ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2008, том 35, № 6, с. 715-729
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 577.4:628.113:550.4
ЭКОГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩА
ЮЖНОУРАЛЬСКОЙ ГРЭС
© 2008 г. Э. В. Сокол*, Д. Ю. Нохрин**, Е. Н. Нигматулина*, Ю. Г. Грибовский**
*Институт геологии и минералогии Сибирского отделения Российской академии наук 630090 Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3 ** Уральский филиал Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии Российской академии сельскохозяйственных наук
454008 Челябинск, Свердловский тракт, 18-А Поступила в редакцию 16.07.2007 г.
Приведены результаты многолетнего комплексного исследования водохранилища-охладителя Южноуральской ГРЭС, работающей на высокозольных бурых углях Челябинского бассейна. С использованием современных аналитических методов (РФА на пучках синхротронного излучения, атомно-абсорбци-онная спектрометрия, капиллярный электрофорез) изучен микроэлементный состав углей, золы и шлаков Южноуральской ГРЭС, грунтов с золоотвалов и прилегающих к ГРЭС территорий, а также донных отложений водохранилища. Определены гидрохимические особенности водоема и состав воды из технической системы ГРЭС. Оценены уровни накопления микроэлементов и тяжелых металлов гидробионта-ми водохранилища. Особое внимание уделено анализу источников поступления в водоем мышьяка.
Отрицательное влияние ГРЭС на водоем связано, в первую очередь, с постоянно повышенной температурой воды и проявляется в нарушении нормального баланса азота и низком содержании кислорода. Из микроэлементов наибольшую опасность для водохранилища представляют два токсиканта: РЬ, присутствующий в выбросах ГРЭС, и А8, имеющий другой источник поступления в водоем. Делается заключение о достаточно эффективном функционировании всех систем Южноуральской ГРЭС (ЮУГРЭС), призванных минимизировать микроэлементную эмиссию, обусловленную сжиганием углей, в окружающую среду.
Район, примыкающий к Южноуральску (Челябинская обл.), где расположены одноименные ГРЭС и водохранилище, является в экогеохимическом отношении достаточно благополучной территорией. Здесь отсутствуют контрастные природные аномалии, что объясняется особенностями геологического строения района, где развиты третичные коры выветривания, перекрывающие породы кристаллического фундамента. Однако местное население выражает беспокойство соседством с ГРЭС, что в значительной мере связано с отсутствием достоверной информации о его воздействии на экосистемы сопредельных территорий. Поскольку первыми на
Исследования выполнены в рамках государственной тематики Всероссийского НИИ ветеринарной санитариии, гигиены и экологии РАСХН (ОНТП 05.03.28), при финансовой поддержке РФФИ (грант 040596071р2004урал) и Комплексных междисциплинарных интеграционных проектов СО и УрО РАН "Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала" (проект < 6.3).
экологическое неблагополучие реагируют экосистемы водоемов, в качестве тестового объекта изучения было выбрано Южноуральское водохранилище (ЮУВ). Исследование осуществлялось в следующих направлениях:
геохимический анализ продуктов текущего выхода ГРЭС (золы, шлаки);
геохимический анализ золоотвалов и грунтов на прилегающих к ЮУВ территориях, а также донных отложений (ДО) водоема;
гидрогеохимический анализ вод ЮУВ и технологического цикла ГРЭС;
анализ микроэлементной нагрузки на гидро-бионты.
Рассматриваемая проблема выходит далеко за рамки региональной и может рассматриваться с позиций вклада предприятий ТЭК в геохимические циклы микроэлементов. Не вызывает сомнения, что главное экологическое воздействие систем теплоэнергетики заключается в лавинообразном характере поступления ряда редких и рассеянных элементов (в частности, Ве, V, Со, N1, Си, 2п, РЬ, ва, ве, А8, И§, Бе, Мо, и) на сопредельную территорию [4, 11]. Темпы их перераспределения во много раз превосходят скорость естественной миграции, а основными формами воздушного переноса являются карбонильные соединения и аэрозольные частицы, доступные для ингаляционного поглощения [7, 18]. Функционирование современного городского хозяйства в принципе невозможно без систем теплоэнергетики. Необходимо также четко осознавать, что из основных видов ископаемого органическо-
го топлива (нефти, газа и угля) только уголь обеспечен запасами на дальнюю перспективу. В настоящее время теплоэнергетика поглощает не менее 75% промышленной добычи угля. Он остается доступным и экономичным сырьем, цены на которое стабильны по сравнению с ценами на нефть, зависящими в большей степени от мировой политической ситуации. Очевидно также, что развитие теплоэнергетики на базе угля будет сопровождаться дальнейшим ростом количества отходов. С этих позиций любая ТЭЦ и примыкающие к ней золо-отвалы представляют собой техногенные геохимические аномалии. Только прямые измерения накопления микроэлементов и оценка темпов их миграции в биотические системы позволяют делать обоснованные выводы относительно их реального воздействия на экосистемы. Целью статьи является рассмотрение прямого геохимического риска, причиняемого индустриальными предприятиями ближайшим территориям, и анализ состояния среды в зоне сноса водорастворимых, дисперсных и газообразных продуктов их деятельности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследование базируется на результатах многолетних авторских исследований продуктов технологического цикла ЮУГРЭС и одноименного водохранилища, осуществленных в 1996, 1998, 20002004 гг. Проанализирован микроэлементный состав 54 проб угля, зол и шлаков, ДО водохранилища, материала старых рекультивированных золо-отвалов, грунтов с золоотвалов и из Кичигинского бора, расположенного вне зоны загрязнения и выбранного в качестве тестовой территории сравнения. Макро- и микроэлементный состав воды, а также иные характеристики ее качества были многократно определены в пробах, взятых в различные сезоны в разных зонах водохранилища, а также в реках Кабанке и Увельке. Отдельно были опробованы технические воды из оборотной системы зо-ло-шлакоудаления ЮУГРЭС. В распоряжение авторов были также любезно предоставлены данные ежемесячного мониторинга гидрогеохимических характеристик воды водохранилища, рек Увельки и Кабанки, а также циркуляционных вод турбинного, котлотурбинного и котельного цехов ЮУГРЭС и вод из оборотной системы золо-шлакоудаления. Замеры выполнены экологической службой ЮУГРЭС в период с 1999 по 2004 г. (аналитики С.А. Емельянова, О.А. Латышова, H.H. Рубцова, С.В. Шишкина, Н.Б. Заева). В связи с рыбохозяй-ственным значением ЮУВ, был выполнен анализ содержания микроэлементов и тяжелых металлов в различных гидробионтах (водоросли, зоопланктон, рыба разных видов).
Микроэлементный состав неорганических и органических сублимированных и твердых материалов был определен методом рентгенофлуорес-центного анализа на пучках синхротронного излучения (РФА СИ). Работа выполнена на станции РФА СИ Института ядерной физики СО РАН по методике [3] (аналитик А.В. Дарьин).
Для проведения измерений 30-мг навески усредненных порошковых проб углей, технологических продуктов, грунтов и костей рыбы прессовались в таблетки диаметром 5 мм с поверхностной плотностью 0.04 г/см2. Анализ тканей рыбы, высушенной без химической обработки, проводился на отдельных фрагментах. Магнитное поле в точке излучения равнялось 1.7 Т, энергия электронов в накопителе - 2 ГэВ, ток в электронном пучке варьировал от 120 до 50 мА, время жизни пучка составляло 6 ч. Набор, энергетическая калибровка и запись спектров РФА осуществлялись с помощью программы Oxford WIN-MCA. Для количественного определения Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo (К-серии) и оценки содержания Pb, Th, и U (L-серии) использовалась энергия 22 кэВ. Параллельно велось определение W, Hg, Tl, и Bi при их содержании >10 мг/кг. Для количественного определения Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba, La и Ce (К-серии) использовалась энергия 42 кэВ. Определение содержания элементов проводилось методом внешнего стандарта. Статистические характеристики метода приведены в [22].
Работы по определению показателей химического состава и качества воды выполнены в Уральском филиале ВНИИВСГЭ РАСХН. Определение прозрачности, температуры и содержания растворенного кислорода (кислородомер АЖА-101, Белоруссия) проводили in situ. Общую щелочность определяли титрованием с метиловым оранжевым, окисляемость - перманганатным методом Кубеля, H2S - свинцово-уксусной индикаторной бумагой
[19], C O3 - расчетным методом [1]. Анализ содержания главных ионов (Cl-, SO4 , HCO3, K+, Na+, Mg2+, Ca2+), соединений N и P (NH+, NO2, NO-,
HP O2_, а также ионов Li+, F- и Ba2+ проводили методом капиллярного электрофореза [10, 20]. Анализ выполнен на системе "Капель 103-Р" (НПФ АП "Люмэкс", Россия) по методикам, допущенным для государственного экологического контроля [16, 17] (аналитик Д.Ю. Нохрин). Обработка полученных электрофореграмм проводилась с использованием программного пакета для сбора и обработки хрома-тографических данных "МультиХром для Windows 95, 98" (версия 1.5, ЗАО "Амперсенд").
Содержание Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd и Pb в пробах воды и биоматериала было определено на атомно-абсорбционном спектрофотометре (ААС)
"AAS-1" ("Karl Zeiss", Германия) (аналитик Ю.Г. Грибовский). Анализ водных проб на содержание As выполнен на ААС Квант-Z (ООО "Кортэк", Россия). Настройка параметров сбора данных и управление измерениями проводились по программе Quant Zeeman for Windows (версия1.1, Cortek Ltd.).
В ходе статистической обработки результатов широко использовали корреляционный и кластерный анализы. Последний проводили методом Уорда с использованием в качестве меры расстояния величины 1-г, где r - коэффициент корреляции Пирсона. Оценку согласованности поведения различных металлов оценивали по ^-коэффициенту конкорда-ции Кендалла [31]. В факторном анализе использовались логарифмически преобразованные значения концентраций элементов в воде: y' = ln(y + 1). Анализ был проведен методом наименьш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.