Содержание к диссертации
Введение
1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ 9
1.1. Количественная оценка загрязнения территории 9
1.2. Методики геохимических исследований 16
1.3. Оценка загрязнения атмосферы по данным снеговой съемки 23
1.4. Распределение веществ в поверхностном слое литосферы 30
1.5. Заключение по главе 1 34
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 35
2.1. Отбор проб снега 35
2.1.1. Конструкция пробоотборника 35
2.1.2. Схема отбора проб 36
2.2. Лабораторный анализ проб снега 41
2.2.1. Подготовка проб и фильтров 41
2.2.2. Анализ проб 42
2.3. Обработка результатов 43
2.3.1.Первичная статистическая обработка 43
2.3.2. Непараметрический расчет доверительных интервалов 44
2.4. Заключение по главе 2 52
3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
3.1. Снеговая съемка 53
3.1.1. Полевые работы и лабораторный анализ 53
3.1.2. Поля загрязнений 60
3.1.3. Первичная статистическая обработка 67
3.1.4. Результаты расчета доверительных интервалов 75
3.2. Моделирование процессов распространения загрязнений 77
3.2.1. Метод «клеточных автоматов» 77
3.3.2. Универсальная лаборатория клеточных автоматов PyCAlab 79
3.3.3. Имитационная модель распределения загрязнений 82
3.3.4. Распределение загрязнений от точечных источников 83
3.3.5. Распределение загрязнения от линейного источника 86
3.3. Заключение по главе 3 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 101
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 127
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема определения характера и уровней загрязнения территории является одной из наиболее актуальных проблем в экологии, так как её решение является основой для оценки и прогнозирования состояния и изменения компонентов окружающей среды и здоровья населения.
Существующие модельные подходы достаточно хорошо разработаны для оценки распределения выпадения твёрдых аэрозолей и мало пригодны для растворимых веществ и жидких аэрозолей, образующихся в результате гидратации и абсорбции молекул окислов серы, азота и углерода.
Основным экспериментальным методом исследования характера загрязнения территории является отбор проб почвы на местности с последующим их физико-химическим анализом на наличие загрязняющих веществ. Этот метод даёт интегральные значения загрязняющих веществ за весь период генезиса почвенного слоя, но не позволяет выделить вклад текущего загрязнения, необходимого для оценки экологических последствий хозяйственной деятельности.
Наиболее корректным и эффективным способом оценки текущего загрязнения территории является снеговая съёмка, несущая информацию о количестве и составе загрязняющих веществ, выпавших за время залегания снегового покрова. Снеговой покров, как естественный планшет-накопитель, дает действительную величину сухих и влажных выпадений в холодный период. Содержание загрязняющих веществ в снеговом покрове является индикатором степени загрязненности атмосферного воздуха в течение холодного периода года.
Снеговая съемка включает в себя построение схемы отбора проб и выбор измеряемых показателей загрязнения (концентрация, поверхностная плотность, средняя (за период) интенсивность выпадения). Количество проб снега и схема их расположения с точки зрения представительности результатов проводимого
5 исследования непосредственно связаны с поверхностным распределением
значений измеряемого показателя.
Наличие априорной информации о возможных трендах, «пятнах» и других
особенностях результатов распространения загрязняющих веществ позволяет
построить достаточно эффективную схему расположения мест отбора проб и
оптимизировать их количество. Однако в большинстве случаев такая
информация отсутствует и на первый план выступает вопрос о распределении
вероятностей значений измеряемого параметра. Традиционно предполагается,
что распределение является нормальным. Однако имеется достаточно работ, в
которых обнаружено, что распределение вероятностей значений концентрации
химического вещества, в частности, в почве, отличается от нормального
распределения. Для эффективного использования метода снеговой съёмки
актуальным является обоснование применимости подхода, основанного на
нормальном распределении.
Цель работы.
Получение зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от доверительной вероятности и площади отбора проб снега. Проверка применимости нормального распределения для описания распределения вероятностей значений поверхностного загрязнения.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику проведения снеговой съемки и расчета зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от заданной доверительной вероятности и площади отбора проб снега;
по разработанной методике провести снеговые съемки и по результатам физико-химического анализа отобранных проб снега рассчитать зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от доверительной вероятности и площади отбора проб;
определить применимость нормального распределения для описания распределения вероятностей значений поверхностного загрязнения;
- разработать программный комплекс для имитационного моделирования процессов поверхностного распределения загрязнений.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИПЭ УрО РАН в рамках темы «Поверхностное распределение загрязняющих веществ» (государственный регистрационный №0120.0 411165).
Научная новизна работы.
Разработана методика проведения снеговой съемки и непараметрического расчета зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от заданной доверительной вероятности и площади отбора проб снега.
По разработанной методике проведены снеговые съемки с подробностью близкой к максимально возможной. По результатам физико-химического анализа отобранных проб рассчитаны зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от доверительной вероятности и площади отбора проб снега.
Доказана неприменимость в общем случае нормального распределения для описания распределения вероятностей значений поверхностного загрязнения.
Разработан симулятор процессов поверхностного распределения загрязнений, реализованный в вычислительной среде клеточных автоматов.
Практическая ценность работы.
Данные о распределении поверхностных загрязнений, полученные в настоящей работе, были использованы при проведении снеговых съемок территорий промышленных центров и городов (Свердловская область: Екатеринбург, Новоуральск; Челябинская область: Карабаш), территорий вокруг эпицентров подземных ядерных взрывов (ХМАО: «Ангара», «Кимберлит», «Кратон»), территорий, прилегающих к местам добычи полезных
7 ископаемых (Свердловская область: Сафьяновское месторождение, ХМАО:
Пунгинская СГГХГ).
Полученные в настоящей работе зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от доверительной вероятности и площади отбора, могут быть использованы в руководящих документах и методических рекомендациях по мониторингу снегового покрова.
Разработанная с участием автора программа для ПЭВМ «Симулятор процессов поверхностного распределения загрязнений» (свидетельство Роспатента №2005613016 от 21.11.2005) предназначена для моделирования процесса массопереноса загрязнений и в сочетании с результатами снеговых съемок может быть использована для выявления приоритетных факторов, определяющих характер распределения поверхностного загрязнения на исследуемой территории.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика проведения снеговой съемки и непараметрического расчета зависимости границ доверительного интервала для поверхностного загрязнения от заданной доверительной вероятности и площади отбора проб снега.
Вывод о неприменимости в общем случае нормального распределения для описания распределения вероятностей значений поверхностного загрязнения.
Имитационная модель процессов поверхностного распределения загрязнений, реализованная в вычислительной среде клеточных автоматов.
Апробация работы.
Результаты исследований были представлены и обсуждены на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции, «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (г. Кирово-Чепецк, 1998 г.), 7-ой научно-практической конференции «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (г. Киров, 2002 г.), Всероссийской научной конференции «Природные ресурсы северных территорий: проблемы оценки,
8 использования и воспроизводства» (Архангельск, 2002), X и XI международном
экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный»
(Екатеринбург, 2002, 2005), региональной научно-практической конференции
«Экологические проблемы промышленных регионов» (г.Екатеринбург, 2003),
областной научно-практической конференции, посвященной 85-летию ГОУ
ВПО УГТУ-УПИ «Информационно-математические технологии в экономике,
технике и образовании» (Екатеринбург, 2005 г.).
Структура и объем работы.
Настоящая работа (128 страниц, 24 рисунка, 8 таблиц) включает в себя введение, три главы, заключение, список литературы (88 наименований) и два приложения.
В первой главе представлены краткие описания существующих подходов к мониторингу загрязнения окружающей среды. Приводятся особенности и преимущества снеговой съемки. Обсуждается проблема неоднородности поверхностного распределения загрязнения.
Во второй главе представлены описания методик проведения снеговой съемки, лабораторного анализа, обработки результатов.
В третьей главе представлены результаты проведения снеговых съемок, лабораторного анализа, обработки результатов и модельного расчета поверхностного распределения загрязнений, а также их обсуждение.
В заключении представлены основные результаты и выводы.
В первом приложении представлены первичные экспериментальные данные, полученные в результате проведения снеговых съемок и лабораторных анализов.
Во втором приложении представлена копия Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2005613016 от 17.11.2005 «Симулятор процессов поверхностного распределения загрязнений» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Количественная оценка загрязнения территории
Наблюдение за состоянием окружающей среды является одной из основных задач экологического мониторинга. Обеспечение системы управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью своевременной и достоверной информацией о загрязнении окружающей среды существенно снижает риск негативных последствий хозяйственной деятельности. Экологический мониторинг позволяет оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем и среды обитания человека, выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений. Кроме того, на основании данных экологического мониторинга возможно снижение или даже предотвращение ущерба как экологического, так и экономического[4, 10, 28, 49, 51, 61, 62].
Наблюдение за загрязнением компонентов окружающей среды является важнейшей составной частью экологического мониторинга. Это обусловлено в первую очередь тем, что в подавляющем большинстве случаев именно загрязнение, как результат хозяйственной деятельности человека, является первопричиной деградации экосистем. Наиболее важными с точки зрения представительности данных о загрязнении являются депонирующие среды.
Для проведения контроля и оценки качества природной среды существуют различные подходы к наблюдениям за процессами техногенного загрязнения. Мониторинг изменения состава почвы позволяет рассматривать ее как наиболее точный индикатор состояния всего природного ландшафта. Данное положение объясняется тем, что почва относится к наиболее стабильным накопительным компонентам среды в биогеохимическом круговороте веществ. Поэтому, несмотря на сложность и высокую динамичность протекания процессов техногенного загрязнения, геохимический контроль следует считать приоритетным направлением в области организации экологического мониторинга, а метод геохимического выявления и картирования распределения загрязняющих веществ — основным методом построения карты экологического состояния жизнеобеспечивающих сред. Однако привнесение загрязнителей в почву происходит, как правило, из кратковременных депонентов. Процессы вымывания осадками и выпадения загрязняющих веществ из атмосферного воздуха оказывают определяющее влияние на загрязнение почв. Под загрязнением следует понимать изменение химических свойств окружающей среды, не связанное с естественными природными процессами [14,21,35]. В настоящее время подавляющая часть загрязнений является техногенными, поэтому именно они и рассматриваются как предмет исследования. Загрязняющие вещества (поллютанты) - материальные носители загрязнения - связаны с наличием источника загрязнения. Под источником загрязнения может подразумеваться как человеческая деятельность в целом (например, промышленность), так и конкретные объекты деятельности (завод, свалка, автомобильный транспорт) или материальные носители загрязняющих веществ (отходы производства и потребления). Под отходами понимается неутилизируемая в данный момент и возвращаемая в окружающую среду часть используемых и перерабатываемых человеком материалов [13]. Химический состав отходов весьма разнообразен. Их характерной чертой является наличие широкой ассоциации накапливаемых элементов, совместное нахождение которых обусловлено не только общностью свойств, но и спецификой производственной и бытовой деятельности. По частоте встречаемости в отходах среди химических элементов преобладают цинк, медь, кадмий, ртуть, свинец, серебро, олово, хром, никель [13,31,37]. Важнейшая особенность практически всех видов отходов - преимущественное накопление в них редких химических элементов [18], как правило, отличающихся повышенной токсичностью.
В урбанизированных зонах многочисленные источники загрязнения обычно расположены незакономерно, и их выбросы не могут быть точно учтены. В результате, а также в связи со сложностью структуры воздушных потоков в условиях городской застройки, расчетные модели рассеяния [30] подтверждаются очень слабо. Вместе с тем, опыт геохимических исследований показывает, что существует функциональная связь между выбросами и твердофазными выпадениями из атмосферы на земную поверхность [56]. Это дает возможность использования природных сред, депонирующих выпадения -снегового и почвенного покрова - для изучения характера и особенностей загрязнения и определения локальных очагов загрязнения.
Почва - комплексная система, возникшая и развивающаяся на стыке взаимодействия литосферы, гидросферы, атмосферы, и находящаяся с ними в непрерывном материальном обмене.
Схема отбора проб
Минимальное расстояние между соседними кернами, которые можно отобрать без разрушения вертикальной стенки снегового покрова между ними, определяло в настоящей работе предельное количество проб приходящихся на единицу площади. Это расстояние определено опытным путем и составило 150 - 200 мм между центрами кернов. Таким образом, минимальная толщина вертикальной стенки снегового покрова между соседними кернами составила примерно 65- 115 мм. Разработанная методика предусматривает отбор проб снега с минимальным шагом, обеспечивающим устойчивость стенки снегового покрова. Каждая рядовая проба состояла из единственного керна.
В настоящей работе определялось содержание взвешенных веществ в снеговом покрове. Это содержание было заведомо высоким в силу выбора самих площадок. Кроме того, сам метод определения взвешенных веществ в талой воде достаточно прост и не требует сложного оборудования. Точность этого метода практически полностью определяется тщательностью оператора, а разрешающая способность - ценой деления весов. Поэтому стало возможным отбирать и анализировать пробы, состоявшие из единственного керна.
В нескольких снеговых съемках были отобраны керны снега по так называемым контрольным периметрам площадок. Для каждой такой снеговой съемки керны контрольного периметра укладывались в один большой пластиковый мешок и тщательно перемешивались. После этого вся получившаяся масса снега случайным образом разделялась на контрольные пробы. Контрольные пробы также анализировались на содержание взвешенных веществ.
Места для проведения снеговых съемок выбраны в основном на открытых, горизонтальных и визуально ровных местах вдали от препятствий, создающих ветровую тень, и имеющих предположительно равномерное поверхностное распределение загрязнителей в снеге.
Определялось направление на географический север для ориентирования и разметки будущей площадки и/или профиля, которое наносилось в виде линии на поверхность снегового покрова.
Для разметки площадок использовались специально изготовленные прямоугольные рамки из деревянного бруса. Размер рамки соответствовал размеру площадки. На каждой стороне рамки нанесены деления, необходимые для разметки площадки. Рамка собиралась в стороне от площадки снеговой съемки. Затем, используя меридиональный ориентир, рамка укладывалась на снег. После этого разметочной рейкой наносились линии на поверхность снегового покрова в соответствии с делениями рамки. На этом разметка площадки заканчивалась. Если по плану снеговой съемки предполагалось измерять высоты грунта, то в нескольких метрах от края рамки устанавливался нивелир.
Отбор кернов снега обычно начинался с верхнего левого угла рамки и заканчивался правым нижним. Труба пробоотборника врезалась в толщу снегового покрова в середине каждого квадрата размеченной сетки. Разработанная в настоящем исследовании методика снеговой съемки на площадке поясняется двумя рисунками. На рис. 1 приведен вид сбоку. После разметки поверхность снегового покрова выглядит, так как показано на рис. 2. Отбор керна снега осуществляется следующим образом. Труба устанавливается вертикально на поверхность снегового покрова. Вращением трубы вокруг своей оси и приложением небольшого усилия вертикально вниз вырезается керн снега на всю толщину снегового покрова. По шкале, нанесенной на наружной стороне трубы, снимается отсчет толщины снегового покрова. На верхний срез трубы устанавливается уплотнитель и по линейке рукоятки уплотнителя теодолитом или нивелиром снимается отсчет высоты грунта. Затем через верхний срез в трубу вводится уплотнитель снега. Керн снега уплотняется приложением к рукоятке уплотнителя вертикального усилия вниз. Не вынимая уплотнителя, труба вместе с керном снега извлекается из снегового покрова и укладывается практически горизонтально с небольшим наклоном вниз. Осматривается нижняя часть керна снега и тщательно удаляется около 20 мм керна вместе с частицами грунта. Затем, используя уплотнитель в качестве поршня, весь керн выталкивается в предварительно промаркированный полиэтиленовый мешок. Если проба состоит из нескольких кернов, все керны данной пробы складываются в один мешок. Мешок плотно завязывается и укладывается в коробку из двойного гофрированного картона. Заполненная коробка подписывается (дата и место снеговой съемки, количество и номера проб) и заклеивается упаковочной лентой.
Полевые работы и лабораторный анализ
Схема района расположения карьера и мест снеговых съемок представлена на рис. 6. Карьер расположен на территории Свердловской области примерно в 10 км на восток от города Реж. На карьере добывается медная руда. Сафьяновское месторождение в административном отношении находится на границе Режевского и Артемовского районов. По характеру рельефа район месторождения относится к холмисто-волнистой возвышенной равнине
Зауралья. Колебания отметок земной поверхности незначительны - от (220 - 230) м на вершинах холмов до (170 - 180) м в долинах рек и ручьев. Здесь получили преимущественное распространение дерево-подзолистые, по механическому составу глинистые и тяжелосуглинистые почвы. Территория покрыта растительностью, характерной для лесной зоны. Преобладают среднетаежные сосновые, лиственнично-сосновые и травяные сосновые леса (местами в сочетании со сфагновыми болотами). Рассматриваемый район находится под факелом выбросов Режевского никелевого завода, являющегося предприятием первого класса опасности. Другие источники загрязнения, оказывающие существенное воздействие на природную среду района отсутствуют. На территории промышленной площадки карьера пыление в основном происходит при следующих технологических операциях:
- взрывные работы в карьере,
- погрузочно-разгрузочные работы,
- перевозка породы,
- пыление с отвалов.
В настоящей работе представлены результаты пяти снеговых съемок, проведенных в разные годы на четырех площадках и двух профилях различных размеров, и включающих в себя разное количество проб [41,42,43,44,45,46,47]. Места для проведения снеговых съемок выбраны в основном на открытых, горизонтальных и визуально ровных поверхностях, вдали от препятствий, создающих ветровую тень, и имеющих предположительно равномерное поверхностное распределение загрязнителей в снеге. В представленных снеговых съемках всего было отобрано 983 керна снега. Из них подготовлено и проанализировано 949 проб. Полученные данные сгруппированы в 6 основных и 3 вспомогательные выборки. Перечень и краткие характеристики снеговых съемок приведены в таблице 2. Перечень и краткие характеристики выборок приведены в таблице 3. В качестве примера на рис. 7 приведен снимок местности после проведения снеговой съемки.
