод до 100 г/дм3 и более. Эта область «включает в себя территории, прилегающие к хвостохранилищу мела, трехсекционному шламонакопителю, а также значительные площади к западу от них» [2]. Преобладающими компонентами химического состава подземных вод в этой области являются нитраты (NO3-), аммоний (NН4+), сульфаты (SO42+), хлориды (Cl-), нитриты (NO2-), стронций (Sr2+) [2]. Некоторые исследователи считают нитрат аммония основным загрязнителем окружающей среды для данной территории.
В грунтовых водах отмечается высокое содержание нитрата аммония (NH4NO3). Источниками азотного загрязнения подземных вод признаются «высокоминерализованные воды хвостохранилища мела» [14]. Первоначально загрязнение имело преимущественно сульфатно-хлоридно-натриевый состав. На сегодняшний день состав ЗВ расширился за счёт поступления нитратов (до 57 г/дм3) и аммония (до 14 г/дм3) и стронция (до 1,5 г/дм3) [14].
Отдельными авторами отмечается, что подземные воды разгружаются в пойменные водоемы и тем самым загрязняют их азотсодержащими веществами [2]. Концентрации нитратов в этих водоемах достигают 21 г/дм3, иона аммония – 13 г/дм3. В период прохождения весенних паводков начиная с 1996 г. отмечают загрязнение аммонийным азотом р. Вятка, основным источником которого в речных водах считают территории расположения загрязненных пойменных водоемов [13], «что негативным образом сказывается на системе питьевого водоснабжения нижерасположенных населенных пунктов, в том числе г. Кирова» [10]. Загрязнение азотсодержащими соединениями на территории ЗМУ вблизи ОРО характерно также для почв и донных отложений водоемов, для снегового покрова и для растительности.
На территории вблизи ЗМУ 9 отмечается загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами. Нитраты, нитриты и аммоний являются основными загрязняющими веществами на территории ЗМУ 9. Наибольшая площадь загрязнения выделяется по аммонию – 8 км2. Содержание нитратов достигает 22-37 г/дм3, нитритов – 0,2 г/дм3, аммония – 15 г/дм3 [5]. Минерализация подземных вод достигает 50 г/дм3. Преобладающими компонентами химического состава подземных вод под ЗМУ 9 являются нитраты, аммоний, иногда натрий [5]. Подземные воды глубоко метаморфизованные.
Также азотное загрязнение проявляется в водах р. Черная Калитва. Минерализация речных вод в некоторых случаях превышает 1 г/дм3. Кроме того, азотному загрязнению вблизи ЗМУ 9 подвержены грунты [5].
Согласно информации Главного Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды по Воронежской области под ЗМУ 9 главной причиной загрязнения подземных вод является неудовлетворительная гидроизоляция ОРО.
ЗМУ 14 является основным загрязнителем окружающей среды вблизи г. Мелеуз. Основные загрязняющие вещества (сульфаты, фосфаты, фториды, хлориды) поступают в подземные воды в результате нарушения гидроизоляции накопителя фосфогипса и испарителя пиритного огарка. Концентрации азотсодержащих веществ не превышают – 2,75 мг/дм3 для нитритов, 12,6 мг/дм3 – для азота аммонийного, 103,2 мг/дм3 – для нитратов [12]. По нитратам отмечается превышение ПДК в 22 раза [1].
На территории ЗМУ 14 существует опасность разгрузки загрязненных вод в р. Белая в течение ближайших 5 лет [12], которая является основным источником водоснабжения предприятий и населения Республики Башкортостан [1; 12]. Р.Ф. Абдрахманов говорит о том, что «поверхностные и подземные воды региона нуждаются в защите, которая предполагает создание современной системы мониторинга, разработки высокопроизводительных и эффективных технологий очистки» [1].
Таким образом, на территории ЗМУ 14 азотное загрязнение проявляется в значительно меньшей степени, чем на ЗМУ 5 и 9, и носит второстепенный характер.
В результате анализа состояния геологической среды вблизи ЗМУ было установлено, что подземные воды под ЗМУ при наличии утечек из ОРО либо сильно загрязнены с содержанием ЗВ несколько десятков г/дм3, либо содержание азотных соединений в подземных водах не превышает нескольких мг/дм3. Вероятно, это связано с технологией производства, продукцией и соответствующими отходами. Основными отходами и побочными продуктами производства, образующимися на ЗМУ и складируемыми в ОРО, являются мел и фосфогипс с пиритным огарком. При этом территории, где хранится мел, отличаются значительными концентрациями азотсодержащих веществ в подземных водах и других компонентах окружающей среды.
Выводы
Итак, изучив природные и техногенные факторы размещения отходов и побочных продуктов производства азотных минеральных удобрений, мы установили некоторые особенности территорий расположения ЗМУ. К ним относится расположение ЗМУ и их ОРО в непосредственной близости от рек регионального значения на поймах и первых надпойменных террасах, приуроченность грунтовых вод к аллювиальным отложениям. Подземные воды на территориях, прилегающих к ЗМУ, чаще всего имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав (HCO3-Ca) и минерализацию не более 1,0 г/дм3. Грунтовые воды, расположенные в зоне влияния ЗМУ, характеризуются повышенными концентрациями нитратов (NO3-), аммония (NН4+), нитритов(NO2-) и некоторых других компонентов. Основным техногенным фактором, способствующим загрязнению подземных вод, является недостаточная гидроизоляция ОРО. Установлено, что речные воды ниже ЗМУ в некоторых случаях используются в питьевом водоснабжении крупных населенных пунктов.
Рецензенты:
Осовецкий Б.М., д.г.-м.н., профессор, профессор кафедры минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Шенфельд Б.Е., д.т.н., профессор, директор ФГБУ УралНИИ «Экология», г. Пермь.
Библиографическая ссылка
Клёцкина О.В., Минькевич И.И. ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВБЛИЗИ ОБЪЕКТОВ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ ОТ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11065 (дата обращения: 19.04.2024).