Содержание к диссертации
Введение
СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА 7
Особенности производства алюминия с экологической точки зрения
Санитарно-защитные зоны и их функции 14
Анализ конструктивных решений по обоснованию размера санитарно-защитных зон алюминиевых заводов
ОБЪЕКТЫ, ПРОГРАММА, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 21
Объекты исследований 21
Программа работ 21
Методика исследований 21
Объекты исследований 25
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ 26
Оценка природно-климатических условий района исследования 26
Характеристика выбросов 33
Динамика лесных экосистем в зоне воздействия алюминиевого завода
Выводы 39
СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В САНИТАРНО-ЗАЩИТНОЙ ЗОНЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА
Характеристика состояния древесной растительности на постоянных пробных площадях
Состояние подроста на пробных площадях 47
Характеристика состояния древесной растительности на временных пробных площадях
Состояние почвенной активности 51
Накопление фторидов в растениях в санитарно-защитнои зоне 58
Выводы 66
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 69 АЭРОЗОЛЕЙ В ЗОНЕ ПРОМВЫБРОСОВ БРАЗА
Вероятностные характеристики для краткосрочного метода прогноза загрязнения атмосферы фтористым водородом
Исследование и разработка методики расчета загрязнения атмосферы фтористым водородом с помощью факторного плана Использование методики расчета уровня загрязнения при 9 неблагоприятных метеоусловиях в системе оперативного управления качеством воздуха
Выводы 93
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ САНИТАРНО-ЗАЩИТНОИ ЗОНЫ
Модернизация завода по уровню снижения воздействия на 97 окружающую среду
Повышение экологической устойчивости санитарно-защитнои зоны
Планировочная организация лесозащитных насаждений и функциональное зонирование территории
Выводы 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 130
- Особенности производства алюминия с экологической точки зрения
- Объекты исследований
- Оценка природно-климатических условий района исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема гибели растений под воздействием твердых и газообразных фторидов - основных компонентов выбросов алюминиевых заводов, является глобальной; это связано с высокой токсичностью фторидов для растений.
Алюминий, наиболее распространенный металл, представлен в зем
ной коре алюмосиликатами и бокситами. При производстве алюминия на
блюдаются значительные потери фтора, которые и приводят к негативным-
экологическим последствиям.
Воздействия фторидов на растения проявляются в повреждении листьев, хвои (в виде хлороза, некроза тканей и деформации), что приводит к ослаблению и гибели древесной растительности
Актуальность темы связана со спецификой производственных ком
плексов Сибири, характеризующихся высокой энергоемкостью и водопо-
треблением. В последнее время в Сибири, кроме действующих Краснояр
ского, Иркутского, Саянского и Братского алюминиевых заводов, вводятся-
в действия новые производства алюминия.
В связи с этим особую значимость приобретают исследования, направленные на повышение эффективности лесных экосистем в санитарно-защитных зонах.
Актуальность темы определяется необходимостью анализа состоя
ния загрязнений районов расположения алюминиевых заводов, изучения
влияния создания зеленых насаждений санитарно-защитных зон, находя
щихся в условиях повышенного антропогенного загрязнения, отличаю
щихся устойчивостью и долговечностью.
Цель работь - комплексная экологическая оценка древесной растительности, почвы в санитарно-защитной зоне крупнейшего в России Братского алюминиевого завода (БрАЗ).
К основным задачам диссертационной работы относятся:
исследование степени повреждения древесной растительности санитарно-защитной зоны в зависимости от уровня загрязнения;
исследование динамики накопления фторидов в листьях и хвое растений;
исследование влияния загрязнения твердыми и газообразными фторидами на почвенную активность; исследование характера накопления газообразного фтора в атмосфере;
разработка комплекса мероприятии по повышению эффек
тивности санитарно-защитной зоны.
Научная новизна работы заключается в выявлении влияния твердых, газообразных и растворимых фторидов на эффективность гредоза-
РОС, НАЦИОНАЛЬНАЯ I
ШІЛ ПОТЕКА |
щитных функций санитарно-защитных зон алюминиевого производства, основным компонентом, которых являются естественные и искусственные насаждения, а также, в разработкекомплекса мероприятий по прогнозированию уровня загрязнения санитарно-защитных зон газообразными фторидами и повышению эффективности древесной растительности, усиливающей средозащитные функции санитарно-защитных зон.
Положения, выносимые на защиту: 1. Высокие концентрации фторидов оказывают угнетающее воздействие на древесную растительность в санитарно-защитной зоне БрАЗа. 2. Анализ загрязнения атмосферы фторит стым водородом позволяет, с высокой точностью моделировать данный процесс в различных метеоусловиях в течение года и по дням недели, 3. Динамика накопления фторидов в листьях в течение вегетационного периода свидетельствует о высокой кумулятивной способности фторидов в фотосинтезирующих тканях. 4. Комплекс лесохозяйственных мероприятий позволит повысить эффективность санитарно-защитных зон алюминиевых производств.
Практическое значение. Полученные результаты могут быть использованы для реконструкции санитарно-защитных зон алюминиевых предприятий. Комплекс мероприятий основан на мониторинге бйогеоценр-зов санитарно-защитной зоны и позволяет совершенствовать планирование организации древесной растительности, которая заключается в .локализации пространства, на котором происходит рассеивание загрязняющих веществ их миграция, аккумуляция и трансформация. Рекомендуется создание новой экологической системы наиболее устойчивой к фторидам. Работа проводилась в.рамках федерально-целевой программы, «Интеграция» (проект А0034 «Геофизические и биологические проблемы, экосистем»).
Обоснованность выводов и достоверность результатов подтверждены данными многолетних испедований обработанных с использова-нием-методов статистики и математического моделирования с проверкой моделей на адекватность.
Апробация работы. Основное..результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Леса Европейского региона - устойчивое управление и развитие» (г. Минск, 2002г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов БрПУ, международной конференции в г. Екатеринбурге, международной конференции «Лес-2003» в г. Брянске.
Публикации.. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в сборе, обработке, анализе экспериментального материала.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (105 наименований) и приложения. Она изложена на 157 страницах, включая 29 рис., и 19 таблиц.
Особенности производства алюминия с экологической точки зрения
Алюминий, наиболее распространенный металл (7 %), представлен; в земной коре, в основном, алюмосиликатами и бокситами. Широкий диапазон применения связан, прежде всего, с его низкой плотностью, высокой коррозионной; стойкостью, высокой электропроводностью, превосходными механическими свойствами, проявляющимися при низких,температурах, и потенциальной: способностью к рециркуляции, исключающей большие энергозатраты. Алюминий широко используется в строительстве, транспорте, энергетике, в пищевой промышленности, в качестве упаковочного материала.
Для производства первичного алюминия используется глинозем, получаемый сейчас из бокситов или нефелинов, и требуются значительные затраты тепла и электроэнергии. Эти энергозатраты сопоставимы с затратами, необходимыми для производства других металлов. При повторном же использовании алюминия нужна лишь незначительная часть (менее 5 %) от величины энергии, затрачиваемой при получении первичного алюминия [1,5, 10,12,13].
Обострение энергетического и экологического кризисов способствовало росту производства вторичного алюминия практически во всех ведущих капиталистических странах. Общий объем производства вторичного алюминия в капиталистических странах в 1987 г. достиг 4,6 млн. т, что составляет 27 % общего объема производства алюминия за рубежом, причем около 95 % его производства приходится на развитые страны.. Доля производства вторичного алюминия в общем объеме его производства. Достигла в Японии - 96 %, ФРГ -47, США - 35, Австралии - 6, Бразилии - 5, Канаде - 4, России - 19 %. Тенденции к росту выпуска металла из вторичного сырья сохраняется и в настоящее время. Предполагается увеличение объемов производства вторичного алюминия в развивающихся странах втрое, в развитых странах - вдвое. При производстве алюминия наблюдается значительные потери фтора, которые и приводят к негативным экологическим последствиям. В таблице 1.1. приведены потери фтора по различным механизмам.
Только 0,26 % водорода, содержащегося в воздухе, превращаются в HF, отсюда около 0,6 % от общего объема воздуха контактируется с электролитом. На основании таблицы 1.1. можно сделать вывод, что для ванн с обоженными анодами потеря фтора составляет 0,2 кг/т алюминия.
При производстве алюминия электролизом происходит хроническое загрязнение окружающей среды фтористыми соединениями, оксидами углерода и; серы, а также веществами первого класса опасности - соединениями ванадия, хрома, никеля, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), часть из которых обладает мутагенной и канцерогенной активностью.
Из перечисленных компонентов наиболее детально исследованы пути загрязнения окружающей среды фторидами. Поскольку выделение фторидов в атмосферу определяется, в основном, упругостью пара наиболее летучих фторидов, то для оценки потерь могут быть использованы эмпирические уравнения, предложенные Гротгеймом и Велчем [100]. Сравнительные оценки эффективности работы предприятий разных стран показывают, что общие потери фтора для электролизеров с обожженными и самообжигающимися анодами составляют 30 и 35 KTF/TAI соответственно [5]. От 60 до 97 % фтора улавливается в системах газоочистки и возвращается в процесс. Наряду с этим часть фтора возвращается с генерационным криолитом и извлекается из углеродных блоков футеровки.
Приземные концентрации вредных веществ зависят не только от объемов выбросов, но и от конфигурации источника. В отличие от типичных промышленных источников точечной конфигурации для алюминиевых заводов характерны так называемые линейные дымовые источники. Прогнозирование приземных концентраций газообразных, фторидов, выбрасываемых такими источниками, было выполнено в работе [5]. В таблице 1.2. приведены измеренные значения приземных концентраций вдоль средних линий, проведенных на различных расстояниях с подветренной стороны от дымового источника, представляющего собой 30 вытянутых в одну линию вытяжных отверстий с концентрацией выбрасываемого газа 1,1 млн 1.
Приведенные данные показывают, что особенно неблагоприятной обстановкой характеризуются пункты, расположенные на расстоянии 500 м от источника, при поперечном направлении ветра и скорости 3 м/с. В этих условиях степень разбавления не превышает 30, в то время как на расстоянии 1 и 1,5 км она составляет 44 и 50 соответственно. Кроме того, видно, что значение приземных концентраций при малых скоростях ветра гораздо выше в случае поперечного по отношению к зданию направления ветра, чем при продольном.
Газообразные фтористые соединения обнаруживают на расстоянии 30 км от алюминиевых заводов, а твердые частицы, содержащие фтор на расстоянии 5 км [5,40].
Загрязнение территории микроэлементами определяется рассеивающей способностью атмосферы в отношении твердых частиц и зависит от объема выбросов, конфигурации источника, гранулометрического и химического состава пыли.
Объекты исследований
Пробные площади закладывались, как можно ближе к одному из постов наблюдения за загрязнением воздуха, чтобы постоянно иметь данные о наличии и концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. При этом участки леса, отводимые под пробные площади, не должны иметь явно выраженных признаков влияния других факторов (рекреации, пастьбы скота и др.). Пробные площади закладывались по стандартной методике (ГОСТ 16128-70 "Пробные площади лесоустроительные") ] и подробно описанным в литературе методикам [6,4,17,49,51].
На каждой; пробной площади производился лесоводственно-геоботаническое описание, с указанием особенностей древостоя, подроста,, подлеска, напочвенного покрова и рельефа. Оценивалось санитарное состояние насаждений (наличие патогенных грибов, примерные запасы сухостоя), кроны деревьев верхнего яруса (характер охвоения, продолжительность жизни хвои, размеры, цвет и величина некроза на листьях, наличие сухих ветвей и суховер-шинностей).
Особое внимание при этом уделяли древостою - важнейшему компоненту лесных экосистем. Затем проводился сплошной перечет по ступеням толщины. Для каждого дерева замерялась высота. Данные перечета деревьев обрабатывались статистическим методом с вычислением средних значений. Общее состояние деревьев на постоянных пробных площадях оценивалось в баллах по методике [49]: I - здоровые деревья; II- ослабленные; III- сильно ослабленные; IY-усыхающие; Y - погибшие. Для оценки степени повреждения древесной растительности применялась следующая шкала классов дефолиации: 0 - полное ох-воение. Продолжительность жизни хвои не менее 3-х лет (по осенней оценке). Побеги и хвоя нормально развиты; 1 - слабая дефолиация (до 25 %). Возраст хвои - 2 года, побеги и хвоя хорошо развиты; 2 - сильная дефолиация (до 50 %), однолетняя хвоя сохранена.. Годичный прирост побегов часто снижен, встречаются отдельные сухие ветви в кроне; 3 - очень сильная дефолиация. Однолетняя хвоя сохранена, а хвоя старших возрастов лишь в небольшом коли 23 честве. Побеги и хвоя укороченные; 4 - дефолиация достигает 100 %, хвоя текущего года сохранена лишь частично, охвоение хвоей старшего возраста отсутствует или очень укороченная; крона сильно усохшая. Средний балл состояния и класс дефолиации деревьев на.пробных площадях рассчитывается как средневзвешенная величина. На пробных площадях производилась оценка и описание состояния деревьев.
На пробных площадях были заложены по 20 учетных площадок размером 2x2 м для учета подроста. В пределах этой площадки учитывался весь подрост с обязательным указанием породы, возраста и высоты, а также указывались замеченные повреждения. Учет естественного возобновления проводился с использованием методов лесной таксации [25]. Оценка проводилась по шкале ВНИИЛМ [25]. Результаты изучения обобщались в виде таблиц, графиков, показывающих влияние промвыбросов на состояние древостоев.
Определение фтора в растительности проводилось с помощью ионоселек-тивного электрода в зависимости от активности ионов фтора в растворах. Для определения накопления фтора в растительности пробы растительности отбирались ранней весной после полного распускания листьев и глубокой осенью перед опаданием листьев с одного и того же растения, дерева.
Листья тщательно отмывали дистиллированной водой, высушивали при температуре 105-110С, тщательно измельчали в агатовой ступке. Навеску растительности (0,5000 —1,000 г) смешивали с десятикратным количеством калий-натрий карбоната и сплавляли в платиновых тиглях в муфельной печи при температуре 500-600С в течение 3 часов. Сплав выщелачивали 30-50 мл дистиллированной воды, переводили в стакан, осторожно нейтрализовали 20 % соляной кислотой (по фенолфталеину), переводили в мерную колбу емкостью 100 мл, отбирали 10 мл, добавляли 10 мл буферного раствора. «БРОЙС» и замеряли ЭДС на РН-метре.
Определение уровня загрязнения почвы фторидами проводилось колориметрическим и потенциометрическим методом. Исследования микробиологической активности проведены на почвенных образцах, взятых на территории санитарно-защитной зоны, а также за ее пределами Интегральными показателями биологической активности почв являются следующие: интенсивность дыхания почв, азотфиксация. Дыхание и азотфиксацию определяли на одних и тех же образцах, в пенициллиновых флаконах в 2,5 в сухой почвы газохроматогра-фическими методами. Для точности повторность эксперимента была четырехкратная. Дыхание выражалось в миллилитрах на 1 кг почвы в час; Азотфиксацию оценивали по редукции ацетилена в этилен и определяли в нем С2 Щ на 1 кг. почвы в час или мкг N2 на 1 кг почвы в час Онм С2 Н4 =-10 MKrN2). Азотфиксацию определяли с внесением глюкозы, 2 % от веса почвы. Азотфиксацию почвенных образцов оценивали по редукции ацетилена в этилен и определяли в нем С2Н4/КГ почвы в час или мкг N2/KT почвы в час
Экспериментальные данные обработаны статически [52,61]. Для оценки достоверности наблюдений применялся критерий Стьюдента [61].
Исследования проводились на постоянных и временных пробных площадях. Всего пробных площадей было заложено Н, в том числе 4 постоянных пробных площади в санитарно-защитной зоне БрАЗа и 2 за ее пределам; и В временных пробных площадей. Количество деревьев на постоянных пробных площадей составляло 200 штук, а на временных по 100-150 штук.
природно-климатических условий района исследования
ОАО «Братский алюминиевый завод» (ОАО «БрАЗ») расположен на левобережье среднего течения р. Ангары на территории Братского административного района Иркутской области. Братск расположен в 600 км к северу от областного центра; — г.. Иркутска, на железнодорожной магистрали Москва-Л єна.
Промплощадка завода размещена в юго-западной части муниципального образования. Городские кварталы г. Братска находятся в северо-восточном направлении от алюминиевого производства на расстоянии 10 км по прямой.
Город Братск расположен на западном берегу Братского водохранилища, в северной его части, в районе пересечения Ангарского кряжа р. Ангарой где располагались ее, ныне затопленные крупнейшие пороги.
Согласно «Почвенно-географическому районированию СССР» исследуемый район относится к Братскому округу средневысотного плоскогорья Средне-Сибирской (Приангарской) возвышенности с дерновыми лесными почвами.
Рельеф в пределах городской территории преимущественно волнистый с плоскими холмами, чередующимися с широкими балками и. долиной р. Вихоревой. Общий перепад высот в пределах от 402 до 470 м. Средняя высота местности не превышает 500 м над уровнем моря, перепад высот различных форм рельефа обычно лежит в пределах 50-100 м. С юга и запада город окружен горными хребтами (хр. Долгий,.. Тырги, Теньги, Старуха, Толстый), высота которых в отдельных случаях достигает 700-800 мнад уровнем моря [45].
Рельеф местности района расположения алюминиевого предприятия также волнистый, полого-волнистый и характерен перепадом высот на расстоянии до 2-х км от промплощадки в пределах от 390 м - территория завода - до 480, местами 540 м. А именно: с западной стороны от завода на расстоянии- - 2,5 км расположена гора Моргудон (561,7 м), занимающая: господствующее положение в данном районе, имеющая пологие склоны в сторону р. Вихорева (350 м). Южнее г. Моргудон, на юго-западе от промплощадки на расстоянии - 2 км находятся несколько возвышенностей с отметками рельефа 479-483 м с пологими склонами в сторону промплощадки до отметки 397 м и в южном направлении до отметки 411м.
С востока и юго-востока, алюминиевый завод также окружен резко возвышенным: рельефом с плоско выпуклыми холмами с отметками рельефа 470-489 м, разъединенными понижениями-впадинами, сухими распадками.
С юга, севера и северо-запада прилегающие к промплощадке территории имеют равнинный рельеф, имеющий общий уклон в северном направлении, среднем от 411 м до 340 м в сторону р. Вихорева, протекающей в — 2,0 км с севера от алюминиевого завода.
С восточной стороны промплощадки с юга на север протекает ручей Малая Турма, впадающий в р. Вихорева.
Таким образом, существующий рельеф местности; прилегающих к промплощадке алюминиевого производства территорий не может не отражаться на рассеивании химических загрязняющих веществ, поступающих с промплощадки завода: в приземный слой атмосферы, и их миграции в компонентах экосистемы.
В Приложении 1 и 2 приведены климатические параметры теплого и холодного периода года. Учитывая, вышеизложенное, согласно данным СниП 23-01-99 (Строительная климатология) район расположения Братского алюминиевого завода характеризуется длительной холодной, умеренно снежной зимой, короткой засушливой весной, коротким умеренно-теплым летом, полузасушливой осенью. Средняя годовая и сезонная повторяемость направлений ветра приведены в Приложениях [3-7]. По всем временам года наибольшая средняя скорость ветра южного-юго-восточного направлений, их повторяемость 14,4 %. - 6,2 %. Ветры западного направления являются основными в течение всего года, их повторяемость составляет 36 %. Наибольшая их повторяемость зимой (42,7 %) и весной (39,8 %).
Учитывая, что и ветры юго-западного направления, составляющие 17,8 %, преобладают также в зимний и весенний периоды времени, то преобладающими являются ветры западного-юго-западного (54 %) направлений, в том числе: зимой — 63 %, летом — 38 %, весной - 60 %, осенью -49 %.
Летний, зимний и весенний периоды времени 13 %, 11,9 %, 10,7 %, соответственно, отличаются штилевой погодой.
Таким образом, основными переносчиками загрязняющих, веществ являются: ветры западных (36 %), юго-западных (17,8 %) и южных (14,4 %) направлений, являющиеся также опасными для района размещения: ОАО «БрАЗ», т.к. они дуют в сторону г. Братска и п. Чекановский. Средняя месячная и максимальная скорости ветра приведены в таблице 3.1.
Для? всех направлений ветра характерна малая непрерывная продолжительность, но были отмечены случаи, когда юго-западный и западный ветры отмечались 2-3 суток подряд.
Учитывая, что температура воздуха является одним из важнейших критериев, оказывающим непосредственное влияние как на жизнедеятельность всех живых организмов, так и на скорость протекания химических процессов, для решения многих практических вопросов, связанных с миграцией и трансформацией химических загрязняющих веществ,, очень важны минимальные значения» до которых понижается температура воздуха и длительность этого периода. Средняя годовая температура воздуха в г. Братске отрицательная (-2,0-2,2 С) [45]. Холодный период (со средней суточной температурой ниже 0 С) длится в среднем 6 месяцев - со второй декады октября до третьей І декады апреля. Со второй половины зимы начинается повышение температуры воздуха, наиболее значительное весной в марте-мае. В этот период температура от месяца к месяцу возрастает на 8 ч-10 С.
