Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздействие продуктов сгорания твердого топлива на компоненты экосистем 8
1.1. Характеристика источника воздействия 8
1.2. Воздействие кислотных выпадений на компоненты экосистем 13
1.2.1. Устойчивость почвенного покрова к кислотному воздействию 15
1.2.2. Влияние кислотных выпадений на состояние растительного покрова 28
1.3. Поведение перхлоратов в окружающей среде 34
Глава 2. Объекты и методы исследований 39
2.1. Характеристика природно-климатических условий 40
2.2. Методики проведения полевых и лабораторных исследований и обработки материала 67
Глава 3. Оценка состояния компонентов экосистем в зоне влияния предприятия 75
3.1. Состав атмосферного воздуха 75
3.2. Геохимические особенности природных вод 76
3.3. Химические свойства почв 78
3.4. Состояние растительного покрова 96
3.5. Заключение о состоянии компонентов экосистем 100
Глава 4. Прогноз изменения южно-таежных экосистем при утилизации ракетных двигателей 102
4.1. Оценка критических кислотных нагрузок 102
4.2. Прогноз атмосферных выпадений продуктов сгорания твердого топлива в зависимости от погодных условий 110
4.2.1. Условия рассеивания и распространения облака продуктов сгорания 110
4.2.2. Моделирование выпадения соляной кислоты на поверхность почв 116
4.2.3. Зависимость количества выпадений соляной кислоты от погодных условий 124
4.3. Влияние кислотных выпадений на свойства почв 134
Выводы 142
Список литературы 144
Приложение 158
Приложение А Описание растительности зоны воздействия предприятия по утилизации РДТТ 159
Приложение Б Результаты статистической обработки материалов химического анализа поверхностных образцов почв 162
Приложение В Сравнение математических ожиданий показателей почвенной кислотности поверхностных образцов почв 164
Приложение Г Принципиальная схема математической модели выпадения продуктов сгорания на поверхность почв 166
Приложение Д Результаты расчетов термодинамических выпадений при рассеивании облака продуктов сгорания в разных погодных условиях 167
Приложение Е Результаты лабораторного модельного эксперимента по воздействию кислых растворов на химические свойства почв 170
- Устойчивость почвенного покрова к кислотному воздействию
- Характеристика природно-климатических условий
- Химические свойства почв
- Условия рассеивания и распространения облака продуктов сгорания
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время твердое топливо применяется для широкого спектра ракетных двигателей. По истечении срока служебной пригодности или вследствие разоружения проводится ликвидация ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ, твердотопливных ракет). В России в качестве основного метода утилизации РДТТ рассматривается бессопловое сжигание (прожиг), которое проводится на производственных комплексах, расположенных в г. Бийск (ОАО «ФНПЦ «Алтай»), г. Пермь (ОАО «НИИПМ») и г. Красноармейск (ФКП «НИИ «Геодезия»). Горение топлива сопровождается сложными и многочисленными химическими реакциями с образованием газообразных и мелкодисперсных твердых веществ. Основную массу продуктов сгорания составляют соляная (хлористоводородная) кислота и окись алюминия. Соляная кислота, поступая в почву, повышает ее кислотность, что вызывает ряд изменений как химических свойств самих почв, так и состояния растительности. Кроме того, есть сведения о неполном сгорании перхлората аммония - вещества второго класса опасности (Справочник..., 1999), приводящем к его поступлению в природные ландшафты (Экологические проблемы., 2000).
Исследования проблемы утилизации РДТТ носят разнонаправленный характер. Основная масса работ посвящена особенностям горения различных топлив и разработке безопасных способов утилизации зарядов (Высокоэнергетические материалы., 2005, 2007, 2008, 2010, 2012). Оценка экологических последствий сжигания РДТТ сводится, преимущественно, к мониторинговым исследованиям состояния экосистем территорий, прилегающих к стендам (Кречетов и др., 2008, Пузанов и др., 2008, Батракова и др., 2008). Отдельный блок работ направлен на моделирование формирования и рассеивания облака продуктов сгорания (Ворожцов и др., 2005, Суслонов и др., 2005, Технические., 2009). В то же время, широко распространены работы по исследованию техногенного воздействия кислотных осадков на компоненты экосистем (Заиков и др., 1991, Почвенно-экологический..., 1994, Копцик и др., 1998, Кислотные., 1999, Взаимодействие., 2001, Ливанцова, 2006 и многие др.).
В связи с этим, представляется необходимой комплексная оценка степени техногенного воздействия продуктов сжигания твердого ракетного топлива, которая, основываясь на анализе устойчивости экосистем, позволила бы определить уровень допустимой нагрузки в зонах влияния стендов по утилизации РДТТ.
Целью работы является определение степени техногенного воздействия и оценка уровня допустимой антропогенной нагрузки на южно-таежные экосистемы при утилизации твердотопливных ракет.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
оценить степень загрязнения компонентов экосистем в результате утилизации твердотопливных ракет с учетом исходной дифференциации природных условий;
определить уровень допустимого воздействия загрязняющих веществ на экосистемы, используя концепцию критических нагрузок и экспериментальное лабораторное моделирование;
оценить вероятность атмосферных выпадений продуктов сгорания методами математического моделирования;
выявить экосистемы, наиболее подверженные риску загрязнения продуктами сгорания твердого топлива, исходя из природно-климатических особенностей территории.
Материалы и методы исследований. Объектом диссертационных исследований являются экосистемы в зоне влияния предприятия по утилизации РДТТ, находящегося в Пушкинском районе Московской области вблизи города Красноармейск (на территории ФКП НИИ «Геодезия»). В работе применен комплекс методов, включающий полевые исследования, химический анализ, статистическую обработку данных, экспериментальное лабораторное и математическое моделирование, применение ГИС-технологии. Автор принимал непосредственное участие во всех этапах проведения исследований. Полевые исследования проведены в период 2007 - 2010 гг. Было отобрано 20 проб атмосферного воздуха, 40 проб снежного покрова, 29 проб поверхностных вод и 524 пробы почв (поверхностные и по генетическим горизонтам). Проведено 28 описаний почвенно-растительного покрова, выполнено 16 укосов надземной фи- томассы. Химико-аналитические работы проведены на географическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова и в Центре гигиены и эпидемиологии №154 Федерального медико-биологического агентства (ФМБА). Методами математической статистики проведен анализ результатов мониторинговых наблюдений. Выполнены расчеты критических кислотных нагрузок на южнотаежные экосистемы, верифицированные в ходе лабораторного эксперимента. Количественные параметры возможного воздействия получены с помощью математического моделирования процесса перемещения облака продуктов сгорания и выпадения их на поверхность почв в конкретных условиях. Для визуализации результатов построена серия карт.
Научная новизна. В работе даны предложения по решению актуальной задачи в области геоэкологии - обеспечению экологической безопасности хозяйственной деятельности человека на основе моделирования геоэкологических процессов. Представлена комплексная оценка воздействия утилизации РДТТ на экосистемы в зоне влияния предприятия по утилизации. На основе данных полевых и лабораторных исследований доказана вероятность трансформации химических свойств почв в результате импактного воздействия продуктов сгорания твердого топлива. По разработанной автором математической модели рассчитаны возможные количества и условия выпадений соляной кислоты в процессе перемещения облака продуктов сгорания. Выявлены районы, наиболее подверженные риску загрязнения в результате утилизации РДТТ.
Практическая значимость. На основе модельных данных рассчитано
количество прожигов РДТТ, которое не приведет к изменениям в строении и
функционировании экосистем на границе санитарно-защитной зоны предприятия.
Полученные по итогам работы результаты могут быть использованы при
составлении планов-графиков утилизации РДТТ с учетом погодных условий и
характера экосистем в зонах наибольшего риска техногенного загрязнения.
Материалы работы включены в научно-технические отчеты «Исследование
экологических последствий ликвидации зарядов РДТТ методом сжигания в 2010
году в ФКП НИИ «Геодезия» (по договору №18/410-СВ29/08 с ЗАО «Промтекон»,
-
-
и «Разработка научно-методических основ оценки эколого-геохимической устойчивости ландшафтов к техногенному воздействию» (по соглашению с Ми- нобрнауки №8673, 2012).
Защищаемые положения:
-
-
-
Загрязнение ландшафтов в зоне техногенного воздействия предприятия по утилизации твердотопливных ракет носит точечный характер и возможно в пределах 30-километровой зоны. Наиболее подверженными воздействию продуктов сгорания являются экосистемы, расположенные на расстоянии до 10 км к северу и северо-западу от источника воздействия.
-
Степень воздействия продуктов сгорания твердого ракетного топлива на южно-таежные экосистемы зависит от локализации выпадений загрязняющих веществ, которая определяется погодными условиями на момент утилизации ракетных двигателей. Негативное воздействие продуктов сгорания за пределами сани- тарно-защитной зоны возможно при импактных выпадениях хлористого водорода, которые обусловлены попаданием облака продуктов сгорания в зону дождевых осадков.
-
Южно-таежные экосистемы обладают высокой способностью к самоочищению от продуктов сгорания твердого топлива. Наиболее чувствительными к кислотным выпадениям являются сосняки на подзолах, а наименее - агроценозы на дерново-подзолистых освоенных почвах. За пределами санитарно-защитной зоны импактное воздействие продуктов сгорания не приводит к устойчивому изменению состава и свойств компонентов экосистем.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на: Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург,
-
-
, Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности» (Москва, 2011), Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть работ, из которых три - статьи в журналах, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Работа изложена на 170 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и 32 таблицами. Список литературы включает 162 отечественные и 103 зарубежные работы, а также 9 интернет- источников.
Устойчивость почвенного покрова к кислотному воздействию
Основы концепции устойчивости геосистем и почв к техногенезу разработаны М.А. Глазовской (1978, 1990). Степень устойчивости почв к химическому загрязнению определяется целым рядом факторов: содержанием и качественным составом гумуса, мощностью гумусового горизонта, гранулометрическим составом, содержанием карбонатов, составом и содержанием глинистых минералов, емкостью катионного обмена, биологической активностью почв, мощностью почвенного профиля, составом и свойствами почвообразующей породы, уровнем грунтовых вод. Для лесных почв существенное значение имеют также мощность и запасы лесной подстилки, скорость деструкционных процессов. Кроме того влияет содержание растворимых форм соединений загрязняющих элементов, обусловливающее их доступность растениям и миграционную способность.
Устойчивость почв понимают, во-первых, как способность к сохранению (до известного предела техногенного воздействия) своего нормального функционирования как биокосных систем. Несмотря на то, что устойчивость почв к техногенному воздействию превышает таковую для биологических и минеральных природных сред, она не является безграничной. Способность почв поддерживать на постоянном уровне содержание какого-либо компонента в почвенном растворе почв называют буферностью (Мотузова, 2000). Во-вторых, устойчивость природных систем в общем и почв в частности рассматривается как способность последних к восстановлению нормального функционирования после прекращения техногенного воздействия (Глазовская, 1997, 1999).
Под устойчивостью почв к воздействию кислотных поллютантов понимают их способность противостоять проявлению негативных последствий такого воздействия. Устойчивость почв к кислотной нагрузке зависит от совокупности свойств и процессов, протекающих в почве и в экосистеме в целом, особенностей состава атмосферных выпадений и основных закономерностей взаимодействия кислотообразующих поллютантов с почвами и их компонентами. Характер и степень проявления негативных последствий определяются, прежде всего, особенностями функционирования и емкостью систем буферности в разных почвах.
Кислотно-основные свойства почв определяются двумя видами почвенной кислотности - актуальной и потенциальной (Рисунок 1.3). Актуальная кислотность оценивается по величине рН в почвенном растворе (Соколова и др., 2007). Источником протонов в почвенном растворе являются диссоциированная угольная и многочисленные специфические и неспецифические органические кислоты, а также соединения Al, Fe, Мп, проявляющие кислотные свойства. В условиях техногенного загрязнения источником протонов в растворе могут быть сильные минеральные кислоты.
Потенциальную кислотность, обусловленную поглощенными катионами 㥠или А13+, делят на обменную и гидролитическую (Воробьева, 2006). Обменная кислотность обусловлена ионами, находящимися в диссоциированном состоянии при кислой или нейтральной реакции, которые удерживаются на поверхности коллоидных частиц преимущественно электростатическими силами и вытесняются при взаимодействии почвы с раствором нейтральных солей.
В минеральных почвенных горизонтах большинства почв основным носителем обменной почвенной кислотности являются ионы алюминия. Присутствие обменного водорода как носителя обменной почвенной кислотности характерно для органогенных горизонтов почв.
Кроме обменных водорода и алюминия в кислых почвах присутствуют кислотные компоненты, которые переходят только в раствор гидролитически щелочных солей - необменная почвенная кислотность. В таком случае происходит более полная диссоциация ионогенных групп на поверхности почвенных коллоидов, приводящая к вытеснению из их внешнего слоя как тех ионов, которые способны к обмену при кислой и нейтральной реакции, так и ту часть ионов, которая дополнительно диссоциирует при щелочной реакции. Таким образом, обменная кислотность является частью гидролитической кислотности (Яковлева, Латыпова, 1995).
В качестве одного из показателей почвенной кислотности в химии почв широко используется степень ненасыщенности ППК основаниями, которая рассчитывается как процентная доля обменных водорода и алюминия от емкости катионного обмена.
Кислотно-основная буферность является одной из фундаментальных почвенных характеристик, которая определяется как способность почвы противостоять изменению значения рН при добавлении кислоты или основания (Химические основы..., 1991). Для оценки кислотно-основной буферности почв используются такие показатели, как емкость и интенсивность буферности. Емкость буферности определяется как количество кислоты, которое необходимо прибавить к почвенной вытяжке или суспензии, чтобы изменить значение рН до величины, свойственной кислоте или основанию. Интенсивность буферности характеризует отношение количества поступающей кислоты и изменения рН, которое при этом произошло (Химические основы..., 1991). В зарубежной литературе для оценки буферности почв широко используется термин «кислот-нейтрализующая способность почв» (Essington, 2004)
Поскольку в почве редко реализуются условия равновесия, взаимодействие почвы с кислотными и основными реагентами часто невозможно рассчитать исходя из законов классической термодинамики равновесных систем. Поэтому интенсивность и емкость кислотно-основной буферности почв оценивается в основном на основании эмпирических данных, чаще всего - по кривым потенциометрического титрования.
Буферность почвы зависит от содержания и состава илистой фракции, органического вещества и оксалатнорастворимого алюминия (Соколова, Дронова, 1993). Теоретические представления об основных реакциях и механизмах взаимодействия почв с кислотными реагентам были разработаны в 80-х годах XX века немецкими исследователями Ульрихом и Швертманом. В соответствии с их концепцией буферных зон в процессе взаимодействия с кислыми осадками почва проходит ряд стадий, каждая из которых характеризуется определенным диапазоном значений рН и определенным доминирующим буферным механизмом, с помощью которого происходит нейтрализация ионов водорода (Таблица 1.2) (Копцик и др., 1998, Соколова и др., 2007, Wang et al., 2010). В качестве отдельного параметра рассматривается концентрация в растворе токсичных соединений алюминия.
Следует отметить, что емкость силикатной буферной зоны можно считать практически неограниченной, поскольку в большинстве почв силикатный материал составляет основную часть твердой фазы. Однако скорость растворения силикатов мала (0,2-2 кмоль/га/год) и контролируется скоростью отделения поверхностных протонированных комплексов от кристаллической решетки. Если учесть, что в районах выпадения кислых осадков протонная нагрузка составляет от 1 до 7 кмоль/га/год, можно заключить, что скорость буферных реакций силикатной буферной зоны обычно не может обеспечить нейтрализацию поступающих протонов и отсутствие прогрессивного подкисления почв (Взаимодействие..., 2001).
Характеристика природно-климатических условий
Район исследований согласно природно-географическому районированию относится к Московской физико-географической провинции (Анненская и др., 1997).
Геологическое строение и почвообразующие породы
Изучаемая территория находится в центральной части Русской платформы, в пределах Московской синеклизы и по направленности современных геологических процессов относится к аккумулятивно-денудационному типу территорий. Мощность толщи осадочных пород, залегающих на кристаллическом докембрийском фундаменте, колеблется здесь от 2 до 3 тыс. м (Геология СССР, 1971).
Кристаллический фундамент покрывает чехол (до 500м) чередующихся слоев песчаников, алевролитов и аргиллитов вендской системы. Каменноугольная и девонская системы представлены широким спектром отложений, суммарная мощность которых достигает 800м. В то же время мощность кембрийских отложений не превышает 100м. Выше залегает тонкая (до 10м) фрагментарная прослойка нижнепермских отложений (ассельский ярус), сложенный доломитизированными известняками и доломитами. На дочетвертичную поверхность исследуемой территории выходят отложения юрского и мелового возраста, представленные разнообразными породами. Мощность юрских и меловых отложений достигает 50-150м (Геологическая карта дочетвертичных..., 1998). Глины юрского периода, образуя водоупорный горизонт, существенно влияют на современный облик территории, являясь причиной заболачивания.
Четвертичный период сыграл наибольшую роль в становлении ландшафтов исследуемой территории. В этот период регион трижды подвергался оледенению. Наиболее древнее оледенение - окское, полностью покрывало территорию, но отложения этого ледника практически не сохранились. Геолого-геоморфологическое развитие территории проходило под решающим воздействием днепровского и московского ледниковых покровов (Спиридонов и др., 1994). Мощность днепровской морены на изучаемой территории колеблется от 5 до 20 м (Белая и др., 2001). Днепровская морена состоит в основном из серовато-коричнево-бурых неоднородных суглинков с большим количеством гравия, гальки, щебня, валунов (обычно резко преобладает обломочный материал). На поверхность эта морена выходит только на сильноэродированных участках. Обычно же она покрыта водно-ледниковыми отложениями.
Московская морена представлена в основном красновато- или коричнево-бурыми валунными суглинками и супесями, в целом, более песчанистыми, чем породы днепровской морены. В период отступления Московского оледенения очень сильным было обводнение приледниковой зоны. Наклон коренных пород к югу обусловил концентрацию здесь стока ледниковых вод, в том числе и московского ледника, что привело к размыву моренной равнины и накоплению сравнительно мощных водно-ледниковых отложений (Дик и др., 1949). Вдоль дочетвертичных эрозионных врезов сформировалась местность долинных зандров, к которым ныне приурочена долина реки Вори (Анненская и др., 1997).
Водно-ледниковые отложения разного возраста представлены чаще всего мелко- и среднезернистыми песками, содержащими прослои крупнозернистых песков, гравия, гальки, а также суглинков. Реже водно-ледниковые отложения бывают суглинистыми, опесчаненными.
Последнее, Валдайское, оледенение не затронуло территории. Московской области непосредственно, но оказало влияние на формирование ее рельефа. В этот период сложились нынешние первые надпойменные террасы и связанная с ними овражно-балочная сеть. Широко развитые в это время солифлюкционные и криогенные (криотурбации, трещиноватость, пучение и т.д.) процессы послужили причиной не только перераспределения водонасыщенных масс по рельефу, но и глубокой переработки материала.
Существует точка зрения, что покровные суглинки, которые широко распространены на данной территории и перекрывают днепровскую и московскую морены, являются продуктами существенной переработки морены указанными процессами (Кизевальтер, Рыжова, 1985).
Мощность покровных суглинков на изучаемой территории колеблется от нескольких десятков сантиметров до 2-5 м. Они имеют палево-бурый цвет, довольно однородный состав по всей мощности. В гранулометрическом составе обычно преобладают пылеватые фракции. В валовом составе покровных суглинков господствует кремнезем (75-85%). Содержание оксидов Са + Mg составляет около 2%, полуторных оксидов (А1203 + Fe203) -около 10-15% (Почвы Московской области..., 2002).
Покровные суглинки наименее устойчивы к плоскостному смыву и линейному размыву по сравнению с другими почвообразующими породами (Несмеянова, Пацукевич, 1984). Поэтому в областях конечно-моренного холмистого рельефа, а также на эродированных участках волнистых моренных равнин почвообразующими породами являются днепровская и московская морены. В пределах водораздельных поверхностей также фрагментарно распространены песчаные, супесчаные и гравийно-галечные отложения озов и камов московского возраста. Долины рек обрамлены водно-ледниковыми отложениями донского и московского возраста, представленными песками, супесями, суглинками и изредка глинами мощностью около 15м. На крутых склонах возможны выходы на поверхность дочетвертичных отложений.
Долинные комплексы выполнены аллювиальными отложениями плейстоценовыми отложениями мончаловского, осташковского (первая надпойменная терраса) и калининского (вторая надпойменная терраса) горизонтов. Современный аллювий достигает по мощности 20м, имеет разнообразный гранулометрический состав (Геологическая карта четвертичных..., 1998) и в целом более высоко отрофован, чем пески и суглинки иного генезиса (Фридланд, Сорокина, Шершукова, 1980).
Среди современных отложений встречаются также болотные (торф, перегной мощностью до 10м), аллювиально-делювиальные (балочный аллювий - опесчаненные суглинки с прослоями песков и супесей, пески), делювиальные (суглинки, пески, супеси), пролювиальные (суглинки и пески).
Рельеф
Исследуемая территория расположена на стыке Клинско-Дмитровской моренноэрозионной возвышенности, являющейся частью Смоленско-Московской возвышенности, и Приклязьминской наклонной равнины (северная часть Мещерской зандровой низменности) (Вагнер, Манучарянц, 2003). Это область моренного рельефа в пределах Московского оледенения, переработанного последующими эрозионными процессами и водноледниковые равнины того же оледенения, для нее характерен холмисто-моренный рельеф с плосковершинными холмами и грядами абсолютной высотой 250-300 метров и заболоченными котловинами между ними, во многих из которых сейчас размещаются озера.
Среди крупных форм рельефа на территории района можно выделить следующие: полого-холмистые моренные равнины, зандровые поверхности, древние ложбины стока талых ледниковых вод, высокие и низкие надпойменные террасы и поймы рек (Все Подмосковье, 1967).
Встречаются крупнохолмистые (высота холмов превышает 20м), средиехолмистые (10-20м) и мелкохолмистые (до 10м) равнины. Холмы имеют округлые очертания с выпуклыми вершинами. Распространены холмы с плоскими или слабо-выпуклыми вершинами, образующие полого-холмистые равнины (Рисунок 2.2). Плоские и волнистые моренные равнины образовались за счет равномерной ледниковой аккумуляции моренного материала над выровненным коренным рельефом.
Вследствие широко распространения эрозионных процессов исследуемая территория характеризуется наличием большого количества оврагов, балок, лощин. Кроме того, имеют место проявления оползневых и картовых процесоов. Наибольшее площадное распространение среди эрозионных процессов имеет делювиальный смыв (Болысов, Рубина, 1994).
Химические свойства почв
Актуальная кислотность (рН водной суспензии)
По значениям рН почвы исследуемой территории четко разделяются на две группы: дерново-подзолистые почвы под лесной растительностью (в среднем рН составляет 4,5) и освоенные дерново-подзолистые почвы сельскохозяйственных угодий (характеризуются слабокислой, близкой к нейтральной, средой) (Рисунок 3.1, Приложение Б). Менее кислая реакция почв сельскохозяйственных угодий обусловлена большим поступлением зольных элементов и известкованием почвы.
Взаимосвязь между величиной рН в лесных почвах и почвах сельскохозяйственного назначения и удаленностью от источника воздействия не установлена.
Минимальные значения рН лесных почв на глубине 0-5 см в июне составляют в разные годы от 3,0 до 4,3, а максимальные 5,4-6,6. Для почв под травянистой растительностью эти величины равны соответственно 3,6-5,9 и 6,1-7,4. рН почв на глубине 5-20 см имеет тенденцию к небольшому снижению относительно рН почв на глубине 0-5 см в лесных почвах и, напротив, к некоторому увеличению в пахотных почвах (Рисунок 3.1). В целом, почвы, расположенные в юго-восточном направлении относительно источника воздействия, характеризуются более широким интервалом значений рН как под естественной растительностью, так и под сельскохозяйственной.
Статистический анализ массивов данных показал, что в 2009г. (этот год вследствие отсутствия прожигов рассматривается нами как фоновый) в июне на глубине 5-20 см как лесные, так и пахотные почвы юго-восточного направления характеризуются более низкими значениями рН, чем почвы северо-западного направления (Приложение В). Сравнение данных по сезонам года выявило наличие в сентябре падения значения рН в среднем на 0,5 единицы.
Анализ межгодовых различий показал, что 2010 год характеризуется наименьшей актуальной кислотностью, за редким исключением изменение рН статистически достоверно. Так, естественные почвы под пологом леса в 2008 и 2009 гг. имели значения рН 3,9 и 4,3, что характеризовало их как сильнокислые почвы. В 2010 году значение рН в лесных почвах увеличилось, в среднем, на единицу, и тем самым по градации значений рН почвы могут быть переведены в категорию кислых. В почвах сельскохозяйственного назначения также наблюдается межгодовая динамика. Самые высокие средние значения рН за рассматриваемые годы относятся к 2010 г. - рН=6,5, что выше на единицу по сравнению с 2008 и 2009 годами (рН=5,6 и 5,7). Этот факт вызван, вероятнее всего, более сухим началом 2010 года (по данным www.meteoinfospace.ru). Кроме того, статистически достоверно проявляются более кислые условия в лесных почвах юго-восточного направления в 2008 году относительно 2009 года. На глубине 0-5 см рН этих почв составляет в среднем 4,0 и 4,8 соответственно, а на глубине 5-20 см - 3,7 и 4,0.
Обменная кислотность
Результаты определения обменной кислотности почв исследуемой территории показывают большой разброс ее значений в верхнем органогенном горизонте лесных почв: от 0,06 до 8,33 ммоль(+)/100г на глубине 0-5 см в разные годы и 0,10-8,91 ммоль(+)/100г на глубине 5-20 см (Приложение Б). Почвы залежных земель и пашен по сравнению с лесными почвами имеют значительно более низкие показатели обменной кислотности (Рисунок 3.2) (0,05-0,39 и 0,06-1,61 ммоль(+)/100г на глубинах 0-5 и 5-20 см соответственно).
Анализ средних значений обменной кислотности выявил, что, в целом, для почв исследуемой территории характерно увеличение обменной кислотности в слое 5-20 см по сравнению со слоем 0-5 см.
Обменная кислотность обусловлена присутствием обменных водорода и алюминия. В лесных почвах алюминий играет определяющую роль в формировании обменной кислотности. В пахотных почвах часто на первые позиции выходит обменный водород.
Среднее содержание обменного алюминия в лесных почвах в слое 0-5 см колеблется от 0,58 до 4,59 ммоль(+)/100г, при этом минимальное его содержание в июне в разные годы составляет 0,01-0,81 ммоль(+)/100г, а максимальное 2,46-7,74 ммоль(+)/100г. Ниже его содержание имеет тенденцию увеличиваться (Рисунок 3.2), максимальное значение составляет 8,76 ммоль(+)/100г. В почвах залежей и пашен в разные годы в июне среднее содержание алюминия на порядок ниже и несколько снижается в нижней части пахотного горизонта - 0,01-0,05 и 0,02-0,11 ммоль(+)/100г на глубине 0-5 см и 5-20 см соответственно. При этом не являются исключением почвы, в которых вообще отсутствует обменный алюминий.
Анализ средних содержаний обменного водорода в разные годы показывает несколько более высокие значения этого показателя в лесных почвах - 0,13-0,29 ммоль(+)/100г в слое 0-5 см и 0,12 - 0,23 ммоль(+)/100г в слое 5-20 см, тогда как для почв под травянистой растительностью характерны величины 0,07-0,12 и 0,08-0,16 ммоль(+)/100г соответственно. Максимальные значения не превышают 0,6 ммоль(+)/100г в лесных почвах и 0,3 ммоль(+)/100г в почвах сельскохозяйственного значения.
Статистический анализ показателей обменной кислотности почв показывает наличие достоверного уменьшения осенью содержания обменного водорода во всех почвах (Приложение В). Кроме того, в почвах под травянистой растительностью в юго-восточном направлении (относительно источника воздействия) происходит снижение количества обменного алюминия и обменной кислотности в целом (Приложение В). В северо-восточном направлении, напротив, осенью в пахотных почвах на глубине 5-20 см происходит увеличение обменной кислотности, обусловленное ростом обменного алюминия.
Межгодовая изменчивость показателей обменной кислотности статистически наиболее выражена для содержания обменного водорода. Изменения содержания обменного алюминия и общей обменной кислотности более характерны для слоя 0-5 см. В целом, тенденции изменения обменной кислотности лесных почв и почв сельскохозяйственных угодий носят разнонаправленный характер (Рисунок 3.2) и обусловлены поведением обменного алюминия. Зависимость содержания обменного водорода и алюминия от удаления от источника воздействия не установлена.
Анализ содержания обменных кальция и магния показал, что в целом лесные почвы исследуемой территории характеризуются слабой степенью ненасыщенности почвенно-поглощающего комплекса основаниями, которая в среднем составляет около 15-25%. Сельскохозяйственные почвы содержат значительные количества обменных кальция и магния, которые в сумме могут достигать 20 ммоль(+)/100г. На фоне низких показателей обменной кислотности это обусловливает высокую степень насыщенности почвенно-поглощающего комплекса основаниями.
Соотношение содержания обменных кальция и алюминия в основной массе исследованных почв не опускается ниже критического уровня, равного 1. Единично в лесных почвах наблюдаются значения, равные 0,8-0,9, что указывает на вероятность подкисления почв.
Гидролитическая кислотность
Почвы сельскохозяйственного использования отличаются от естественных лесных почв низкими содержаниями гидролитической кислотности. На глубине 0-5 см гидролитическая кислотность лесных почв составляет в среднем 7,84 - 13,74 ммоль(+)/100г, в то время как под сельскохозяйственными угодьями значение этого показателя в среднем колеблется от 1,74 до 3,62 ммоль(+)/100г (Приложение Б).
Вариабельность гидролитической кислотности почв под лесными массивами существенно выше, чем в почвах залежей и пашен. Так, в лесных почвах минимальное определенное значение гидролитической кислотности составило 2,27 ммоль(+)/100г, а максимальное - 23,49 ммоль(+)/100г. Для сельскохозяйственных почв же эти показатели составляют 0,81 и 5,89 ммоль(+)/100г соответственно. Также естественные почвы характеризуются быстрым падением гидролитической кислотности с глубиной (в среднем более чем на 1,5 ммоль(+)/100г), а в пахотных почвах снижение гидролитической кислотности редко превышает 0,5 ммоль(+)/100г (Рисунок 3.3).
Условия рассеивания и распространения облака продуктов сгорания
Распространение загрязняющих веществ в атмосфере определяется двумя основными процессами: конвективным переносом с потоками воздуха и диффузией за счет турбулентности (Меньшиков, Швыряев, Захарова, 2005, Наац, Наац, 2010). Поэтому на размер и распространение облака продуктов сгорания РДТТ влияет множество факторов. Существующие расчетные методы по определению параметров загрязнения атмосферным путем базируются на рассмотрении диффузии облака загрязняющего вещества применительно к условиям турбулизации потока в атмосфере (Суслонов и др., 2005; Fisher, 1984; Ellenton et al, 1988). Время дня, солнечное освещение, степень облачности и сила ветра играют главную роль в определении уровня дисперсности атмосферы и таким образом оказывают влияние на величину зон возможного воздействия. На концентрацию загрязняющих веществ в осадках влияют также тип осадков и их количество (Styer, Stein, 1992).
Большое количество тепла, выброшенное в атмосферу мгновенно (как это происходит при утилизации РДТТ методом сжигания), вызывает атмосферную конвекцию - упорядоченное движение воздуха по вертикали, причиной которого является архимедова сила, действующая на нагретый объем воздуха, имеющий меньшую по сравнению с окружающей средой плотность (Аксаков, 2004). После достижения высоты стабилизации, которая может составлять 1-2 км, облако начинает перемещаться с потоком воздуха. Инструментальные наблюдения за перемещением облака продуктов сгорания были проведены В.М. Суслоновым и др. (2005) при 3 испытаниях. Установлено, что облако продуктов сгорания поднимается на высоту более 1 км от поверхности земли. Верхний край облака достигал высоты 1,5 км, а нижний край находился не ниже 0,8-1,0 км. При перемещении происходит быстрое рассеивание примеси вследствие турбулентной диффузии, ослабленной на этой высоте, и продолжается гравитационное оседание аэрозоля или оставшихся твердых частиц, начавшееся еще при подъеме облака. Таким образом, на рассеивание облака влияют несколько физических процессов: диффузия, осаждение, перенос ветром.
В зависимости от погодных условий рассеивание облака может занимать разное количество времени и в результате неблагоприятных условий стратификации (Таблица 4.4) приводит к возникновению повышенных приземных концентраций загрязняющих веществ в произвольных точках области воздействия предприятия.
Условия, способствующие накоплению примесей в атмосфере, можно разделить на несколько типов (Технические..., 2009):
1. Ночные или утренние инверсии, которые образуются в нижнем, приземном слое атмосферы до высоты і 00-200 м за счет радиационного выхолаживания земной поверхности;
2. Приподнятые инверсии антициклонов или барических гребней;
3. Приподнятые инверсии, представляющие собой атмосферный фронт;
4. Малоградиентное поле пониженного или повышенного давления, с которым связаны слабые скорости ветра, а при наличии облачности отсутствует интенсивная конвекция;
5. Осадки обложного типа.
В указанных погодных условиях, в целях снижения негативного экологического воздействия, не рекомендуется проводить сжигание РДТТ на открытых стендах. Подобные условия формируются преимущественно при классах устойчивости атмосферы Е, F и G.
Проведенные В.М. Суслоновым с соавторами исследования (2005) показали, что в процессе первоначального подъема и расширения облака средняя концентрация хлористого водорода в нем за несколько первых минут уменьшается в десятки раз (до 100-1000 мг/м ). За расчетное время 40 минут облако может удаляться от стенда утилизации на расстояние более 40 км, ширина следа облака не превышает в основном 2-4 км. При этом области приземных концентраций и сами максимальные концентрации загрязняющих примесей варьируют в широких приделах и зависят как от метеорологических условий, так и от типов двигателей. Результаты их расчетов показывают, что при классах устойчивости атмосферы А, В и С за пределами 3-х километровой зоны от стенда приземные концентрации не превышают ПДК по хлористому водороду и оксиду алюминия для всех рассмотренных типов двигателей. При более высоком классе устойчивости атмосферы (D, Е, F, G) облако продуктов сгорания рассеивается достаточно медленно и при наличии нисходящих потоков в атмосфере или пространственной неоднородности ее пограничного слоя может создать повышенные приземные концентрации на значительном удалении от стенда. Максимальные приземные концентрации наблюдаются, в основном, при скоростях ветра 5-7 м/с на высоте флюгера. Кроме того, было определено, что при относительной влажности воздуха свыше 60-80 % и содержании водяных паров в продуктах сгорания свыше 7% в облаке может происходить конденсация паров соляной кислоты и последующее выпадение капель аэрозоля. В этом случае наблюдаются более высокие приземные концентрации НС1, чем в условиях без конденсации.
Исследования, выполненные В.М. Суслоновым (2005), показали также наличие выбрасываемых загрязнителей непосредственно в пределах 500-100-метровой зоны за отбойной стеной. С удалением от стенда более чем на 100 м содержание контролируемых веществ, в частности оксидов алюминия, резко падает, и на территории радиусом 3-4 км от стенда их содержание соответствует природному. Анализ космических снимков стендов утилизации РДТТ выявляет наличие существенной трансформации экосистем вблизи стендов (Рисунок 4.3).
Похожие диссертации на Воздействие продуктов сгорания твердого ракетного топлива на компоненты южно-таежных экосистем
-
-
-
-
