Совершенствование методов оценки загрязнения экосферы от горнопромышленных отходов с использованием математического аппарата

Изложены результаты исследования проблемы техногенного загрязнения экосистемы с использованием математического аппарата. Изучение этих вопросов проведено в границах влияния природно-горномышленной системы, сформированной деятельностью закрытого в настоящее время горного предприятия «Хрустальненский ГОК» в Приморском крае Дальневосточного федерального округа РФ. Интенсивное техногенное загрязнение окружающей среды обусловлено освоением оловянных руд и накоплением большого количества отходов переработки, складированных в хвостохранилище «Высокогорское», объекте нашего исследования, расположенного на площади 17 га, изъятых из фонда лесных земель, с объемом отходов более 1 млн т. Аналитический обзор данных из литературных источников свидетельствует о слабой изученности проблемы геоэкологической оценки влияния техногенной системы на окружающую среду с использованием математического моделирования. В связи с этим целью исследования является оценка техногенного загрязнения экосферы в границах влияния природно-горнопромышленной системы с применением математического аппарата для снижения негативного воздействия этого влияния. Показано, что образующиеся ореолы и потоки загрязняющих веществ распространяются природными миграционными механизмами и происходит техногенное загрязнение экосистем, в том числе почв, и ухудшение качества среды обитания. Высокие концентрации валовых форм соединений тяжелых металлов, превышающие фоновые содержания и предельно допустимые концентрации (ПДК) от 3 до нескольких сотен раз, обнаружены в почвах, в границах влияния отходов хвостохранилища. Доказано, что чрезвычайная сложность почв и недостаточность изученности механизмов многих происходящих в них процессов сдерживают изучение закономерностей распространения в них загрязняющих веществ (ЗВ). Поэтому для исследуемого района была сформулирована и решена абстрактная задача накопления токсичных элементов в почвенном покрове, как в растворимых, так и в нерастворимых формах с использованием математического аппарата. Изучение процесса переноса и накопления ЗВ с использованием математического аппарата показывает, что их концентрация в почвах непостоянна и находится в прямой зависимости от времени. Проведенные расчетные эксперименты позволяют утверждать, что снижение, например, концентрации соединений Zn в почвах до уровня ПДК в районе исследования произойдет через 20 лет после поступления загрязняющих веществ в почвы.

Колобанов К. А., Филатова М. Ю., Бубнова М. Б., Ромашкина Е. А. Совершенствование методов оценки загрязнения экосферы от горнопромышленных отходов с использованием математического аппарата // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 4. – С. 85–99. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_4_0_85.

Публикация выполнена при поддержке Государственного задания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности ФГБОУ ВО Тихоокеанский государственный университет, проект научной тематики, шифр 0818-2020-0004.

Колобанов Константин Александрович^1,2 — аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: kolobanov.92@mail.ru,
Филатова Мария Юрьевна^1,2 — ведущий инженер, младший научный сотрудник,
Бубнова Марина Борисовна — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Дальневосточного отделения РАН,
Ромашкина Екатерина Анатольевна¹ — канд. биол. наук, доцент,
¹ Тихоокеанский государственный университет,
² Дальневосточный научно-исследовательский институт лесного хозяйства.

Колобанов К.А., e-mail: kolobanov.92@mail.ru.

1. Oparin V. N., Potapov V. P., Giniyatullina O. L., Bykov A.A., Schastlivtsev E. L. Integrated monitoring of induced air pollution in mining regions // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No 5. Pp. 945—953. DOI: 10.1134/S1062739117052982.

2. Крупская Л. Т., Зверева В. П., Леоненко А. В. Особенности экологического мониторинга изменения объектов окружающей среды в процессе золотодобычи / Materialy IX Mezinarodni Vedecko-Prakticka Conference «Moderni Vymozenosti Vedy–2013». 2013. Pp. 67—76.

3. Зверева В. П., Костина А. М., Коваль О. В. Техногенное минералообразование как показатель экологического состояния оловорудных районов Дальнего Востока // Горный журнал. — 2009. — № 4. — С. 41—43.

4. Крупская Л. Т., Мелконян Р. Г., Зверева В. П., Растанина Н. К., Голубев Д. А., Филатова М. Ю. Опасность отходов, накопленных горными предприятиями в Дальневосточном федеральном округе, для окружающей среды и рекомендации по снижению риска экологических катастроф // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 12. — С. 102—112. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-0-102-112.

5. Bubnova M. B., Ozaryan Y. A. Integrated assessment of the environmental impact of mining // Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52. No 2. Pp. 401—409.

6. Пуртова Л. Н., Костенков Н. М., Верхолат В. П. Почвенно-растительный мониторинг на техногенных ландшафтах Приморья (на примере рекультивируемых участков угольных шахт) // Фундаментальные исследования. — 2013. — № 11. — С. 108—114.

7. Крупская Л. Т., Мелконян Р. Г., Майорова Л. П., Голубев Д. А. Экологической реабилитации территорий, подвергшихся воздействию объектов накопленного экологического ущерба (хвостохранилищ) в результате прошлой хозяйственной деятельности бывших горных предприятий в Дальневосточном федеральном округе (ДФО) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 4. — С. 5—15.

8. Месяц С. П., Остапенко С. П. Методический подход к мониторингу восстановления нарушенных земель горнопромышленной отрасли по данным спутниковых наблюдений // Горная промышленность. —2018. — № 6 (142). — С. 72—75. DOI: 10.30686/1609-91922018-6-142-72-75.

9. Липина Л. Н., Бубнова М. Б., Усиков В. И. Использование дистанционного зондирования земли для оценки геоэкологической ситуации в горнорудных районах Дальневосточного региона // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № S23. — С. 517—524.

10. Усиков В. И., Липина Л. Н., Бубнова М. Б., Озарян Ю. А. Картографическая база данных MI-FE GIS. Свидетельство о регистрации базы данных 2019620201 РФ. 31.01.2019.

11. Idrees M., Jan F.A., Ara A., Gulab H. Analysis and human health risk from selected heavy metals in water, sediments and freshwater fish (Labeo rohita, Cyprinus carpio, Glyptothorax punjabensis) collected from three rivers in district Charsadda, Khyber-Pakhtunkhwa, Pakistan // Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences. 2017. Vol. 12. No 2. Pp. 641—648.

12. Zhe Zhu, Junxue Zhang, Zhiqiang Yang, Aljaddani A. H., Cohen W. B., Shi Qiu, Congliang Zhou Continuous monitoring of land disturbance based on Landsat time series // Remote Sensing of Environment. 2020, Vol. 238. Article 111116. DOI: 10.1016/j.rse.2019.03.009.

13. Gomez-Sagasti M. T., Alkorta I., Becerril J. M., Epelde L., Anza M., Garbisu C. Microbial monitoring of the recovery of soil quality during heavy metal phytoremediation // Water Air Soil Pollut. 2012. Vol. 223. Pp. 3249—3262. DOI: 10.1007/s11270-012-1106-8.

14. Bhargava A., Srivastava A., Mukherjee R. On a mathematical model involving I-function for studying the effect of environmental pollution // Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section A: Physical Sciences. 2017. Vol. 87. No 1. Pp. 19—21. DOI: 10.1007/ s40010-016-0319-4.

15. Ardejani F. D., Shokri B. J., Moradzadeh A., Soleimani E., Jafar M. A. A combined mathematical geophysical model for prediction of pyrite oxidation and pollutant leaching associated with a coal washing waste dump // International Journal of Environmental Science and Technology. 2008. Vol. 5. No 4. Pp. 517—526.

16. Hatje V., R. M.A. Pedreira, de Rezende C. E., Augusto C., Schettini F., de Souza G. C., Marin D. C., Hackspacher P. C. The environmental impacts of one of the largest tailing dam failures worldwide // Scientific reports. 2017, Vol. 7. Article 10706. DOI: 10.1038/s41598-017-11143-x.

17. Liu R., Liu J., Zhang Z., Borthwick A., Zhang K. Accidental water pollution risk analysis of mine tailings ponds in Guanting Reservoir Watershed, Zhangjiakou City, China // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2015. Vol. 12. No 12. Pp. 15269— 15284. DOI: 10.3390/ijerph121214983.

18. Phillips J. Applying a mathematical model of sustainability to the Rapid Impact Assessment Matrix evaluation of the coal mining tailings dumps in the Jiului Valley, Romania // Resources, Conservation and Recycling. 2012. Vol. 63. Pp. 17—25. DOI: 10.1016/j.resconrec.2012.03.003.

19. Трубецкой К. Н. Решение проблем экологически сбалансированного освоения месторождений открытыми геотехнологиями // Горный журнал. — 2018. — № 6. — С. 71—76.

20. Качурин Н. М., Стась Г. В., Калаева С. З. К., Корчагина Т. В. Геоэкологическая оценка эффективности защиты окружающей среды и природоохранительных мероприятий при подземной добыче угля // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2016. — № 3. — С. 63—81.

21. Krupskaya L. T., Zvereva V. P., Panfilov O. O. Estimation of environment pollution in zone of tailing dump influence in the south Far East of Russia and necessity of monitoring organization // WIT Transactions on Engineering Sciences. 2014. Vol. 88. Pp. 499—504.

22. Gula K. E., Korneeva N. I., Krupskaya L. T., Zvereva V. P., Golubev D.A., Pavlichenko A. V. Mathematical models of additional purification of sewage (in a form of pulp) on heavy metals using hydrophytes // Russian Journal of General Chemistry. 2015. Vol. 85. No 13. Pp. 2942—2944.

23. Khanam A. Phytoremediation. A green bio-engineering technology for cleanup the environmental contaminants // International Journal of Recent Scientific Research. 2016. Vol. 7. Pp. 9925—9928. DOI: 10.1134/S1070363215130113.

24. Emamverdian A., Ding Y., Mokhberdoran F., Xie Y. Heavy metal stress and some mechanisms of plant defense response // The Scientific World Journal. 2015. Article ID 756120. 18 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/756120.

25. Wolejko E., Wydro U., Loboda T. The ways to increase efficiency of soil bioremediation // Ecological Chemistry and Engineering. 2016. Vol. 23. Pp. 155. DOI: 10.1515/eces-2016-0011.

26. Шаров П. О. Загрязнение свинцом пос. Рудная Пристань и его влияние на здоровье детей. — Владивосток: Дальнаука, 2005. — 132 с.

27. Gifford F. Use of Routine meteorological observations for estimating atmospheric dispersion // Nuclear Safety. 1961. Vol. 2. No 4. Pp. 47—51.

28. Майорова Л. П., Крупская Л. Т., Черенцова А. А., Филатова М. Ю. Оценка экологической ситуации в границах влияния хвостохранилищ Дальнегорского района Приморского края // Экологическая химия. — 2018. — Т. 27. — № 6. — С. 317—327.

29. Kumpiene J., Desogus P., Schulenburg S., Arenella M., Renella G., Brдnnvall E., Lagerkvist A., Andreas L., Sjцblom R. Utilisation of chemically stabilized arsenic-contaminated soil in a land fill cover // Environmental Science and Pollution Research. 2013. Vol. 20. No 12. Pp. 8649—8662. DOI: 10.1007/s11356-013-1818-3.

30. Shrivastava A., Ghosh D., Dash A., Bose S. Arsenic Contamination in Soil and Sediment in India: Sources, Effects, and Remediation // Current Pollution Reports. 2015. Vol. 1. No 1. Pp. 35—46. DOI: 10.1007/s40726-015-0004-2.

31. Растанина Н. К., Крупская Л. Т., Голубев Д. А., Черенцова А. А. Оценка риска для здоровья населения, связанного с техногенным загрязнением от отходов бывшего горного предприятия «Хрустальненский ГОК» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 12. — С. 88—95. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-12-0-88-95.

32. Иванов Г. И. Особенности почвообразования на юге Дальнего Востока. — Новосибирск, 1973. — 45 с.

33. Качор О. Л. Разработка научно-практических основ ликвидации накопленного экологического ущерба от мышьяковистых отходов горно-перерабатывающей промышленности: Дис. … докт. техн. наук. — Иркутск: ИРНИТУ, 2019. — 407 с.

34. Качор О. Л. Разработка модели миграции мышьяка по почвенному профилю из накопленных отходов горно-перерабатывающей промышленности // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых. — 2019. — Т. 42. — № 2. — С. 144—150.

35. Ilin V. B., Syso A. I., Baidina N. L., Konarbaeva G. A., Cherevko A. S. Background concentrations of heavy metals in soils of southern western Siberia // Eurasian Soil Science. 2003. Vol. 36. No 5. Pp. 494—500.