Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова
Кафедра безопасности жизнедеятельности
Направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: «Системы защиты среды обитания»
на тему:
Защита гидросферы от загрязнения на Верхнекамском месторождения солей
Выполнил: Мальгин С.В.
студент 5 к. гр.: ТБб-2018-51
Проверила: к.б.н., доцент
Сергеева О.С.
Пермь 2023
Оглавление
Введение
Актуальность работы. Калийные соли являются важным и крайне востребованным ресурсом в современной экономике. Главным продуктом переработки калийных солей являются калийные удобрения. Неуклонный рост населения Земли с середины XX столетия привел к росту дефицита продуктов питания. В сложившейся ситуации интенсификация производства продуктов питания, в том числе путём внесения удобрений, является обязательным условием ведения сельского хозяйства во всём мире. Как следствие, в начале XXI века произошел резкий рост спроса на калийные удобрения. Впервые с 1970-х гг. стали реализовываться не только проекты расширения существующих производств, но также началось изучение новых месторождений, проектирование и строительство новых предприятий. Кроме известных калийных бассейнов Западной Европы, Канады, России и Белоруссии, сегодня разведаны новые месторождения калийных солей в Центральной и Юго-Восточной Азии, Южной Америке, Западной и Восточной Африке, а также ранее не разрабатываемые эвапоритовые залежи Северной Америки (Rauche, 2015; Cocker, 2016).
Однако, интенсификация всякого производства входит в противоречие с сохранением и развитием природной среды регионов его расположения и принципом минимизации техногенного воздействия. Калийная промышленность является комплексной отраслью хозяйства, объединяющей в себе горнодобывающее и химическое производство. Как горнодобывающее, так и химическое производство характеризуются значительным уровнем воздействия на окружающую среду. Горнодобывающие предприятия являются источником комплексного и концентрированного воздействия на все компоненты окружающей среды. Большинство технологических процессов таких предприятий проходят в условиях прямого взаимодействия с окружающей средой. Проходка горных выработок и извлечение большого объема пород из недр Земли приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива горных пород, проявлениям техногенной сейсмичности, провалообразованию, изменению уровня подземных вод. Для расположения производственных комплексов, открытых горных выработок, объектов хвостового и отвального хозяйства изымаются значительные площади земель и сельхозугодий. Геохимическое воздействие на геологическую среду осуществляется посредством поступления в атмосферу, поверхностные и подземные воды, почвенную среду различных химических элементов и их соединений в количествах, не характерных для природного геохимического фона.
Предприятия химической промышленности, как правило, характеризуются меньшим масштабом взаимодействия с окружающей средой и объемом образующихся отходов, закрытыми технологическими циклами. Однако высокая степень опасности химически синтезированных веществ, отсутствие природных аналогов для многих из них, потенциальная возможность аварийных выбросов в природную среду также ставят предприятия химической промышленности в ряд экологически наиболее опасных производств.
Отличительной особенностью солей является их высокая растворимость. Во многом именно в связи с этим, техногенное воздействие калийного производства на компоненты природной среды наиболее ярко проявляется во влиянии на приповерхностную гидросферу. Ведущее место в нарушении исходной гидрохимической обстановки большинство исследователей отводит воздействию поверхностных накопителей отходов - шламохранилищ и солеотвалов (Гольдберг, 1984; Мироненко, 1988; Горбунова, 1990; Бельтюков, 2000; Кирюхин,2010 и др.).
Анализ техногенных изменений химического состава приповерхностной гидросферы в районах действующих калийных производств, зачастую, ограничивается только характеристикой засоления природных вод. При этом учитывается ограниченное количество гидрохимических показателей. Кроме того, сложной задачей является определение начальной стадии техногенного воздействия, когда показатели химического состава не превышают установленных предельных нормативов.
В связи с этим, главная научная идея работы формулируется необходимостью совершенствования методов оценки степени влияния отходов предприятий калийной промышленности на состав подземных вод зоны активного водообмена.
Целью работы является обоснование комплекса индикаторов и механизма техногенного изменения состава подземных вод в зоне влияния отходов калийной промышленности в местах их складирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
· систематизация данных об условиях разработки крупнейших месторождений калийных солей, особенностях химического состава калийных руд и продуктов их переработки;
· сбор и анализ опубликованной и нормативной литературы, а также фондовых материалов по оценке загрязнения подземных вод зоны активного водообмена в регионах соледобычи;
· сбор, анализ и систематизация материалов исследований прошлых лет и составление базы данных анализов химического состава подземных вод зоны активного водообмена по фондовым материалам, результатам опробования вод родникового стока, данным режимной гидрогеологической сети в пределах объектов исследования;
· определение закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена;
· определение комплекса индикаторов воздействия предприятий калийной промышленности на химический состав подземных вод зоны активного водообмена
· разработка современных вариантов интерпретации результатов исследований.
Объектом исследования являются подземные воды зоны активного водообмена, состав которых формируется под влиянием технологических процессов калийного производства. Водоносные горизонты этой зоны наиболее восприимчивы к гидрохимическому воздействию на них стоков калийных предприятий. При этом именно они часто являются основными источниками водоснабжения населения и промышленных предприятий.
Предметом исследования являются закономерности и механизм трансформации химического состава подземных вод зоны активного водообмена под влиянием техногенных стоков.
Изучение особенностей техногенной трансформации состава подземных вод в настоящей работе проводится на примере Верхнекамского месторождения солей (ВКМС). Верхнекамское месторождение является уникальным объектом, обладающим мировым значением. Как по запасам, так и по объемам добычи калийных солей ВКМС занимает второе место в мире, а история его освоения насчитывает почти 100 лет. В пределах изучаемого района Верхнекамского месторождения калийных солей - Соликамского, Ново-Соликамского и Половодовского участков детальной разведки - основным водоносным подразделением надсолевой толщи является водоносная верхнесоликамская терригенно-карбонатная подсвита. Воды верхнесоликамской подсвиты используются для водоснабжения производственных комплексов и населения Соликамско-Березниковской агломерации с населением около 300 тыс. чел.
Научная новизна результатов работы определяется тем, что в ходе проведённых исследований:
· на основе анализа условий разработки крупнейших в Мире месторождений калийных солей выявлен универсальный ряд химических элементов, определяющих специфику техногенных изменений в составе пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием различных объектов калийного производства;
· определены основные особенности трансформации химического состава пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием объектов складирования отходов калийного производства;
· в ходе исследований, проведенных в периоды зимней межени 2016, 2017 и 2018 гг., впервые получены дополнительные сведения о микроэлементном составе вод родникового стока, разгрузка которых происходит в зоне влияния действующих калийных предприятий ВКМС;
· получены новые данные о механизме процессов катионного обмена между насыщенными хлоридными рассолами и образцами пород с территории ВКМС на основе результатов экспериментальных лабораторных исследований.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
· построены графические модели трансформации состава подземных вод во времени по результатам обобщения данных режимных наблюдений за химическим составом подземных вод водоносной верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты в пределах разрабатываемых участков ВКМС в период с 1998 по 2016 гг.;
· по фондовым материалам, результатам опробования, данным режимной гидрогеологической сети созданы базы данных анализов химического состава подземных вод верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты и вод родникового стока за период с 1998 по 2018 гг.
· разработан и обоснован комплекс гидрохимических индикаторов техногенного влияния объектов ВКМС на элементы гидросферы, включающий в себя специфические компоненты ионного состава вод и микроэлементы;
· проведена санитарно-гигиеническая оценка степени опасности трансформации химического состава подземных вод верхнесоликамской подсвиты в пределах разрабатываемых участков ВКМС. Оценка максимальных содержаний изученных веществ показала, что наибольшую опасность в подземных водах, находящихся под влиянием объектов калийных производств, представляют мышьяк, селен, стронций, барий, натрий, магний, хлориды, бромиды, аммоний;
· выявленный перечень компонентов химического состава подземных вод рекомендован для обязательного изучения при проведении геоэкологических исследований на территориях функционирования калийной промышленности в качестве наиболее характерных загрязняющих веществ;
Отдельные результаты исследования используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Экологическая геология», читаемой на геологическом факультете Пермского государственного национального исследовательского университета.
Предметом защиты являются следующие положения:
1. Комплекс геохимических индикаторов воздействия разработки калийных солей на химический состав подземных вод включает в себя универсальный ряд химических элементов, входящих в состав калийных руд, и ряд акцессорных микроэлементов нерастворимого остатка солей, концентрация которых происходит в отходах калийного производства при технологических процессах обогащения руд.
2. Трансформация химического состава подземных вод зоны активного водообмена в пределах разрабатываемых участков ВКМС происходит на фоне увеличения их минерализации и снижения pH. Трансформация ионного состава вод обусловлена ростом концентраций хлоридов, бромидов, катионов натрия, калия, кальция, магния, аммония. Элементами-индикаторами трансформации микроэлементного состава являются марганец, кобальт, мышьяк, ванадий, никель, сурьма, барий, стронций и селен.
3. Формирование химического состава хлоридных магниево-кальциевых и хлоридных кальциево-натриевых подземных вод, нетипичных для зоны активного водообмена, в условиях влияния отходов разработки солей ВКМС, происходит под влиянием процесса катионного обмена между жидкой фазой рассолов хлоридного натриевого состава и твёрдой фазой вмещающих терригенных пород.
1. Характеристика Верхнекамского месторождения солей
Общие сведения о месторождении. Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМС) - крупнейшее разрабатываемое месторождение калийных солей в России, до введения в строй Гремячинского ГОКа в Волгоградской области в течение многих лет остающееся единственной и основной базой калийной промышленности РФ. На месторождении ведется добыча как сильвинитовой руды, используемой для производства удобрений, так и карналлитовой породы (получение искусственного карналлита для магниевой промышленности), а также рассолов (сырье для производства соды).
ВКМС занимает второе место в мире по запасам калийной руды. Предприятия, эксплуатирующие месторождение, занимают второе место в мировом калийном производстве (Rauche, 2015). Геологические запасы месторождения оцениваются по карналлитовой породе в 96 млрд т, по сильвинитам - 113 млрд т, по каменной соли - 4,7 трлн т (Кудряшов, 2013).
Соляная толща месторождения имеет форму линзы площадью около 8,2 тыс. км2 и прослеживается в меридиональном направлении на 206 км, в широтном - до 56 км. Внутри контура соляной толщи расположена многопластовая залежь калийно-магниевых солей протяженностью 140 км при ширине до 41 км. Площадь основной части калийной залежи по внешнему контуру составляет 3,7 тыс. км2. В пределах калийной залежи выделено 12 детально разведанных участков: Дурыманский, Соликамский, Березниковский, Балахонцевский, Быгельско-Троицкий, Талицкий, Палашерский, Ново-Соликамский, Половодовский, Усть-Яйвинский, Боровской и Южно-Юрчукский. Общая площадь детально разведанных участков составляет 1085 км2, или около 30% площади калийной залежи, на остальной площади ВКМС подсчитаны запасы солей категории С2 (Кудряшов, 2013).