В течение 1998 года кузбасские ученые и специалисты продолжили выполнение научно-исследовательских работ в области экологии, рационального природопользования, несмотря на экономические трудности. О результатах работы научно-исследовательских институтов и ряда организаций представлена информация в настоящей главе.

Кемеровский научный центр СОРАН

Экологическая карта Кемеровской области.

В Кемеровском научном центре СО РАН выполнена работа по комплексной оценке состояния биосферы Кузбасского регион. На экологической карте Кемеровской области выделены эколого-географические районы по принципу однородности природных условий и факторов техногенного воздействия. При экологическом районировании использованы материалы физико-географических, геоботанических, лесоводческих и почвенных исследований, на основании которых по каждому из выделенных районов в легенде карты приведена общая ландшафтная характеристика, основные виды техногенного воздействия, оценка нарушенности земной поверхности, почв и растительности, направления природоохранных мероприятий. Выделены территории, подвергнутые очень сильному техногенному воздействию практически по всем составляющим элементам окружающей среды, а именно: разрушению и деградации почвенного покрова, нарушению гидрологического режима и загрязнению подземных и поверхностных вод, загрязнению атмосферы промышленными выбросами, деградации естественной флоры и фауны, эти территории отнесены к Кемеровскому и Южно-Кузбасскому эколого-географическим районам. Границы максимального техногенного "пресса" на биосферу совпадают с границами этих районов. Это, примерно, 30% территории в пределах административной границы Кемеровской области, где проживает около 65-70% населения. Вторая группа районов (около 40% территории, 20-25% населения) испытывают достаточно высокую техногенную нагрузку от собственных предприятий и за счет переноса загрязнений с соседних территорий, однако высокая лесистость в значительной мере стабилизирует экологическую обстановку. И, наконец, третья группа эколого-географических районов (примерно 30% территории области, где проживает 5-10% населения) отнесены к удовлетворительным в экологическом отношении. Впервые на карте приведены контуры нарушенных горнодобывающими работами земель (подземным и открытым способом) с градацией их на рекультивированные, отработанные, требующие проведения рекультивации и неотработанные, где возможно проведение временной биологической рекультивации. На карту вынесены контуры деградирующих от атмосферного загрязнения лесов с подразделением на усыхающие, сильно ослабленные и ослабленные. Оригинальными элементами карты, не использованными в изданных экологических картах других регионов, является радиационная обстановка по распределению активности цезия ( Cs - 137 ) в поверхностном слое ненарушенных почв, а также эколого-гигиеническая ситуация в области, связанная с загрязнением окружающей cреды.

Комплексный территориальный кадастр природных ресурсов.

Основным структурным элементом управления природопользованием и охраной окружающей среды является система комплексного территориального кадастра природных ресурсов Кемеровской области (КТКПР), которая предназначена для обеспечения органов исполнительной власти и органов местного самоуправления достоверной информацией о состоянии природоресурсного потенциала и загрязнении природных сред сегодня и в доступном для научно обоснованного прогноза будущем. КТКПР является частью территориальной информационной системы и представляет собой государственный свод системно организованных данных о природных ресурсах и объектах, предназначенных для обеспечения принятия управленческих решений по обеспечению устойчивого развития региона.

КТКПР Кемеровской области создается на основе современных геоинформационных и телекоммуникационных технологий, что означает включение в него систем создания и поддержания цифровых кадастровых карт и планов, баз данных по учету природных ресурсов и загрязнения природных сред а также технических и программных средств для работы в различных режимах удаленного доступа. Таким образом КТКПР представляет собой распределенную информационную систему, ориентированную на различных потребителей информации. В состав КТКПР входят автоматизированные базы кадастров, ряд из которых уже разработаны и проходят опытную эксплуатацию: земельных ресурсов; водных ресурсов; лесных ресурсов; геоботанических ресурсов; животного мира; месторождений полезных ископаемых; атмосферных загрязнений и охраны атмосферного воздуха; промышленных и бытовых отходов. Структура типовой базы включает данные о качественной и количественной характеристике природного ресурса, ресурсопользователях, правовом статусе и экономической оценке природного ресурса. Доступ к базам и банкам данных осуществляется по сетям телекоммуникаций.

Экологический атлас Кемеровской области

Для решения крупномасштабных задач по управлению природными ресурсами и охране окружающей среды Кемеровской области разработана интегрированная информационная система основанная на использовании геоинформационных технологий – “Экологический атлас Кемеровской области” (в дальнейшем - АТЛАС). АТЛАС может рассматриваться как упрощенная модель КТКПР.

Разработанная система предназначена для сбора и хранения графической и семантической информации о состоянии окружающей природной среды и природных ресурсов Кемеровской области, а также для обработки этой информации с целью информационного обеспечения решения широкого класса задач по мониторингу, учету, планированию, распределению и финансовому регулированию в сфере использования природных ресурсов и платы за нарушение и загрязнения природных сред.

Система создана на основе ГИС-технологий и позволяет:

- формировать электронные карты местности на основе открытой для пополнения базы графических слоев с сохранением в суммарной карте всех семантических описаний имеющихся в слое объектов;

- устанавливать информационные связи между отдельными графическими объектами или их классами с семантической информацией, хранящейся в базах данных формата dBASE и PARADOX;

- создавать и/или подключать картографо-математические модели техно-природных явлений с визуализацией и сохранением результатов их работы в отдельном слое графической базы;

- проводить оперативную обработку и редактирование семантических и графических данных (с соблюдением всех требований по защите информации);

- формировать, оперативно просматривать и выдавать на печать нормативно справочную информацию в регламентированном стандартами и удобном для пользователя виде;

В настоящий момент система АТЛАС включает ряд подсистем, отражающих технологические аспекты обработки информации:

- подготовка цифровых тематических карт;

- редактирование карт, связь с семантической информацией и визуализация карт;

- связь с базами данных природоохранных и ресурсных организаций;

- связь с математическими моделями.

Для создания баз картографических данных используется системы TRACK (разработка Новосибирского государственного университета), позволяющая векторизовать сканеpные снимки карт, совмещать их по масштабам, коppектировать, формировать графические объекты различных типов и т.д. Cистема TRACK позволяет подключать готовые векторные изображения из форматов AutoCad и АRC/INFO и осуществлять обратные преобразования. Тем самым возможно использование утилит АRC/INFO для преобразований исходных данных из проекции в проекцию, геопривязки, для автоматического поиска ошибок цифрования и исправления последних.

Для формирования многослойных карт, их редактирования, информационной связи с семантическими базами данных и визуализации используется система СОКРАТ-ГЕО (разработка Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН). Первостепенное внимание при создании графической базы уделяется требованию конвертации накопленных карт в хорошо известные в мировой практике обменные форматы, что обеспечивает преемственность и позволяет производить некоторую трудоемкую обработку информации в других системах, а результаты обработки передавать обратно в атлас. Система СОКРАТ-ГЕО представляет собой программный комплекс, состоящий из картографического визуализатора и картографического редактора. Комплекс позволяет связывать объекты цифровой карты с атрибутивными данными, хранящимися в базах данных СУБД PARADOX и dBASE. Комплекс поддерживается развитым генератором условных обозначений, модулем вывода на печать и т.д.

Отработка программных узлов совместного функционирования ГИС и математических моделей полевого типа осуществлена на базе пакета прикладных программ АТМОСФЕРА (разработан НПФ ЛОГОС, г.Новосибирск). Данный пакет предназначен для решения широкого класса атмосфероохранных задач, обязательных при экспертизе проектов и разработке томов предельно-допустимых выбросов (ПДВ). Начиная с 1990 г. пакет регулярно тестируется в ГГО им. А.И.Воейкова (г.Санкт-Петербург) на соответствие нормативной методике расчета приземных концентраций ОНД-96 и рекомендован Минэкологией России для проектных работ. Кроме того, в расширенный пакет включаются блоки расчета кратковременных и среднегодовых концентраций по модели Гауссовского факела. На базе пакета АТМОСФЕРА создан специализированный расчетный комплекс, позволяющий автоматизированно обмениваться с системой СОКРАТ-ГЕО координатами источников, расчетными зонами и результатами расчетов.

Источники, размещенные графически на карте автоматически создаются в базе данных. Также графически выбирается расчетная область. Далее управление передается в пакет АТМОСФЕРА, где назначаются тип, высота и эмиссионные параметры источников, задаются метеорологические параметры (скорость, направление ветра и т.д.) и запускается расчет. По значениям поля приземных концентраций в узлах сетки автоматически создается слой карты с изолиниями и источниками в формате СОКРАТ-ГЕО. Слой может быть добавлен к любой другой карте. Параллельно с расчетом могут быть созданы и отпечатаны требуемые нормативными документами отчетные таблицы, включая бланк платы за выброс.

Результаты, полученные на основе АТЛАСА.

На основе АТЛАСА решен ряд научно-практических задач, среди которых наиболее интересными являются:

- сопоставление расчетного среднегодового распространения пылевых вы-бросов от промышленных объектов Кузбасса с данными о потемнении снегового покрова, полученными на основе космосъемки;

- расчетная оценка переноса кислотообразующих примесей от крупных городов Кузбасса и сопоставление полученных зон влияния с очагами деградации лесных массивов;

- автоматизированное определение участков земной поверхности и подземных вод Кемеровской области, имеющих нарушения в результате горных работ;

- осуществление двусторонней связи графических объектов на картах с символьно-цифровой информацией из баз данных, созданных и эксплуатируемых в областных природоохранных и ресурсных комитетах.

- предварительная экологическая экспертиза территории Ерунаковского угольного месторождения с точки зрения землепользования и загрязнения атмосферного воздуха;

Далее кратко проиллюстрируем решения перечисленных задач.

Загрязнение атмосферы.

Промышленные города Кемеровской области сконцентрированы в центральной части вдоль вытянутой с юга на север линии. Развитые в городах угледобывающая, химическая, металлургическая промышленность и энергетика являются мощными источниками загрязнения атмосферы. Информация о суммарных выбросах в атмосферу по основным и ряду специфических примесей обобщается в областном комитете по экологии и хранится в базе данных, к которой средствами АТЛАСА организован доступ с карты “Охрана атмосферного воздуха”. Выбросы по всем учтенным городам области перенесены в базу исходных данных программы АТМОСФЕРА . Для расчетов на масштабе области города представлены агрегированными площадными источниками. Индивидуально заданы только мощные трубы высотой более 100 м. Местоположение источника указывается непосредственно на карте курсором, после чего система запрашивает его уникальный код и создает источник с заданными координатами в базе данных АТМОСФЕРЫ. После добавления остальных параметров ( высота трубы или размеры пылящей площадки, объем выброса его температура и т.д.) АТЛАС передает управление в АТМОСФЕРУ , которая производит расчеты при заданных метеопараметрах и формирует табличные данные установленной формы. На основе файла со значениями расчетного поля приземных концентраций могут быть построены изолинии и преобразованы в отдельный слой цифровой карты. Количество уровней, их значения и цвет соответствующих изолиний можно оперативно корректировать (рис.1,2).

Для расчетов среднегодовых концентраций по данным стандартных метеорологических наблюдений на метеостанциях Кузбасса построена многолетняя совместная частотная функция скорости ветра, направления ветра и состояния устойчивости атмосферы (аналог розы ветров). Расчет проведен в узлах сетки, покрывающей территорию области с шагом 5000 м.

По результатам модельных расчетов максимальных разовых (т.е. осредненных за 20 минут) концентраций для суммы окислов азота и сернистого ангидрида цифровой слой с расчетными изолиниями может быть добавлен к любой карте АТЛАСА, но наиболее интересным представляется его совмещение со слоем деградировавших лесных массивов. Суммарный факел от южных городов Кузбасса при преобладающем направлении ветра (юго-западная четверть) накрывает леса Кузнецкого Алатау уровнем в 5% от максимально-разовой ПДК для человека, что с учетом эффектов накопления в хвое и выпадения с осадками может рассматриваться как одна из причин деградации лесов.

В последнее время в КТКПР появились данные по индивидуальным источникам загрязнения г. Кемерово, что позволило оценить применимость агрегированного представления источников и по анологии подкорректировать метод агрегирования для других городов. Естественно, внутри города такого рода агрегирование дает значительные погрешности, однако для оперативной оценки границ влияния промышленных городов результаты представляются вполне приемлемыми. На рисунке 3 приведен результат расчета границ превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) для населенных мест и для лесной растительности.

Нарушенные земли и подземные воды

Одной из основных отраслей промышленности Кемеровской области является угольная. Ее развитие привело к значительному разрушению

естественных ландшафтов, уничтожению растительности и почвенного покрова, изменению гидрологического режима. Образуется техногенный отвально-карьерный ландшафт, представляющий собой чередование карьерных выемок различной глубины (есть уже свыше 100 м) с отвалами вскрытых горных пород высотой в несколько десятков метров. Значительные площади занимают гидроотвалы, образованные при гидровскрыше рыхлых наносов. К категории нарушенных земель относятся и подработанные шахтами территории. В составе АТЛАСА выделена карта нарушенных земель, содержащая не только зоны нарушения

(графические объекты) но и информационное сопровождение к каждому объекту индивидуально.

Существенное воздействие оказывает горное производство и на водный режима территории Кемеровской области. Происходит иссушение зоны горных работ, водопонижение при проходке выработок, откачка, а затем сброс подземных вод в гидросеть за пределами разрабатываемого участка. Ежедневный сброс промстоков из шахт и разрезов Кузбасса составляет более 1 млн.куб.м воды. Естественный режим подземных вод нарушается, их запасы сокращаются, а состояние и качество поверхностных вод ухудшается. Образуются депрессионные воронки, размеры которых зависят от геологических, гидрогеологических условий и продолжительности разработки месторождения. Общая площадь депрессионных воронок в Кузбассе достигает 2 тыс.кв.км. Их расположение по территории сконцентрировано в карте подземных вод. На рис 4. приведен фрагмент, на котором в окрестностях г. Кемерова совмещены соответствующие слои карт нарушенных земель и подземных вод.

Поверхностные воды

Кемеровская область имеет довольно густую гидрографическую сеть. Основными реками являются Томь, Иня, Кия, Яя,Чумыш и др. Общий объем стока всех рек составляет 42,9 куб.км в год.

Промышленные предприятия, агрокомплекс и сфера жизнеобеспечения области интенсивно используют поверхностные воды и, соответственно, загрязняют водоемы отработанными сточными

водами. Вся информация о водопользовании в масштабе области хранится в унифицированной

для России базе данных , которую ведет Кемеровский областной комитет по водным ресурсам.

Высокий уровень загрязнения рек области (особенно реки Томь) обусловливает достаточно развитую систему станций контроля загрязнения поверхностных вод, которая находится в ведомстве Кемеровского областного комитета по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для автоматизированного хранения результатов наблюдений в комитете разработана и ведется база данных.

Для подключения информации из такого рода специализированных баз данных в составе АТЛАСА разработан программный блок, который позволяет настраиваться не только на базы данных в целом, но и на отдельные поля с информацией, которая представляет интерес для той или иной карты АТЛАСА. Реализована возможность поиска объектов в базах с отображением результатов поиска на карте и наоборот. На рис. 5 пример, когда отмеченные в базе данных контрольные створы районе г. Кемерова указаны на карте методом графического выделения.

Пример оперативной экспертизы

Освоение новых угольных месторождений Восточного Кузбасса связано с оценкой антропогенных воздействий на природные комплексы. С помощью АТЛАСА рассмотрены некоторые предварительные вопросы размещения шахтных и карьерных полей на территории месторождений. Путем совмещения цифровых карт “типы почв” и “шахтные поля и разрезы“ определено, что границы шахтных полей находятся под черноземами, а открытые горные работы предполагается вести преимущественно на серых лесных землях (Рис 6), что в целом согласуется с охраной плодородных почв.

Агрегированная оценка фонового загрязнения атмосферы для территории вновь осваиваемых угольных месторождений от уже существующих промвыбросов городов ( рассчитано с более детальной составит в среднем 0,2 - 0.5 ПДК (Рис 7 ).

В тоже время, приближенный прогноз атмо-

сферных загрязнений с учетом проектируемых разрезов (по средним цифрам для существующих) показывает, что ожидается появление зон с концентрациями выше ПДК. Это необходимо учитывать при проектировании селитебных территорий и границ санитарно-защитных зон с целью минимизации будущих затрат на плату за выбросы в атмосферу.

Кузбаский ботанический сад Кемеровского научного центра СО РАН

Специалистами отдела Кузбасский ботанический сад КемНЦ СО РАН разрабатывается и научно обосновывается комплексная рограмма оценки качества окружающей среды методами биоиндикации с последующим зонированием исследуемых территорий для своевременного проведения природоохранных мероприятий по улучшению экологической ситуации и возможности прогнозирование на будущее.

Контроль чистоты окружающей среды с помощью биоиндикации можно проводить практически по любым видам, начиная от вирусов и микроорганизмов и заканчивая человеком, и на всех уровнях организации живой материи от молекулярного до экосистемного.

Методы биоиндикации более точны (позволяют регистрировать загрязнение воздуха в 3-5 раз ниже санитарно-гигиенический ПДК),

экспрессивны (возможна экологическая оценка загрязнения среды на больших территориях в краткие сроки), с менее значительными затратами, кроме того, они дают суммарную экологическую оценку воздействия любых антропогенных факторов на природную среду.

В качестве методов биоиндикации использовалась биологическая диагностика почв и растений. Диагностику почв проводили по структуре микробного ценоза и по физиологической активности отдельных групп микроорганизмов, поскольку микробоценозы являются наиболее информативной диагностической компонентой биоты, способной в силу высокой адаптации быстро реагировать на смену экологических условий и менять функциональную нагрузку.

Использованные в работе различные методы биоиндикации: микробиологическая, индикация почв и фитоиндикация позволили установить в черте города Кемерово территорию неустойчивого экологического состояния, где отмечается высокая концентрация промышленных объектов.

Сибирская геолого-географическая лаборатория ВНИГРИуголь

Рост промышленного производства и существенное отставание экологических программ привели к глобальному и локальному загрязнениям окружающей среды. Это обусловило появление новых тенденций в экономике, направленных на внедрение экологически безопасных технологий.

В связи с этим перед угольной добывающей промышленностью и углепользователями стоят две важнейшие задачи:

- добыча и поставка на рынки сбыта экологически чистой угольной продукции как сырья для топливно- энергетической, химической и других отраслей промышленности;

- полное комплексное использование отходов добычи и переработки угля.

Для решения первой задачи одним из главных направлений является оценка уровней накопления в угле токсичных компанентов и прогназирование на этой основе возможности его безопасного использования в качестве сырья для промышленности.

Содержание второй задачи, заключается в том, что в процессе извлечения и использования углей накапливаются огромные массы отходов. Среди них вскрышные породы, шлаки, золы уноса, отходы обогащения. Лишь незначительная часть отходов используется для хозяйственных нужд, главным образом, в стройиндустрии.

Одним из перспективных направлений репроцессинга углеотходов является их глубокая переработка с извлечением комплекса ценных элементов и нейтрализации токсичных. Для этих целей предпочтительней золы, обогащенные наиболее редкими и дорогостоящими элементами, такими как скандий, благородные металлы и лантаноиды.

Главной причиной, сдерживающей получение этих металлов из продуктов углепереработки является, как правило, довольно низкое их содержание. В то же время известно, чтодаже в пределах одного месторождения в золах углей различных пластов содержания могут существенно варьировать, достигая иногда значительных величин.

Хорошо известны угольные пласты и месторождения с промышленными содержаниями и запасами германия, урана, золота, скандия и др. элементов.

Сибирской геолого-географической лабораторией проводится изучение вещественного состава минеральных отходов угольной промышленности на примере золошлаков Южно-Кузбасской ГРЭС с целью их полной утилизации.

Работа включена в программу геологического изучения, воспроизводства минерально-сырьевой базы и рационального использования недр территории Кемеровской области.

Впервые выполнено изучение в монито-ринговом режиме углей, золы, немагнитной и магнитной фракций, выделенных в ходе промышленного сжигания углей на ЮК ГРЭС.

Материалы настоящих исследований могут быть использованы и применены для:

- принятия решений о постановке геолого-геохимического изучения ЗШО крупных ТЭЦ Кузбасса в целях выявления ресурсов ценных и оценки значимости токсичных элементов;

- разработки бизнес-плана и инвестиционных проектов, ориентированных на организацию серии массовых производст по переработке ЗШО с извлечением ценных металлов, строительных материалов и продукции с общей суммой дохода до 30 млн. USD. В год и более – при переработке в год 1млн. т. золошлаков.

Представляется целесообразным, в будущем, отследить содержания в концентрате германия и олова, которые, в среднем, оказались повышенными и составили, соответственно,- 9,5 и 35,4 г/т.

Маркетинговая оценка целесообразности переработки сырья золошлаковых отходов ЮК ГРЭС составит по доходам свыше 30 млн. USD в год.

Раздел 23. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

Нарушенные земли и подземные воды

Кузбаский ботанический сад Кемеровского научного центра СО РАН