Татаринов Виктор Николаевич, к.т.н., Геофизический центр РАН, Москва, e-mail: victat@wdcb.ru
ГИС-технологии предоставляют мощные и эффективные инструменты для пространственного моделирования, многофакторного анализа и прогнозирования устойчивости территорий к негативному экологическому воздействию. Особенно это важно для администраций экологически неблагоприятных регионов России, которые вынуждены принимать решения о реабилитации подведомственных им территорий в условиях недостаточности и неопределенности информации о существующем загрязнении среды и возможной динамике распространения экологически опасных элементов.
В данной статье дана предварительная оценка загрязнения тяжелыми металлами окружающей среды в одной из известнейших в России горнорудных провинций — в районе г. Карабаша. Приведены результаты прогнозирования наиболее вероятных направлений их переноса подземными и поверхностными водотоками.
Предыстория
Начиная с 2001 г., в ходе выполнения двух международных проектов INCO—Copernicus«Toxical» (Определение токсических загрязнений в грунтовых водах: от раннего предупреждения в реальном времени до общей оценки)» и INTAS «ENVRISK» (Разработка стратегии долговременного контроля загрязнений в районах с высокой экологической опасностью) нами проводились исследования, направленные на оценку экологической обстановки в районе г. Карабаша. Город с населением около 16 тыс. человек находится в северо-западной части Челябинской области. После открытия залежей медноколчеданных руд здесь более 100 лет развивалось горнорудное и медеплавильное производство. Все усилия были направлены на непрерывное наращивание мощностей горнодобывающего и перерабатывающего комплексов.
Промышленное освоение района изначально не было ориентировано на сохранение и защиту окружающей среды, что к концу XX столетия привело к полной экологической деградации природной среды и нанесению непоправимого вреда здоровью населения. В результате интенсивного освоения региона в почве и отвалах накопился огромный объем экологически опасных химических элементов — меди, цинка, кадмия, хрома, железа, мышьяка, свинца и др. Их концентрации в сотни раз превысили установленные в РФ предельно допустимые санитарные нормы (ПДК). Вместе с поверхностными водами опасные элементы выносятся в реку Сак-Елга и, далее, в крупнейшее на Урале Аргазинское водохранилище. Высокий уровень загрязнения поверхностных вод и почвы создает реальную угрозу загрязнения Аргазинского водохранилища. Так, например, местной службой установлено, что содержание мышьяка на некоторых участках в 740 раз превышает ПДК.
Ход исследования
Первым этапом работ стала оценка территории для выделения наиболее загрязненных участков и наиболее опасных направлений распространения тяжелых металлов. Работы включали сбор доступных данных о загрязнении района, его геолого-тектоническом и гидрогеологическом строении, отбор и геохимическое опробование образцов почв и поверхностных вод. Результаты исследований были преобразованы в электронный вид для дальнейшего анализа в ArcView с дополнительным модулем Spatial Analyst. Основной акцент был сделан на анализе взаимного влияния трех типов данных: характеристик геологической среды, географических аспектов (гидросеть, расстояние до населенных кварталов, рельеф и др.), результатов определения содержания тяжелых металлов в почвах и водах.
Рис. 1. Структура базы данных о районе г. Карабаша.
Структура созданной базы данных с дальнейшей перспективой ее развития на основе i-net технологии приведена на рис. 1. Основу базы данных составляют следующие слои в масштабе 1:10 000:
- геологическая карта района, тектоническая карта, гидрогеологическая карта;
- карта гидросети и озер, кварталов населенных пунктов и техногенных объектов, а также рельефа;
- карта точек геохимического опробования почв и поверхностных вод.
С помощью модуля Spatial Analyst на этой основе были построены карты загрязнения почв 9-ю элементами (Zn, Cu, Cr, Mn, Cd, Pb, As, Ni, Co). Далее были построены карты загрязнения почв указанными элементами в относительных долях ПДК. Пример такой карты приведен на рис. 2.
Рис. 2. Карта содержания в почве Zn в долях ПДК.
Для приведения данных к удобному для анализа виду была использована стандартная методика экспертного анализа. Весь интервал изменения какой-либо характеристики разбивался на три части, соответствующие крайне неблагоприятной экологической обстановке (1 балл), относительно благоприятной (3 балла) и промежуточной (2 балла). Производная карта экспертного ранжирования исследуемой территории показана на рис. 3.
Рис. 3. Карта ранжирования территории, подключен слой ранжирования по расстоянию до зон тектонических разломов.
Результатом работ стали 12 слоев карты оценки территории по каждому из анализируемых факторов. Для общей экспертной оценки района эти слои были суммированы и получена окончательная карта комплексной оценки района по 13 факторам (рис. 4). Необходимо отметить, что в общем случае она не является строгой оценкой, когда необходимо рассматривать ряд независимых друг от друга статистических параметров. Но даже из этого примера видно, что на основе проведенных исследований можно наметить участки для постановки детальных работ по изучению динамики распространения тяжелых металлов поверхностными водостоками и подземными водами.
Рис. 4. Карта оценки геоэкологической устойчивости района по 13 факторам.
Заключение
Основная проблема, возникшая в ходе работ и требующая решения в дальнейшем, заключается в сложности выработки шкалы экспертной оценки для слоев «геология» и «гидрогеология» для ранжирования по трехбалльной шкале литологических типов пород и их гидрогеологических свойств.
Одним из промежуточных результатов работ стала также схема территории города и прилегающих районов вплоть до Аргазинского водохранилища, на которую нанесена дополнительная экологическая информация (рис. 5). Эта схема пригодна для прогноза наиболее вероятных направлений распространения экологически опасных элементов.
Рис. 5. Схема прогнозирования основных направлений переноса токсичных элементов.
Было выделено 3 района, подверженных наибольшему загрязнению и наиболее близко расположенных к объектам, ускоряющим процесс их переноса в окружающую среду (реки, озера, наибольший уклон рельефа, тектонические разломы). На эти участки необходимо обратить особое внимание при реабилитации территории города. Рекомендации были переданы администрации Карабаша, которая оказывала всестороннюю поддержку нашим работам.
