Техногенное воздействие предприятий черной металлургии на окружающую природную среду

Актуальность  темы. Черная металлургия является одним из основных загрязнителей  окружающей природной среды (ОПС) во многих городах России и мира. Наибольший вред ОПС приносят техногенные выбросы  от предприятий черной металлургии. Негативное воздействие на ОПС оказывает  также складирование отходов  производства и сброс отработанных вод. В результате длительного поступления в ОПС техногенных выбросов почвы прилегающих к предприятиям территорий все больше накапливают тяжелых металлов (ТМ) и других загрязняющих веществ (ЗВ). Выбрасываемая пыль содержит значительное количество кальция и магния, и её поступление в почву приводит к увеличению рН почвы до 7,2-8,3, особенно, на черноземах. Масштабы изменения ОПС в зоне действия предприятий черной металлургии зависят не только от состава и объема техногенных выбросов, но и от положения предприятия в определенной природной зоне и подзоне. По данным Росгидромета к чрезвычайно опасной категории загрязнения ТМ отнесено 0,5 % населенных пунктов России, к опасной категории – 3,7 %, к умеренно опасной – 10 %. Объекты нашего исследования («Северсталь», «Электросталь», «Косогорский металлургический комбинат «, «Новолипецкий металлургический комбинат» и другие отнесены к умеренно опасной зоне загрязнения. Накопление загрязнений оказывает негативное воздействие не только на состояние ОПС, но и здоровье населения.

Масштабы  и характер загрязнения ОПС предприятиями  металлургического комплекса связаны  с уровнем применяемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством  используемого сырья, объемом и  составом выбросов, сбросов и твердых  отходов, географическим положением предприятий, характером рассеивания загрязнений  и влиянием на ландшафты, экосистемы и их компоненты.

Необходимость улучшения состояния ОПС делает актуальным исследование и оценку техногенного воздействия черной металлургии  на ландшафты природных зон и  поиск путей оптимизации состояния  ОПС в регионах с черной металлургией. При этом очень важна оценка влияния  на ОПС внедрения новых технологий, что позволит оптимизировать стратегию  и тактику природоохранной деятельности с учетом зонального и регионального  положения предприятий черной металлургии.

Цель и  задачи исследования.

Цель исследования:

- на основе  комплексного, регионального подхода  провести исследование и оценку  техногенного воздействия предприятий  черной металлургии на окружающую  природную среду центра Европейской  России и дать практические  рекомендации оптимизации состояния  ОПС.

Соответственно  с целью были поставлены и выполнены  следующие задачи:

- выявить  объемы, состав, структуру и рассеивание  загрязнений от предприятий черной  металлургии;

- провести  сравнительный анализ природных  условий и выявить воздействие  выбросов и сбросов предприятий  черной металлургии на компоненты  ОПС лесной и лесостепной зон  центра Европейской России: атмосферу,  почвы, воды, растительность;

- выявить  сообщества и виды-биоиндикаторы  техногенного воздействия на  окружающую природную среду лесной  и лесостепной зон центра Европейской  России;

- определить  основные тенденции в динамике  растительности и почв под  влиянием техногенного воздействия  предприятий черной металлургии  в лесной и лесостепной зонах;

- на основе  применения биоиндикации и химического  мониторинга определить зоны  влияния техногенных выбросов  черной металлургии;

- выявить  виды технологий, применяемых в  производстве проката черных  металлов, сравнить их влияние  на ОПС и модификации технологии, предложенной автором;

- провести  экологическую оценку влияния  внедрения новых технологий в  производстве проката черных  металлов на состояние ОПС  и здоровье работников производства;

- разработать  практические рекомендации по  оптимизации природопользования  в лесной и лесостепной зонах  в условиях техногенного воздействия  предприятий черной металлургии.

Научная новизна.

Разработана и обоснована концепция зонально-провинциального  проявления техногенного воздействия  черной металлургии на ОПС природных  зон, подзон и провинций. Показано, что  ответная реакция ландшафтов и их компонентов на техногенное загрязнение  зависит не только от объема и состава  последних, но также от положения  ландшафта в природной зоне, подзоне  и провинции и от исходных параметров почвенного и растительного покровов, что определяет характер мероприятий  по санации техногенно загрязненных почв, их использованию, внедрению мероприятий  по улучшению состава растительного  покрова и почв.

В результате проведенных комплексных исследований, включающих изучение почв и растительности на ключевых участках, химические анализы  образцов почв и растений, биоиндикацию и биотестирование автором получены новые результаты по воздействию  техногенного загрязнения от предприятий  черной металлургии на почвы, воды, атмосферу и растительность лесной и лесостепной зон центра Европейской  России. Выявлена динамика почв, луговых  и лесных сообществ в подзонах лесной и лесостепной зон центра Европейской России, а также под  совместным влиянием подтопления и  техногенных выбросов от черной металлургии  в водоохранной зоне северо-восточной  части Рыбинского водохранилища. Проведена  оценка биоразнообразия в основных растительных сообществах и выявлены тенденции его изменения в  условиях техногенного воздействия. Разработаны  экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к воздействию  техногенного загрязнения. Оценен вклад  новых технологий проката черных металлов, разработанных с участием автора, в охрану окружающей среды  и здоровья населения.

Теоретической и методологической основой работы послужили идеи и принципы концептуального, регионального комплексного подхода  к изучению окружающей природной  среды и её изменения в условиях техногенного воздействия. В процессе исследований нами были проанализированы и учтены результаты исследований ученых институтов Глобального климата  и экологии Росгидромета РАН, Геоэкологии  РАН, МГУ имени М.В.Ломоносова и  др. Учтены результаты исследований по влиянию техногенных выбросов на ОС М.А.Глазовской, В.Г.Заиканова, А.В.Хабарова, Е.А.Афанасьева, Э.Ю.Безуглой, Т.В.Звонковой, Н.И.Коронкевича, Н.М.Чернавской и др.

Теоретическая и практическая значимость.

В диссертации обоснована концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на ОПС, развиваются вопросы методики мониторинга динамики почв и растительности при совместном влиянии подтопления, рекреации и техногенного воздействия. Анализируются пути миграции и аккумуляции загрязняющих веществ и, в соответствии с этим, даются практические рекомендации по оптимизации природопользования в данных условиях. Обоснованы методические приемы применения для выявления техногенного загрязнения и токсичности почв биоиндикации и биотестирования. Выявлены растения гипераккумуляторы тяжелых металлов (ТМ) и растения биоиндикаторы техногенного воздействия. Важное значение для практики имеют разработанные автором экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к техногенному воздействию, а также рекомендации по созданию санитарно-защитных зон предприятий.

Разработки  автора применяются на кафедре земледелия и растениеводства Государственного университета по землеустройству при  преподавании дисциплин: агроландшафтное  земледелие, растениеводство, агроэкологические  основы использования сельскохозяйственных машин, а также при организации  научно-исследовательской работы студентов. Монография В.С.Груздева «Биоиндикация  состояния окружающей среды» используется в университете в качестве учебного пособия.

Технологические и конструкторские разработки по оптимизации технологии проката  черных металлов, созданные с участием автора, использованы при выдаче технического задания на реконструкцию цеха стальных фасонных профилей Омутнинского металлургического  завода.

Основные  защищаемые положения.

- Концепция  зонально-провинциального проявления  техногенного воздействия от  предприятий черной металлургии  на состояние окружающей природной  среды. Устойчивость экосистем  лесной и лесостепной зон к  техногенному воздействию зависит  от их состава, структуры и  географического положения в  природной зоне, подзоне и регионе;

- Наибольшее  влияние на состояние окружающей  среды в зоне влияния предприятий  черной металлургии оказывают  техногенные выбросы, содержащие  газообразные и твердые вещества (пыль). Газообразные выбросы наиболее  негативно влияют на состояние  растительности. Особенно неблагоприятно  влияют выбросы SO2, NО2, NO, что проявляется  у вегетирующих растений в  появлении на листьях участков  хлороза и некроза и снижает  годичные приросты в среднем  в 1,5 раза. На почвы наибольшее  влияние оказывает техногенная  пыль.

- Зональные  особенности техногенного воздействия  предприятий черной металлургии  на ландшафты природных зон  и подзон зависят от реакции  почвенного раствора зональных  почв, содержания в почве гумуса  и обменных оснований, а также  от флористического состава исходных  растительных сообществ;

- Масштабы  и характер техногенного воздействия  предприятий черной металлургии  на ландшафты природных зон  и подзон, а также границы зон  техногенного воздействия выявляются  на основе учета химического  состава почв и растений, а  также при помощи растительных  сообществ, растений-биоиндикаторов  и при помощи биотестирования;

- Для природных  зон и подзон, а также для  зон техногенного воздействия  выбросов предприятий черной  металлургии характерен свой  набор биоиндиаторных растительных  сообществ и растений-биоиндикаторов;

- Мероприятия  по санированию и использованию  в народном хозяйстве техногенно  загрязненных почв имеют зональные  особенности, связанные не только  с составом и объемом техногенных  загрязнений, но также с особенностями  их миграции, аккумуляции и превращений  в ландшафтах природных зон  и подзон.

Апробация работы.

Результаты  работы докладывались на семинарах  в Университете стали и сплавов, на экологических семинарах в  Госуниверситете по землеустройству  и на нескольких научных и научно-практических конференциях (Горки, 2002, 2004; Тверь, 2005; Москва. 1993, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009; и  др.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 2 монографии, одна из которых в соавторстве, 38 статей и тезисов. В журналах рекомендованных ВАК опубликовано 24 статьи.

Структура и  объем работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, практических рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 300 страницах компьютерного текста, плюс – библиографический список и приложения. В диссертацию включено 108 таблиц, 20 фотографий, 16 рисунков и 26 приложений.

ОСНОВНОЕ  СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Исследования  воздействия предприятий черной металлургии на ОПС проводились  в подзонах средней и южной  тайги и подзоне широколиственно-хвойных  лесов лесной зоны в пределах Вологодской, Кировской и Московской областей, а также в лесостепной зоне, в подзонах северной и южной лесостепи, в Тульской и Липецкой областях Российской Федерации.

Проведенный сравнительный анализ показал постепенное  изменение при движении с севера на юг климата, почв и растительности (табл. 1, 2), что предопределило разные ответные реакции почв и растительности природных подзон и провинций  на техногенное воздействие черной металлургии. Проведено исследование воздействие на ОПС комбината  «Северсталь», расположенного в г. Череповец  Вологодской области, Омутнинского металлургического завода в Кировской  области, завода «Электросталь в  Московской области, Косогорского металлургического  завода и комбината Тула-чермет в  Тульской области и Ново-Липецкого  металлургического комбината в  Липецкой области. Теоретической основой  такого выбора металлургической предприятий  явилась разработанная нами концепция  зонально-провинциального проявления техногенного воздействия металлургических предприятий на ОПС.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика климатически параметров для изучаемых областей лесной и  лесостепной зон ЕТС

№ Название

области Характеристика климата Осадки

мм/год Средняя

t°C в июле  Средняя

t°C в январе  Продолжите

льность вегетационного периода, дни

1. Вологодская  Умеренно-континентальный 550-600 +17 °, +18° -11° , -14° 120-130

2. Кировская  Континентальный 400-450 +17° , +19°  -14° , -16° 100-140

3. Московская  Умеренно-