Природные условия и геоэкологическая характеристика района хвостохранилища Кошкарата

1.1 Физико-географические условия

Хвостохранилище Кошкарата находится в одноимённой естественной, бессточной впадине в 8 км восточнее побережья Каспийского моря и в 4-5км от северных микрорайонов г. Актау Республики Казахстан (рисунок 1.1)

Хвостохранилище Кошкарата располагается в прибрежной равнинной части Мангышлакского полуострова. Одноимённая впадина представляет собой вытянутую в меридиональном направлении замкнутую бессточную котловину. Дно впадины, сложенное солями, илами, суглинками, находится на глубине с отметкой -38 м. Борта имеют различную высоту с относительными превышениями над уровнем моря до 8 метров с западной стороны и сложены песками, супесями, суглинками. На западе и северо-западе по берегам впадины отмечаются эоловые пески.

1.2 Климатическая характеристика

Район относится к зоне пустынь и полупустынь. Климат района формируется в результате смешивания континентальных тропических и полярных воздушных масс в зависимости от развития и перемещения атмосферных образований.

Незамерзающее Каспийское море оказывает заметное влияние на сезонную смену преобладающих ветров.В холодное время года более холодные массы воздуха перемещаются из пустыни в сторону Каспийского моря и тогда господствуют ветры восточных и юго-восточных направлений. В тёплое время происходит обратный процесс, и преобладают ветры северных и северо-западных направлений.

Среднегодовая скорость ветра составляет 3, 2 м/сек.

Характерной особенностью региона является очень высокая засушливость и резкая континентальность, которые обуславливают большую контрастность между температурой зимы и лета, а также дня и ночи. Среднегодовая температура атмосферного воздуха равна +10, 4⁰С, максимальная температура +41⁰С, минимальная -27, 5⁰С. Среднемесячная температура атмосферного воздуха в полдень самого жаркого месяца (июль) составляет +24, 6⁰С, в самый холодный месяц (январь) – -2, 6⁰С. Безморозный период района составляет в среднем 302 дня в году. При этом наибольшую повторяемость (16, 6%) имеют температуры в интервале от 20⁰С до 25⁰С.

Район характеризуется полупустынным климатом с годовым количеством осадков, не превышающим 150-200 мм/год. Основное количество осадков приходится на зиму, весну и осень. Дожди могут выпадать в любом месяце со средним числом дней в месяц 3-4 дня. Наибольшее количество осадков составило 172 мм/год; наименьшее - 65, 4 мм/год. Отмечается значительный дефицит влажности, что обусловливает вместе с сухими ветрами высокую испаряемость с поверхности. Суммарная величина испаряемости в летний период в 10 раз превышает сумму выпадающих атмосферных осадков.

1.3 Инженерно-геологические условия

В геологическом строении района хвостохранилища отмечается 3 разновозрастных горизонта осадочных пород, являющихся водоносными горизонтами с различной степенью обводнённости (сверху вниз):

· отложения четвертичного возраста (Q_III+IV), представленные песками, супесями, суглинками, глинами и гравелитами при доминирующем развитии песчанистых пород общей мощностью до 5-15 м;

· отложения неогенового возраста (N₁ kn+s), представленные глинами с прослоями мергелей конского и сарматского ярусов. Падение неогеновой толщи в западном направлении;

· отложения палеогенового возраста (P₃ kr), представленные только глинами карагиинской свиты, средняя подсвита которой представлена битуминозными глинами с сульфидами железа, костным и растительным детритом и является рудовмещающей для месторождений Меловое и Томак.

1.4 Гидрогеологические условия

В гидрогеологическом плане можно отметить отсутствие в районе хвостохранилища постоянных водотоков. Приток воды в пруд хвостохранилища осуществлялся, в основном, по 2-м водотокам (ручьям):

1. Ручей в южной части Кошкараты вытекает со стороны лотка, по которому осуществлялись сбросы комбината (ПГМК), далее специально было вырыто вокруг рекультивированной части ПЗРО искусственное русло ручья, которое в дальнейшем огибало пляжную часть хвостохранилища с восточной стороны до его впадения в озеро.

2. Другой водовод протекает вдоль западного берега, вблизи недостроенных очистных сооружений и представляет собой неочищенные хозяйственно-бытовые сточные воды.

1.5 Геоэкологическая хараткристика района

Впадина Кошкар-Ата используется в качестве хвостохранилища с 1965 г. Хвостохранилище вмещает:

- хвостовые отходы обогащения и другие отходы химико-металлургического производства (ХГМЗ), образованные путем сернокислотного разложения уранового и фосфатного сырья,

- сбросные воды серно-кислотного завода (СКЗ),

- хозяйственно-бытовые сточные воды верхних микрорайонов г. Актау

До 1994 г. на ХГМЗ производилась переработка местной фосфоросодержащей урановой руды и апатитового концентрата с Кольского полуострова. В твердой фазе отходов этого периода концентрация радия (1, 5-3, 1)* 10^-8 Ки/кг, урана – до 70 мг/кг. В жидкой фазе - радия (0.15 - 1, 1)*10^-11 Ки/дм³, урана - 0, 018 - 0, 03 мг/кг.

Отходы переработки фосфоритов Каратауского месторождения не имеют радиационного загрязнения, но являются частично токсичными (4 класс опасности).

Промышленные отходы СКЗ, образовавшиеся после переработки серного колчедана, для выработки серной кислоты, представлены пиритными огарками, содержащими до 47 -55% железа, 18 - 24% кремнезема и в малых количествах другие элементы: серу, цинк, свинец, золото, серебро, селен, кобальт, мышьяк. Складированы они в юго-восточной части хвостохранилища, в пределах зоны его санитарной охраны, в двух огаркохранилищах, занимающих территорию площадью 220га.

Отходы в виде пульпы или сбросных вод подавались в хвостохранилище с одной стороны – в южной части озера. Постоянная подача складируемого материала с одной позиции привела к образованию 1986-1987 годах надводной части твердых отложений в этой части хвостохранилища - так называемого " пляжа".

По характеру распределения отложений материала отходов в хвостохранилище можно выделить три зоны.

Первая зона представляет собой основной объем сброшенных твердых отходов производства. Располагается в самой южной части хвостохранилища и представлена областью надводных отложений с достаточно равномерным пологим уклоном. В составе отложений преобладают мелкие песчаные (37%) и крупные пылеватые фракции (48, 8%).

Вторая зона является продолжением первой и формируется в подводных условиях с переменным уклоном от 0, 003 до 0, 001. В составе отложений преобладают крупные пылеватые фракции (до 80%).

Третья зона, являясь продолжением второй, представлена в основном мелкими пылеватыми фракциями (> 60%). Ее отложения характеризуются повышенными содержаниями радионуклидов и тяжелых металлов. Формирование отложений происходит в результате взмучивания и осаждения взвесей мелких фракций складируемого материала. Эти отложения (мощностью до 0, 8 м) сосредоточены в плоской части днища хвостохранилища и по бортам впадины (0, 05 – 0, 30 м).

В связи с постоянным снижением уровня водной фазы в последние годы, площадь обнаженных донных отложений, являющихся источником токсичной пыли, увеличивается.

Основную массу из хранящихся в хвостохранилище отходов составляют радиоактивные отходы. Масса отходов составляет 105 млн. тонн с суммарной активностью около 11000 Кюри. Твердые отходы представлены в виде пылеватого материала, состоящего из фосфогипса, фосфомела и содержат ²²⁶Rа и ^{238, 235}U (1.5-3.1)*10^-8 Ки/кг и до 70 мг/кг, соответственно.

Все твердые отходы, размещенные в районе хвостохранилища, в своем составе содержат до 50% пылевых частиц, легко переносимых в атмосферном воздухе в сухом состоянии даже при слабых ветрах. По данным наблюдений прошлых лет установлено, что даже при достаточно высоком уровне жидкой фазы отходов и при постоянном поливе огаркохранилищ, содержание пыли в атмосферном воздухе в районе хвостохранилища (по данным ЦЛООС) составляло 0, 5-1, 0 мг/м³, столько же, сколько в районе г. Актау. При этом пыль района хвостохранилища характеризуется большей степенью опасности, так как содержит целый ряд высокотоксичных элементов. В последние годы, в связи с падением уровня водной фазы отходов в хвостохранилище, возможность загрязнения атмосферного воздуха пылью отходов различной степени токсичности и радиоактивности резко возросла.

Жидкая фаза отходов, размещенных в хвостохранилище, представляет собой рассол, образованный за все время эксплуатации хвостохранилища, в результате концентрации минеральных солей при постоянном испарении с поверхности накапливаемых промышленных стоков.

Экологическую нагрузку на территорию оказывают следующие контуры (контуры представлены на карте, рисуврисры предстьавлены на картеисунии составляют следующие контуры (рисунок):

Контур I – участки эоловых песков, обрамляющих хвостохраилище с запада;

Контур II – гипсо-солевая корка, занимающая значительную площадь дна хвостохранилища;

Контур III – корка гипсо-фосфтного состава, имеющая широкое распространение в пределах хвостохранилища;

Контур IV – участкам распространения тонко- и мелкозернистых песков тёмной, буро-коричневой окраски;

Контур V – сброшенные отходы бывшего Серно-кислотного завода,

так называемое «огарковое» поле;

Контур VI – чисто солевые отложения вдоль береговой части водной поверхности озера, значительные площади которых развиты, в основном, в северо-восточной части и узкой полосой располагаются вдоль западного берега.

Территория хвостохранилища ограждена рвом, выкопанным с целью максимального препятствия для людей и скота на территорию хвостохранилища (рисунок 1.2). Вдоль рва проставлены знаки радиационной безопасности.

На территории хвотосхранилища имеется железобетонный пульпопровод, проходящий от завода ХГМЗ до начала рекультивированного в 2008 году пункта захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО). Сам пульпопровод значительно изношен и фактически превращён не только сам, но и всё, что вокруг него, в несанкционированные свалки ТБО, вдоль которых промышляет местное население в поисках цветного и чёрного металла для сдачи в пункты приёма (рисунок 1.2).

К югу от хвостохранилища расположены г.Актау, п. Приозёрный, дачные массивы, частный жилой сектор, новостройки и промзона.

Рисунок 1.2 Схема экологической нагрузки территории хвостохранилища

2 Обзор, анализ и оценка ранее проведенных работ

С целью оценки воздействия хвостохранилища на окружающую среду различными организациями в разные годы проводились исследования общего состояния в районе хвостохранилища и, в частности, пыления токсичных и радиоактивных отходов с образовавшихся «пляжей».

2.1 Данные мониторинга хвостохранилища Кошкарата, проводимого АО «Волковгеология»

В 2007-2008, 2010 годах исследования проводились АО «Волковгеология».

В 2010 году АО «Волковгеология» был выполнены приближенный расчет «усыхания» водной поверхности хвостохранилища Кошкарата. Динамика сокращения водной поверхности хвостохранилища за период 1992-2010г.г представлены на рисунке 2.1 и в таблице 2.1. Резкое сокращение водной поверхности хвостохранилища произошло после остановки производства на ХГМЗ в 1994 году. Ещё в 1996г. площадь составляла 71, 1 км², тогда как в 2000 г. она составила уже 46, 5 км² (осушенная площадь – 24, 6 км² за 4 года). За период 2007-2010 гг. оголение хвостовых отложений составила 6 кв. км, а общая площадь осушения хвостохранилища со времени максимального уреза воды составила 61 км².

Рисунок 2.1 Карта динамики сокращения водной поверхности хвостохранилища (1992-2010 гг.) []

Таблица 2.1 Динамика сокращения водной поверхности хвостохранилища Кошкарата []

При мониторинге хвостохранилища Кошкарата контролировалось загрязнение приземного слоя атмосферы, как на самом хвостохранилище, так и на северо-восточном, юго-восточном и юго-западном направлениях от хвостохранилища в сторону населенных пунктов. Семь точек отбора проб 2010 года совмещены с точками отбора проб 2007, 2008 годах. Результаты измерений представлены на рисунках 2.2 и 2.3.

Среднее содержание пыли в воздухе по профилю Акшукур-Мангистау в 2007г. составило 0, 14мг/м³, в 2008г – 0, 19мг/м³, а в 2010г – 0, 38 мг/м³ (без учета ураганного измерения на черном пляже). Т.е. наблюдается увеличение запыленности территории. Однако по данным за 2011 год среднее содержание пыли в водздухе составило 0, 24 мг/м³, т.е. запыленность по этому профилю уменьшилась примерно в 1, 5 раза по сравнению с 2010 годом. Это объясняется средней скоростью ветра, которая уменьшилась на этом профиле по сравнению с предыдущим годом примерно в 1, 3 раза.

По данным за 2010 год идет повышение содержания пыли в приземном слое атмосферы, особенно содержания возросли на участке, называемом «Черный пляж». Уровень значений удельной альфа-активности воздуха возрос по сравнению с 2007 годом, но в сравнении с 2008 годом в среднем сохранился на том же уровне. По данным за 2011 год уровень значений удельной альфа-активности воздуха сохраняется.

Рисунок 2.2 График среднего содержания пыли в воздухе по данным измерения в 2007, 2008, 2010, 2011 годах.

Рисунок 2.3 График средней удельной альфа-активности воздуха по данным измерения в 2007, 2008, 2010, 2011 годах.

По данным исследований АО «Волковгеология»:

- наиболее интенсивным источником пыления является Черный пляж, где разовая концентрация взвешенных частиц может превышать в несколько раз максимально разовую концентрацию;

- по профилю Акшукур-Мангышлак запыленность атмосферы в 2010 году в сравнении с 2008 годом возросла в 2 раза, но несмотря на это, расчетные дозовые нагрузки на население не превысили предельный допустимый уровень 1 мЗв в год от техногенного источника.

Для определения содержаний радионуклидов и микроэлементного состава оседающих примесей из атмосферы на поверхность применялись сборники радиоактивных выпадений, получившие наименование «планшеты», которые экспо­нировались на местности в течение 15 дней. Были размещены 2 планшета, один в пределах осушенной части хвостохранилища в 1200 м южнее современной береговой линии и второй к ЮВ от хвостохранилища за его пределами. Все планшеты проанализированы на суммарную альфа-активность и химические элементы. Установка «планшетов» 2007, 2008 и 2010 годов была той же самой. Результаты определения альфа-активности показаны на рисунке 1.3.4. В 2010 году пыление усилилось на площадке А на 125% и на площадке Б на 287%.

Рисунок 2.4 График результатов определения альфа-активности на планшетах по данным измерения в 2007, 2008, 2010 годах.

В 2010 и 2011 годах проводились анализы химических элементов в оседающих частицах на «планшетах» и в грунтах, на которых устанавливались «планшеты». Результаты анализов представлены на рисунке 2.5 и 2.6. Величина концентраций химических элементов в оседающих частицах на планшетах находится в прямой зависимости от их концентраций в грунтах. Чем выше концентрация химического элемента в грунтах, тем выше концентрация этого элемента в оседающей пыли на планшете. Отношения концентраций на планшетах к концентрациям в почвах в 2011 году ниже, чем в 2010 году.

Рисунок 2.5 Результаты измерений концентраций химических элементов планшетных и грунтовых пробах по данным измерения за 2010 год.

Рисунок 2.6 Результаты измерений концентраций химических элементов в планшетных и грунтовых пробах по данным измерения за 2011 год.

В процессе работ при проведении полевых маршрутов отбирались пробы почв и грунтов для аналитических исследований. Пробы проанализированы на суммарную альфа-активность, выполнен химанализ на pH, плотный остаток, методом ICP-MS определены основные тяжелые металлы и токсиканты, 20 проб в северо-восточной части от хвостохранилища были проанализированы на гамма-спектрометрический анализ.

Пробы грунта и почв были сгруппированы в соответствии с зонами дешифрирования. По каждой группе были рассчитаны средние значения концентраций химических элементов, определенных масс-спектрометрией и рентгеноспектральным флуоресцентным анализом, суммарной удельной альфа-активности радиометрическим анализом. Для района хвостохранилища Кошкарата наиболее характерно уверенное превышение фоновых содержаний Сr, Co, Ni, Sr, Zn, Th и U. Так же был рассчитан индекс концентрации (загрязнения) химических элементов для всего набора химических элементов.

В процессе полевых работ 2010 и 2011 годов было отобрано 5 проб воды, места их отбора совпадают. Анализы выполнены на определение общей альфа-активности радиометрическим методом, радионуклидов – методом ГСА, химических токсикантов – масс-спектрометрией, общего химического состава – сокращенным химическим анализом (СХА).

Значения по каждому элементу определялись в долях ПДК, а их сумма представляет собой индекс загрязнения каждым элементом. Сравнение значений содержаний индекса загрязнения представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Сравнение результатов анализа воды 2010-2011 гг (примечание: желтым цветом выделены значения выше ПДК). []

В 2011 году, как и в 2010 году при проведении полевых работ было отобрано 4 пробы растительности. Все пробы проанализированы на гамма-спектрометрический анализ и суммарную альфа-активность

По сравнению с 2010 годом удельная альфа-активность растительности в 2011 году практически осталось на прежнем уровне, за исключением пробы № 1005, альфа-активность которой по сравнению с 2010 годом повысилась в 6, 5 раз, что согласуется с высоким содержанием Ra 226 в этой пробе (157 Бк/кг) по данным гамма-спектрометрического анализа.

При сравнении альфа-активности на фоновой точке (п. Акшукур) с остальными точками также выделяется только проба № 1005, альфа-активность которой превышает фоновую в 4, 2 раза. В остальных 3-х пробах уровень альфа-активности не превышает фоновый.

3 Общая и геоэкологическая характеристика объекта работ

АО «Волковгеология» филиал ЦОМЭ в 2011 году сделали выводы об экологических критериах оценки земли на территории хвостохранилища опираясь на Постановлением Правительства РК от 07.07.2007 года за №581 о экологических критериях оценки земель. Эти данные представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Экологические критерии территории хвостохранилища

Согласно таблице 3.1 можно сделать следующие выводы, что по сравнению с 2007 годом:

1. более чем в 2, 5 раза увеличилась площадь «пляжных» песков;

2. площадь гипсо-солевой корки в 1, 5 раза сократилась, что можно объяснить её размыванием осадками и сносом в центральную часть сора;

3. за счёт сокращения гипсо-солевой корки и водной поверхности резко увеличилась площадь гипсо-фосфатной корки - более чем в 3 раза;

4. наиболее пылящими объектами являются «пляжи и зона распространения черных, а также так называемое «огарковое» поле.

По мониторинговым наблюдениям специалисты АО «Волковгеология» делают следующие выводы:

1. Наиболее пылящими объектами хвостохранилища Кошкарата являются пляжные пески в северо-западной части хвостохранилища, «черные» пески в восточной его части и так называемое «огарковое поле». Степень деградации на них – до 80%.

2. Осушение хвостовых отложений продолжается, особенно это нежелательно в южной части сора, где сосредоточены основные объемы хвостовых отложений.

3. Исследования загрязнения атмосферы химическими элементами – токсикантами посредством использования марлевых планшетов показали, что концентрации загрязнителей в золе планшетов коррелируются с содержаниями этих элементов-загрязнителей в почвах.

4. Основными загрязняющими химическими элементами почв являются уран, медь, молибден и цинк. Среди значимых загрязнителей отмечаются кобальт, никель, торий, хром и свинец. По уровню загрязняющих веществ хвостохранилище может быть условно отнесено к зоне экологического бедствия, а прилегающие территории к зоне с чрезвычайной экологической ситуацией.

5. На северо-восточном направлении от контура водной поверхности проявился обширный участок химического и радиоактивного загрязнения на площади 22 км². По данным 2011 года, показатель химического загрязнения составляет 52, а величина удельной альфа-активности грунтов и почв достигает 3900 Бк/кг при фоновых содержаниях 300-500 Бк/кг. Этот участок следует относить к зоне чрезвычайной экологической ситуации.

6. Высокая радиоактивность вод сора подтверждается. Активность Ra226 превышает уровень вмешательства более чем в 3 раза. Этот уровень не превышает уровня для жидких радиоактивных отходов, однако при осушении сора грунты окажутся загрязненными радием и ураном. Все воды, из которых отобраны пробы, не пригодны для питьевого и хозяйственного использования, в них превышены практически все контролируемые нормативы для питьевых вод. Воды сора Кошкарата следует относить к разряду рассолов.