ИГ и геоэкологические аспекты проектирования энергетических объектов.

Энергетика довольно землеемкая и водоемкая отрасль производства. Например, доля электроэнергетики от всей площади земель, занятой на несельскохозяйственные нужды, составляет примерно 10%., Из них около 95% земель приходится на водохранилища ГЭС.

Базовая теплоэлектроэнергетика. К объектам базовой электроэнергетики относятся традиционные тепловые электростанции (ТЭС), работающие на разнообразном органическом топливе и атомные электростанции (АЭС). Они работают в относительно постоянном режиме и дают около 80 % электроэнергии страны. На долю ТЭС приходится около 72%.

Земли занятые теплоэлектроэнергетическими объектами составляет 2,5-3.0% от всех земель отводимых под электроэнергетику. Их водохранилища-охладители могут занимать площади 500-1000 га на 1 млн.квт мощности.

Кроме того тепловые электростанции относятся к группе сильно загрязняющих природную среду производств. Они дают около 27% от всех промышленных выбросов загрязнителей в атмосферу, а по окислам серы — > 50% ( по оксидам азота 22 - 24%, по пыли 17 - 19 %). Техногенные выбросы оксидов сера (215 10⁶ т) сейчас уже в 10 раз превышают их естественные потоки в природе, связанные с извержениями вулканов и биогенными процессами, а выбросов оксидов азота и СО минимум в 3 раза меньше чем их содержится в естественных потоках. В районах размещения мощных ТЭС их доля в загрязнении приземной атмосферы может достигать 90% и тем самым влиять даже на развитие и размещение здесь других производств и расселение. Поэтому при проектировании ТЭС, наряду с анализом обеспеченности территории изымаемыми для производства природными ресурсами (земель и воды) и путей доставки топлива, анализируется и занятость фона по загрязнителям. Кроме того оцениваются воздействия ТЭС на природные и санитарно-гигиенические условия прилегающих территорий, с учетом эколого-экономических последствий и разрабатываются защитные мероприятия.

Нормативы и правила изъятия земель под ТЭС определяют удельную землеемкость, качество и соотношения изымаемых у разных пользователей земель. Удельная землеемкость ТЭС зависит от состава используемого топлива, типов систем водоснабжения и охлаждения (табл. 4.9). Наибольшая землеемкость у ТЭС, работающих на разных углях (особенно буром уголе и сланцах). Заметно меньше землеемкость ТЭС на мазуте. Это связано с большими площадями земель, занимаемых у угольных ТЭС под топливохранилища и золоотвалы. Зольность топлива и расположение золоотвалов определяют их удельные площади. Наименьшая землеемкость у ТЭС работающих на газе.

Таблица 4.9.

Землеемкость ТЭС, использующих разные виды топлива

(га/мвт)

За счет улучшения компановки производственного оборудования ТЭС возможно снижение удельных площадей изъятия земель с 0,2 га на 1 млн.квт/час выработки электроэнергии до 0,16 - 0,17 га / млн.квт/час.

Правилами предусмотрено отведение под промышленное строительство наименее ценных сельскохозяйственных земель. Однако крупным ТЭС нужно для охлаждения огромное количество воды и большие водохранилища-охладители. Поэтому их размещают около крупных рек и озер, а их водохранилища занимают ценные пойменные земли. В результате стоимость сельскохозяйственных земель, изымаемых под ТЭС может быть соизмерима со стоимостью производственого оборудования. В то же время водохранилища используются и другими землепользователями. Соответственно доля энергетики в стоимости изъятия земель снижается.

В среднем на 1 млн.квт мощности ТЭС для охлаждения требуется 30-40 м³/сек воды. На угольных электростанциях объемы потребляемой воды из-за наличия гидрозолоудаления возрастают. Увеличиваются и безвозвратные ее потери. В соответствии с нормативами необходимые для охлаждения оборотных вод площади активной части зеркала водохранилищ-охладителей ТЭС составляют 6 - 9 м² на 1 квт мощности, возрастая с севера на юг.

Водоемы-охладители, особенно в южных районах, требуют систематических продувок, так как в них ускоряются процессы концентрации поступающих загрязнителей и растет минерализация воды. Рост минерализации охлаждающих вод может снижать КПД энергопроизводства. Испарение с поверхности водоемов-охладителей увеличивается из-за повышенных на 6 - 8 ⁰С температур сбросных вод и по мере аридизации климата. Безвозвратные потери охлаждающей воды возрастают на 1,5-2,5%. Строительство водохранилищ-охладителей ведет к изменению естественного гидрохимического и гидробиологического режима местных водоемов. Кроме того, подтопливаются, заболачиваются или засоляются прилегающие территории, возможна активизация карстовых и термокарстовых явлений. То есть ТЭС оказывают сильное и масштабное воздействие на экологическую ситуацию в регионах. Поэтому проекты их размещения и строительства требуют глубоких геоэкологических проработок и обоснований.

Состав и объем выбросов, тип и масштаб воздействия ТЭС на природу сильно зависят от используемого топлива, технологии его сжигания и наличия фильтров. На особенности распространения загрязнителей в ОС, наряду с техническими параметрами ТЭС (высота труб, скорости выхода и объемы газов), влияют региональные и местные особенности циркуляции атмосферы. По высоте, а значит и по способности рассеивать загрязнители в атмосфере дымовые трубы ТЭС делят на низкие (100м и менее), средневысотные (120 - 200 м), высокие (>200 м). Перераспределение загрязнителей, поступающих к земной поверхности и экологическая ситуация вокруг ТЭС сильно зависят от ландшафтных особенностей территории (Казаков, Чижова, 1998).

При геоэкологическом обосновании проектов строительства ТЭС в регионе прежде всего обращается внимание на занятость его природного фона загрязнителями. Для этого анализируются и сравниваются с ПДК концентрации в атмосфере пыли, SO₂, No_х,, СО, С_хН_х, для мазутных ТЭС также окислов ванадия, в меньшей степени других тяжелых металлов. Особую актуальность такой анализ приобретает для промышленных районов с высокой плотностью населения и слабой способностью к самоочищению атмосферы. Максимально-разовые санитарные ПДК наиболее массовых загрязнителей от ТЭС в приземной атмосфере для селитебных зон составляют в мг/ м³: по золе — 0,5; SO₂ — 0,5; NO₂ — 0,085; CO — 5. Для рабочей зоны, соответственно, — 1; 1; 2; 20. Это относительно малотоксичные загрязнители 2 - 4 классов вредности, но геохимически они весьма активны. Однако ландшафтно-экологические ПДК для биоты заметно отличаются от санитарных. Так сосновые боры на промытых песках и гранитах повреждаются уже при концентрациях диоксида серы 0,02 мг/ м³. Поэтому для общих оценок экологической ситуации в регионе лучше использовать среднесуточные (сс) санитарные ПДК. По наиболее агрессивным для растений диоксидам серы и азота сс ПДК равны, соответственно, — 0,05 и 0,04 мг/м³. Это следует учитывать при обосновании проектов ТЭС.

В качестве практических мероприятий, направленных на рациональное использование и охрану природных ресурсов в районах современного и перспективного размещения ТЭС, могут быть рекомендованы:

- выбор для размещения ТЭС менее ценных земель или отказ от ее размещения из-за дефицита и ценности земельных площадей;

- лучшая компановка производства;

- использование тех или иных систем охлаждения, сокращение мертвой - нерабочей зоны водохранилищ;

- изменение КПД фильтров, их типа, высоты выброса, топлива;

- отказ от строительства или уменьшения мощности ТЭС исходя из фоновых характеристик региона - ценности земель и высокой освоенности территории, дефицита воды, загрязненности.

- замена в зонах сильного влияния неустойчивых доминантов растительных сообществ устойчивыми, внесение извести и других удобрений в почву.

При выборе промплощадок под ТЭС на прединвестиционной стадии проектирования важное значение имеют анализ природной зональности, как общего геоэкологического фона и региональная оценка агроклиматического природно-хозяйственного потенциала, плодородия и освоенности земель, а также оценки региональной водообеспеченности и фонового загрязнения ОС. Предварительно могут быть намечены наиболее экономные системы охлаждения ТЭС (водохранилища общего пользования, оборотная система на водохранилищах-охладителях, градирни, брызгальни, ВКУ, комбинированные системы охлаждения), а также возможные направления использования отходов производства.

Сейчас уже установлено, что различные ландшафты неодинаково реагируют на выбросы однотипных ТЭС, а разнотипные ТЭС по разному воздействуют на одинаковые ландшафты. Поэтому при обоснованиях проектов важно определить тип возможных воздействий ТЭС на ОС и реакцию на них конкретных ландшафтов (зональных, провинциальных, местных). Выделяются следующие типы и виды воздействий ТЭС на ОС:

1. Механическое, которое, в свою очередь, делится: а) изъятие земель и нарушения литогенной основы в результате строительства ТЭС; б) воздействие зольных частиц на живые организмы и сооружения; в) изъятие воды и механические повреждения гидробионтов, донных и береговых ПК водоема-охладителя.

2. Физико-химическое воздействие, определяемое выбросами в окружающую среду химически активных загрязнителей. Этот тип воздействия, в свою очередь, делится: а) по месту, куда поступает выброс (атмосферный, наземный, водный); б) форме и консистенции выбрасываемых загрязнителей (газообразные, жидкие, твердые); в) кислотно-щелочной реакции выбросов и типу воздействия на ландшафт (рис. 1); г) виду выбрасываемых загрязняющих веществ, например, в атмосферу - SO_2, NO _х, углеводороды, зола - ее микро- и макроэлементный состав, дисперсность; в водоемы - масла, нефтепродукты, растворимые соли, микроэлементы, кислоты, щелочи; на земную поверхность - золошлаки, кислоты, щелочи, минерализованные воды, поступающие на золоотвалы и прилегающие территории в случае аварий и переливов. По характеру организации выбросы ТЭС делятся - на концентрированные и рассеянные (в водоемы), организованные и неорганизованные, постоянные и залповые.

Знание химического состава выбрасываемых загрязнителей дает возможность оценить потенциальные возможности их миграции, нейтрализации и выноса из ландшафтов, прогнозировать реакцию на них геоэкосистем. Важнейшее значение при этом приобретает представление об устойчивости природных комплексов к конкретному воздействию, Так, выбросы в атмосферу окислов серы и азота определяют кислотный тип воздействия ТЭС на ландшафты. Устойчивость же ландшафтов разных зон на кислотные выбросы весьма различна (рис. 2). Кислотные воздействия на бедные кислые ландшафты лесной зоны ведут к их еще большему подкислению, обеднению питательными веществами и, как результат, сильной деградации растительности (особенно хвойных лесов). Так хвойные леса бедных таежных ландшафтов существенно повреждаются и усыхают через 10 - 20 лет уже при средних концентрациях SO₂ в приземной атмосфере 0,03 - 0,06 мг/м³. Существуют и эмпирически установленные коэффициенты удельного повреждения лесов, в зависимости от объемов дымовых выбросов диоксида серы в регионе. В лесной зоне они колеблются в зависимости от местных ландшафтных условий от 0,02 до 0,25 га/т. Анализ повреждаемости хвойных лесов на аллювиально-зандровых песчано-супесчаных отложениях показывает наличие поражений наствольных лишайников и хвои у отдельных деревьев при поступлении к земной поверхности 4 - 5 т/км² в год сульфат-йона, а предельно-допустимые поступления его для наименее устойчивых элементарных ПТК в целом 15 - 20 т/км² в год. Причем следует учитывать, что крупные ТЭС (ГРЭС) требуют много воды, поэтому располагаются часто на террасах сложенных песками и супесями с малоустойчивыми к кислотным выбросам сосновыми борами и суборями. Во избежании сильных повреждений и медленного, в течении 10 - 20 лет, усыхания лесов в наименее устойчивых к кислотным выбросам элювиальных местообитаниях песчаных всхолмлений, рекомендуются санитарные и постепенные выборочные рубки с активной интродукцией газойстойчивых древесных пород. Для сельскохозяйственных угодий в зоне влияния ТЭС можно расчитать дополнительные буферные дозы удобрений и других химикатов сдерживающих или компенсирующих вынос элементов минирального питания из почв с кислыми водами, а также нейтрализующих токсины. В частности, легко расчитать повторность и дозы дополнительного известкования почв, снижающего их кислотность. Все эти мероприятия из эколого-экономических соображений целесообразнее проводить с учетом ландшафтной структуры территории. Воздействие же кислотных выбросов на сухостепные, часто солонцеватые ландшафты со слабощелочной и щелочной реакцией почв, может носить даже мелиорирующий эффект (кислотные промывки солонцов). Значительная дифференциация реакции геосистем, т.е. их способности к самоочищению и устойчивости к загрязнителям от ТЭС, наблюдается на внутриландшафтном уровне. Поэтому изучать экоситуацию и разрабатывать геоэкологические защитные мероприятия следует на конкретной ландшафтной основе.

Зольные выбросы угольных ТЭС, наоборот, экологически более приемлемы для ландшафтов лесной зоны. Имея щелочную реакцию зола мелиорирует кислые ландшафты. Содержащиеся в ней избыточные катиогенные элементы в лесных ландшафтах хорошо мигрируют и выносятся с кислыми поверхностными и подземными водами. Кроме того они обогащают бедные таежные ландшафты недостающими элементами питания растений. Предельно-допустимые поступления золы на земную поверхность для лесных ландшафтов достигает 150 - 200 т/км² (до 300) в год В степных ландшафтах с нейтральной и щелочной реакцией почв зола оседает и накапливается вокруг ТЭС. Из-за сухости климата поступление золы ведет также к более сильному запылению приземной атмосферы аридных территорий. Знание этого позволяет предвидеть негативные последствия, регулировать воздействие изменяя топливо, тип и эффективность фильтров, а на локальном уровне проводить соответствующие конструктивные преобразования в ландшафте.

Воздействие ТЭС на ландшафты зависит от региональных и местных природных особенностей рассеивания загрязнителей. Тем не менее существуют общие закономерности формирования зон влияния ТЭС с разновысотными выбросами. Так, сфера влияния ТЭС с высокими выбросами в зависимости от высоты труб и мощности выброса по проявлению реально фиксируемых изменений в компонентах и элементах ландшафтов составляет 15-20 км в радиусе. Как правило, она делится на три характерные техногенные зоны: зона сильного воздействия радиусом 15 - 20 высот дымовых труб (2 - 6 км); зоны среднего и слабого воздействия, отстоящие от ТЭС на 5-11 и 12-20 км соответственно. В последних двух зонах нарушения ландшафтов и их компонентов обычно проявляются эпизодически и носят локально-очаговый характер. Это вызывает затруднения в оценке и прогнозировании изменений ландшафтов, попадающих в эти две зоны. Причем изменения в ландшафтах разных техногенных зон могут быть качественно разнонаправленными, т.е. иметь негативный и позитивный оттенки.

Золошлакоотвалы и шламохранилище ТЭС обычно размещают в депрессиях рельефа и стремятся изолировать от грунтовых и поверхностных вод. Однако в гумидных районах, где осадки преобладают над испарением весьма вероятны переливы или фильтрация сбросных высоко минерализованных вод через стенки и дно золоотвалов. В засушливые периоды повышенные обсохшие участки золоотвалов могут пылить, загрязняя прилегающие территории. В аридных районах золоотвалы пылят очень сильно. К тому же в зонах их подтопления могут формироваться солончаки. Одновременно зола и шлак, покрывая естественные солончаки толстым слоем, способствуют проникновению на них злаков, луковичных и зонтичных растений, увеличивают их биопродуктивность.

3. Энергетическое воздействие на окружающую среду ТЭС оказывает, прежде всего, своими выбросами теплых вод в водоемы-охладители, частичным рассеиванием тепла с дымовыми газами, а также электромагнитным излучением вокруг трансформаторных подстанций и вдоль линий электропередач. Для выработки 1 квт/час электроэнергии на ТЭС расходуется 330 - 340 г условного топлива. КПД современных тепловых электростанций 33-36%, следовательно 2/3 потребляемой станциями энергии топлива рассеивается в окружающей среде, что составляет примерно 30000 ккал в час на блок мощностью 1 млн.квт. При этом около 80% ее сбрасывается в водоемы-охладители. В результате часть водоема-охладителя, в зоне сильного воздействия тепловых сбросов, по гидротермическому режиму как бы перемещается в более южную природную зону. Здесь возможна деградация, отмирание и замена одних естественных гидробионтов другими, с неустойчивой численностью и видовой структурой сообществ. При этом возрастает биопродуктивность и БПК отепленных участков. Вокруг ТЭС увеличивается повторяемость туманов, а в зоне вечной мерзлоты активизируется термокарст.