Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Лесные ресурсы России 9
1.1. Общая характеристика лесов России .9
1.2. Структура лесов и земель лесного фонда 10
1.3. Породная и возрастная структура лесов России 11
1.4. Древесные ресурсы 12
1.5. Роль леса в сохранении биологического разнообразия и в устойчивом развитии России
Глава 2. Воздействие атмосферных загрязнений комбинатов цветной металлургии на лесные биогеоценозы 17
2. Факторы воздействия на лесные биогеоценозы 17
2.1.1. Тяжелые металлы 19
2.1.2. Диоксид серы 24:
2.1.3. Оксиды азота 26
2.1.4. Кислотные дожди 27>
2.2. Последствия воздействия атмосферных выбросов на лесные биогеоценозы 31
2.2.1. Зоны деградации лесных биоценозов как следствие аэротехногенного загрязнения 34
2.2.2. Оценка деградации лесных биогеоценозов в условиях аэротехногенного воздействия 43
Глава 3. Математические модели динамических процессов в экологии 47
3.1. Основные положения системного анализа 47
3.2. Математическое моделирование экологических систем 51
3.2.1. Балансовые модели 53
3.2.2. Имитационные и аналитические модели 54
Глава 4 Эколого-географическая характеристика районов расположения
промышленных объектов 84
4.1 . Эколого-географическая характеристика Кольского полуострова 85
4.1.1. Характеристика медно-никелевых металургических комбинатов «Североникель» и «Печенганикель» 91
4.2. Эколого-географическая характеристика Южного Урала 93
4.2.1. Характеристика Карабашского медеплавильного комбината 96
Глава 5. Одномерная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы 99
5.1. Описание модели 99
5.2. Идентификация модели 103
5.3. Результаты моделирования 105
Выводы к главе 5 108
Глава 6. Модель воздействия кислотных дождей и сернистого газа на
лесной биогеоценоз ПО
6.1. Описание модели ПО
6.2. Идентификация модели 113
6.3. Результаты моделирования 114
Выводы к главе 6 116
Глава 7. Пространственная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы118
7.1. Моделирование переноса атмосферных загрязнений в регионе 118
7.1.1. Модель переноса загрязнений 118
7.1.2. Формула для расчета загрязнения 119
7.1.3. Построение идентификационной модели 120
7.1.4. Задача нахождения максимума загрязнения 121
7.1.5. Решение задачи идентификации 121
7.1.6. Результаты решения задачи идентификации параметров загрязнения для трех промышленных комбинатов 122
7.1.7. Распространение загрязнений по различным направлениям для трех комбинатов 126
7.2. Моделирование действия атмосферных загрязнений на лесные биогеоценозы 135
7.2.1. Модель воздействия загрязнения на лесной биогеоценоз 135
7.2.2. Модель роста растительности в отсутствие загрязнений 137
7.2.3. Моделирование роста растительности в режиме действия загрязнения 141
7.2,4.Распределение биомассы елового древостоя в районе комбината "Североникель" 143
7.2.5. Распределение биомассы соснового древостоя в районе комбината "Североникель" 144
7.2.6. Рапределение биомассы соснового древостоя в районе комбината "Печенганикель"145
7.2.7. Распределение биомассы соснового древостоя в районе Карабашского медеплавильного комбината 146
7.2.8. Распределение биомассы березового древостоя в районе Карабашского медеплавильного комбината 147
7.2.9. Влияние загрязнения на древесные породы 148
7.3. Обобщенная модель воздействия выбросов металлургических
комбинатов на лесные биогеоценозы 149
Выводы к главе 7 156
Основные выводы 157
ЛИТЕРАТУРА 159
- Общая характеристика лесов России
- Факторы воздействия на лесные биогеоценозы
- Основные положения системного анализа
- Эколого-географическая характеристика Кольского полуострова
- Одномерная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Леса являются эффективным природным средством предотвращения эрозии, сохранения и повышения плодородия почв, наиболее емким резервуаром генетического разнообразия организмов, важнейшим звеном глобального кругооборота углекислоты, одним из основных факторов формирования глобального и регионального климата.
В настоящее время многие лесные биогеоценозы мира испытывают стрессовые воздействия от атмосферных выбросов промышленных предприятий. В России среди промышленных предприятий черная и цветная металлургия являются самыми загрязняющими природную среду отраслями. Аэротехногенные выбросы предприятий цветной металлургии приводят к широкому спектру последствий в лесных биогеоценозах: от замедления роста растений, торможения разложения подстилки и образования гумуса до почти полного уничтожения растительности и смыва почвы.
Изучение воздействия антропогенных загрязнений на леса России с Применением методов системного анализа является не только важной фундаментальной проблемой, но и актуальной прикладной задачей.
Построение математических моделей воздействия атмосферных загрязнений на лесные биогеоценозы, прогноз и последующая оценка возможных последствий загрязнений являются необходимым условием устойчивого развития системы человек - биосфера.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-01-00649 «Математическое моделирование глобальных и региональных биосферных и климатических процессов (методология, реализация)», 2005-2007 гг.
Цель исследования. Основной целью является разработка и исследование математических моделей воздействия выбросов предприятий цветной металлургии и кислотных дождей на лесные биогеоценозы.
Задачи исследования:
Обобщить экспериментальные данные о состоянии лесных биогеоценозов, испытывающих воздействие аэротехногенных выбросов.
Провести анализ возможностей методов математического моделирования динамики экологических процессов.
З.Дать эколого-географическую характеристику районов расположения промышленных предприятий как объектов моделирования последствий техногенного воздействия на лесные экосистемы,
Разработать одномерную и пространственную модели воздействия выбросов предприятий цветной металлургии на лесные биогеоценозы;
Разработать модель воздействия кислотных дождей и сернистого газа на лесные биогеоценозы.
Сформулировать обобщенную модель воздействия выбросов предприятий цветной металлургии на лесные биогеоценозы.
Идентифицировать разработанные модели на примере комбинатов цветной металлургии: «Североникель», «Печенганикель», Карабашский медеплавильный комбинат, находящихся в разных природных зонах.
Научная новизна результатов. Математическое моделирование позволило выявить ряд закономерностей, происходящих в лесных биогеоценозах под действием загрязнений. Моделирование воспроизводит гибель растительности различной таксономической принадлежности при антропогенном стрессе и сложную зависимость запаса подстилки от загрязнения в разных климатических зонах. Описывается характер восстановительной сукцессии растительного покрова после прекращения действия загрязнений. С помощью математических методов выявлена зависимость динамики продуктивности растительности от кислотности осадков, подтверждена закономерность уменьшения степени устойчивости деревьев к загрязнениям с возрастом. Сделана количественная оценка -7-подверженности породы дерева к загрязнению в зависимости от региона произрастания.
Впервые проведена идентификация математических моделей в интегрированной среде Delphi-б на языке Object Pascal, которая позволила рассчитывать параметры моделей сначала для описания роста дерева в отсутствие загрязнений, а затем - при действии загрязнений. Модели идентифицированы по трем комбинатам: «Североникель», «Печенганикель» и Карабашскому медеплавильному комбинату, расположенным в разных природных зонах.
Практическая значимость работы. Пространственная модель влияния атмосферного загрязнения металлургического комбината на лесные биогеоценозы с учетом трех лесообразующих пород может применяться для прогнозирования зон деградации лесов вокруг предприятий, основными выбросами которых являются тяжелые металлы. Модель может быть использована при исследовании зависимости зон деградации лесов от климата.
Возможно выполнение ряда задач природоохранной практики, таких как: прогнозирование направления и скорости восстановления лесов при снятии антропогенной нагрузки; составление карт потенциального разрушения лесов, расчет биологического ущерба, нанесенного лесному биогеоценозу, оценка риска воздействия на природную среду в регионе при различных вариантах проектирования предприятий цветной металлургии.
Диссертация состоит из семи глав, введения, выводов и списка литературы, Основное содержание работы изложено на 173 страницах и включает 25 таблиц, 48 рисунков
В первой главе дана общая характеристика лесных ресурсов России.
Во второй главе описано воздействие атмосферных загрязнений комбинатов цветной металлургии (тяжелых металлов, диоксида серы, оксидов азота) и кислотных дождей на лесные биогеоценозы. Дан анализ реакции лесных сообществ на атмосферные загрязнения.
В третьей главе изложены вопросы математического моделирования динамических процессов в экологии: основные положения системного анализа и его значения для моделирования; описаны балансовые модели, имитационные и аналитические модели. Проанализирован ряд моделей продукционного процесса растений, переноса загрязнений и воздействия загрязнений на растительность.
В четвертой главе представлена эколого-географическая характеристика районов расположения трех объектов моделирования. Даны физико-географические и другие особенности предприятий цветной металлургии: "Печенганикель", "Североникель" и Карабашского медеплавильного комбината.
В пятой главе разработана одномерная математическая модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы. Дано ее описание, изложена идентификация модели, представлены экологические выводы результатов моделирования.
В шестой главе изложена модель воздействия кислотных дождей и сернистого газа на лесные биогеоценозы. Описана идентификация параметров модели, приведены результаты моделирования.
В седьмой главе разработана пространственная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы. Дано описание модели переноса атмосферных загрязнений, адаптированной и идентифицированной для трех регионов техногенной нагрузки. Воспроизведена временная динамика роста дерева в отсутствии загрязнения и различные степени нарушения при наличии загрязнения. Предложена концепция обобщенной модели воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные сообщества.
Общая характеристика лесов России
Россия занимает первое место в мире по общей величине лесной территории (рис. 1.1), а по обеспеченности лесами на душу населения - второе место после Канады. 10-В Российской Федерации сосредоточено 60% запаса бореальных лесов с преобладанием хвойных пород (75% российских запасов леса).
В течение 40 лет с начала 1960-х гг. до конца 1990-х гг. значительно сокращены площади рубок и освоены нелесные территории (осушены 3 млн. га болот), которые затем были переведены в статус лесопокрытых земель, осуществлена лесная мелиорация песков, оврагов и эродированных горных склонов (более 100 тыс. га) [3].
Современное состояние лесного фонда страны требует организации мониторинга лесных экосистем, прогноза развития лесных ресурсов с учетом природно-климатических и антропогенных факторов.
Факторы воздействия на лесные биогеоценозы
Для оценки и прогноза воздействия аэровыбросов на лесные биогеоценозы в диссертации рассматриваются предприятия цветной металлургии. Вредные вещества образуются при производстве глинозема, і алюминия, меди, свинца, никеля и других металлов в печах, на дробильно размольном оборудовании, в конвертерах, местах погрузки, выгрузки и пересылки материалов, в сушильных агрегатах, на открытых складах.
Влияние металлургических комбинатов распространяется на лесные территории радиусом в несколько километров, непосредственно примыкающие к заводу, а также полосу леса длиной в несколько километров по направлению господствующего ветра. В зависимости от мощности источника выбросов, местных метеорологических условий, рельефа местности и чувствительности растений воздействие загрязнителей может сильно варьировать.
Действие загрязнителей на лесные биогеоценозы зависит также от вида и концентрации вредных веществ, длительности их воздействия, стадии физиологического развития растений в момент воздействия. Вредные химические вещества могут оказывать непосредственное влияние на биоту, осаждаясь на зеленую массу растений, или косвенно, закисляя почву и меняя ее химический состав. Благодаря явлению листопадности древесные растения способны избавляться от части токсичных соединений, накапливающихся в них. Этот способ, наряду с гуттацией и корневыми выделениями, является защитным механизмом, предохраняющим растительный организм от интоксикации и гибели [21]. С другой стороны, опавшие листья оказываются в непосредственной близости от деревьев, что обеспечивает вторичное загрязнение верхнего слоя почвы токсикантами, содержащимися в ассимиляционных органах.
Влияние аэропромвыбросов заключается не только в непосредственном токсическом эффекте, но и в опосредованном изменении условий жизни растений вследствие изменения напряженности конкурентных отношений в ценозе.
Антропогенное воздействие на растительные компоненты окружающей среды может привести к изменению биологического разнообразия видов, выраженное в уменьшении их числа, в ряде случаев к эвтрофикации почв и как следствие к увеличению биомассы растений, а в случае высоких нагрузок - к полному уничтожению растительности.
Влияние загрязнителей возрастает: при высокой влажности воздуха или тумане; при наличии других вредных веществ; в случае каких-либо неблагоприятных факторов (мороз, засуха, жара); при определенных стадиях роста и развития растений. В зависимости от внешних факторов среды действие токсикантов может быть снижено в период ограниченной физиологической активности растений (например, ночью, а у хвойных деревьев - зимой) [22].
Основные положения системного анализа
Системный анализ сформировался в результате возникновения необходимости исследовать сложные системы, управлять ими в условиях неполноты информации, ограниченности ресурсов и дефицита времени. Широкое распространение идей и методов системного анализа, а также успешное применение их на практике стало возможным только с внедрением ЭВМ.
Академик Н.Н. Моисеев [70] определил системный анализ как совокупность методов, основанных на использовании ЭВМ и ориентированных на исследование сложных систем - технических, социальных, экологических и др. (рис.3.1).
Формирование четкой картины мира (с выделением подсистем и взаимосвязанных частей, образующих единое целое)
Системный подход служит средством глубокого понимания любого явления жизни в его взаимосвязи с различными уровнями ее организации и окружающей средой, открывает новые возможности проникновения в сущность и закономерности жизненных процессов, позволяет изучать сложнейшие системы биосферы с многоуровневым динамическим взаимодействием бесчисленного множества ее компонентов.
Усиливающаяся антропогенная нагрузка на природу объективно требует всестороннего изучения происходящих при этом изменений биосферы. Это необходимо для грамотного решения практических задач рационального использования ресурсного потенциала биосферы и надежного прогнозирования его последствий.
Эколого-географическая характеристика Кольского полуострова
Кольский полуостров вместе с материковыми районами Мурманской области расположен на крайнем северо-западе Российской Федерации, почти полностью за Полярным кругом (65-69 с.ш.). На севере он омывается Баренцевым морем, на востоке и юго-востоке — Белым, на юге граничит с Карелией, на западе — с Финляндией и Норвегией. Площадь Мурманской области достигает 144,9 тыс. км2 и делится на 4 административных района и 6 территорий, подчиненных городским советам.
Рельеф
Кольский полуостров по своему структурно-геоморфологическому положению и особенностям истории развития рельефа в течение четвертичного периода представляет собой северо-восточную часть балтийского щита, входящего в состав Русской платформы [126]. Существенную роль сыграли оледенения, межледниковые и послеледниковые наступления моря на сушу, а в послеледниковый период— речная эрозия. Геологическое основание полуострова и материковых территорий Мурманской области сложено древними породами архея и протерозоя: гранитами, гранита гнейсами. Мощность ледниковых отложений четвертичной системы на Кольском полуострове невелика, и черты современного рельефа повторяют кристаллическую основу, подвергшуюся сглаживающему воздействию ледников [126].
Кольский полуостров отличается густой сетью рек и озер. Водами занято около 5%, а местами — более 13% площади [127]. Замедленный характер стока атмосферных осадков [128] (400 мм/год) и неглубокое залегание грунтовых вод (до 1,5 м) привели к широкому распространению болот.
Одномерная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы
В модели описана динамика углерода в лесной экосистеме. Вся растительность разделена на три типа: растительность травяно-кустарничкового яруса, лиственные деревья, хвойные деревья. Модель представляет собой систему обыкновенных дифференциальных нелинейных уравнений и излагается в терминах системной динамики Дж. Форрестера [75]. Потоковая схема круговорота углерода, принятая в модели, изображена на рис. 13. Содержание углерода в уровнях будем обозначать через 2,(/ = 1,...,8), где і - номер уровня, а поток углерода из уровня і в уровень j через Qi}-.Начальное значение потоков и уровней будем обозначать через Z{ и 2/ -Единица времени -1 год.
Таким образом, в модели выбраны следующие переменные: Z] - углерод атмосферы, Z2 - углерод зеленой фитомассы травяной растительности, Z3 -углерод зеленой фитомассы лиственных деревьев, Z4 - углерод зеленой фитомассы хвойных деревьев, Z5 - углерод древесины и корней лиственных деревьев, Z6 - углерод древесины и корней хвойных деревьев, Z7 - углерод подстилки, Z8 - углерод гумуса. Потоки RqVL й8 выражают вынос (смыв) подстилки и гумуса из почвы при сильных воздействиях.
В модели все загрязнения, действующие на экосистему (соединения серы, азота и тяжелых металлов) объединены в один комплексный показатель загрязнения Р, который будем измерять в баллах. Значение Р = 0 соответствует отсутствию загрязнений, Р = 10 - максимальной наблюдаемой величине, при которой гибнет вся растительность.
Нас интересуют процессы с характерным временем порядка 10-100 лет, мы рассматриваем региональную модель, для которой не затрагиваем изменения концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Поэтому переменные Z2, Z3, Z4 с относительно малым характерным временем пребывания углерода можно считать быстрыми, а 2Х -. считать квазипеременной и ее не рассматривать. Отсюда следует, что потоки, входящие в соответствующие уровни і = 1, 2, 3, 4 и выходящие из них, сбалансированы.
