Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Распределение и изменчивость показателя ослабления света водой в морях бассейна Атлантического океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Распределение и изменчивость показателя ослабления света водой в морях бассейна Атлантического океана"

РГ6 од

2 2 [) гОН^ибИАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПРОХОРЕНКО Юрий Анатольевич

УДК 551.463.5+551.45(261 )+551.46(262.5)

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ СВЕТА ВОДОЙ В МОРЯХ БАССЕЙНА АТЛАНТИЧЕСКОГО ОКЕАНА

(Специальность 11. 00.08 - океанология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Севастополь, 1998

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной Академии наук Украины

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Сергей Григорьевич Богуславский, главный научный сотрудник Экспериментального отделения Морского гидрофизического института.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Станислав Васильевич Доценхо, директор департамента информационных систем, профессор Севастопольского Государственного Технического унт )ситета.

кандидат географических наук, Леонид Анатольевич Ковешншсов, директор Экспериментального отделения Морского гидрофизического института.

Ведущая организация: Институт биологии Южных морей

HAH Украины

Защита состоится июня 1998 г. в (2, часовААмн. на заседании специализированного учёного совета Д 58.158.01 при Морском гидрофизическом институте НАНУ. по адресу: 335001,Севастополь, Капитанская, 4, Морской гидрофизический институт HAH Украины. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

44« 1998'г.

Учёный секретарь специализированного учёного совета Д 58.158.01 при Морском гидрофизическом институте НАНУ, доктор фщдао-матеьитичШШХ-ндрс / I

V\ .'£=.pru^ ^y AM. Суворов

f

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Особенности распространения излучения света в морской воде определяют характер энергообмена, прогревание воды, инсоляцию фотической зоны. При этом энергообмен и прогревание вод имеет определяющее влияние на формирование климата Земли, а инсоляция фотической зоны - продуктивность вод Мирового океана. Оптические свойства морской воды мало меняются от вариаций физического состояния самой воды, но в значительной мере оказываются зависимы от количества и состава содержащейся в ней примеси. Поэтому по оптическим свойствам вод можно судить о количественном и качественном составе примесей - взвешенных и растворенных. Через распределение примесей может бьпъ определено состояние множества процессов динамического, биологического или химического происхождения. При этом контроль протекания многих океанологических процессов по оптическим свойствам может быть выполнен наиболее экспрессно, с достаточной точностью, без ощутимого искажающего воздействия - неконтактно. Отмеченные достоинства оптических методов делают их применение предпочтительнее прямых измерений свойств, а иногда они безальтернативны, как например при дистанционных наблюдениях. Морская вода и примеси в ней, взаимодействуя со светом, изменяет его характеристику - поглощая часть энергии в актах сопротивления перемещению фотонов, рассеивая еб при отражении и дифракции на частицах и неоднородности плотности, изменяя степень и вид поляризации в результирующей радиации. Все эти виды воздействия по своей величине отдельно и в совокупности способны характеризовать многие свойства самой среды распространения.

Оптические методы используются в океанографии для контроля поля примесей, процессами физического или химического преобразования частиц, транспорта и утилизации материалов, внесенных источниками для оценки физических, химических свойств морской воды, для наблюдения за поведением биологических объектов и пассивной взвеси, экологического мониторинга. Широкое распространение в океанологической практике получили измерения показателя ослабления света. Это произошло в начале 60-х годов столетия с появлением достаточно чувствительных приемников света и создания измерителей на их основе.

Многообразие актов взаимодействия света с морской водой, делает, с одной стороны, оптические методы универсальными. С другой - множественность воздействий требует для расшифровки оптической информации разработки особых методик выделения подконтрольного процесса, формирующего оптическое поле.

СВЯЗЬ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПРОЕКТАМИ, ТЕМАМИ

Диссертационная работа является обобщением исследований проводившихся в соответствии с плановой тематикой института в рамках выполнения проектов "Чёрное море"(№ ГР 0195Ш12256), "Динамика экосистем" (№ ГР0194и44413) Национальной программы исследований и использования ресурсов Азово-Черноморского бассейна и темы "Экотон" (N2 ГР 019515024765), включённой в ведомственный план Национальной Академии наук Украины по фундаментальным исследованиям.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Исследование состояния и изменчивости полей показателя ослабления света морей Атлантического океана Тропической и Субтропической зон (Саргассова, Карибского и Чёрного моря), районов у побережья Гвинеи и над Срединно-Атлантическим хребтом, в широком диапазоне пространственно-временных масштабов, в зависимости от гидрологической ситуации, климатических условий, биологической активности и вида динамических процессов, формирующих оптические свойства. Все исследования основаны на натурных измерениях, выполненных при участии соискателя.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Создана новая буксируемая аппаратура и методика измерений поля показателя ослаблеши света, которые обеспечили выполнение комплексных натурных экспериментов по определению основных океанологических процессов, формирующих оптические свойства в морях Атлантического океана.

Виквпгны новые региональные, структурные и пространственно-временные закономерности распределения к изменчивости показателя ослабления света для морей Атлантического океана (Саргассова, Карибского и Чёрного), в срединном и прибрежном районах Тропической зоны Атлантики, вдоль поверхности, на основе измерений по горизонтали на протяженных (тысячи миль) трассах и по вертикали, от поверхности до глубины 1000 м.

Для Чёрного моря по многолетним наблюдениям сделаны пространственно-временные оценки характерных особенностей вертикального распределения показателя ослабления света и определения уровня связи его с основными формирующими океанологическими процессами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Практическая ценность выполненных исследований выражена в следующих положениях:

1) Разработка буксируемых прсзрачномеров, пригодных к использованию практически на любых, специально не приспособленных судах и неподвижных платформах, для продолжительных непрерывных измерений показателя ослабления света на одном из участков видимой области спектра, температуры воды и глубины хода в невозму-щёниом корпусом судна-буксировщика подповерхностном слое вод, при скорости буксировки до 15 узлов или зондирования до 500 м (с конструктивными решениями защипанными авторскими свидетельствами).

2) Отработанная методика измерений поля показателя ослабления света в поверхностном слое вод океана на ходу судна.

3) Определения характера, формы и преобладающих размеров оптических неод-нородностей в поверхностном слое морей Атлантического океана, связанных с гидрологическими, биологическими и химическими условиями, динамическими особенностями и рельефом дна.

4) База данных из особенностей вертикального распределения показателя ослабления света водами Черного моря (оптических параметров) за многолетний период, которая использована для изучения гндрооптического режима верхнего 300-метрового слоя моря.

5) Оценки глубинных особенностей вертикальной структуры поля показателя ослабления света в Чёрном море за многолетий период для изучения характера и природы этих слабоизученных оптических феноменов.

6) Натурные эксперименты, демонстрирующие "m situ" процессы изменения концентрации взвешенного вещества у границы залегания сероводорода вследствие смешивания сод аэробной и анаэробной зон при опускании примесей в антицшшмагее-ских вихревых образованиях и при подъема - з циклонических круговоротах моря.

7) Использование спектральных измерений, индекса деформации спектра показателя ослабления света для определения горизонта сиекы характер3 оптяческой стра-

тификации вод, наблюдаемой вблизи границы между аэробной и анаэробной зонами моря в центрах циклонических круговоротов, где глубинный мутный слой отсутствует.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Автором выполнены: проектирование буксируемых прозрачномеров, их морские испытания, разработка методики буксировки, внедрение еб в практику экспедиционных измерений. Разработана и внедрена методика первичной обработки материалов буксировки. С участием автора плакировались и проводились описанные эксперименты, им интерпретировались результаты измерений, проводилось обобщение материалов наблюдений для их опубликования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на всесоюзных и международных конференциях, всесоюзных океанографических съездах, симпозиумах и пленумах рабочей группы по оптике океана, комиссии по проблемам мирового Океана АН СССР, АН УССР и НАН Украины.

1-ый Всесоюзный съезд советских океанологов, Москва, 1977; Конференция по результатам совместных советско-гвинейских экспедиций у берегов Гвинеи, Конакри, 1978 г,

7 пленум Рабочей группы по оптике океана АН СССР, АН ЭССР, Таллинн, 1980;

5-я Всесоюзная школа, Автоматизация научных исследований морей-и океанов. Севастополь, МГЦ АН УССР, 1980, Всесоюзная конференция "Технические средства изучения и освоения океана", Океанотехника-81, Севастополь, 1981;

2-ой Всесоюзный съезд океанологов, Севастополь, МГИ АН УССР,1982;

9-ый пленум Рабочей группы АН СССР по оптике океана и атмосферы, Ленинград, ГОИ, 1982;

6-ой пленум Рабочей группы по оптике океана (Комиссия АН СССР по проблемам Мирового океана), 29 окт.- 3 нояб., 1979 г., Баку, 1983;

The International Union of Geodesy and Geophysics. XYlll General Assembly, Humburg, 1983;

Конференция "Совершенствование управления развитием рекреационных систем, Севастополь, 4-6 алр. 1985;

Всесоюзная конференции "Техшгаеские средства изучения и освоения океана", Океанотехника-85, Севастополь, 1985;

Всесоюзная конференция "Совершенствование управления и развития рекреационных систем", Севастополь, 23-25 окт., 1986;

3-ий Всесоюзный съезд советских океанологов, Ленинград, 1987;

10-ый пленум по оптике океана, Ростов-на-Дону, сентябрь, 1988;

11-ый пленум Рабочей группы по оптике океана. Комиссия по проблемам Мирового океана АН СССР, Красноярск, 2-7 сент., 1990;

Международная конференция "Проблемы Черного моря", МГИ АНУ, 1992.

Конференция "Развитие исследований HAH Украины в Крыму", посвященной 75-летию АН Украины. (21 окт. 1993г.) Симферополь, Крымское отделение HAH Украины.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит ю введения, 4-х основных разделов, на 134 страницах машинописи, 33 рисунков и таблиц на 33 страницах, заключения и списка использованной литературы из 166 наименований. Общий объем диссертации - 178 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. Во введении обосновывается необходимость проведения гидрооптических исследований океана, показана универсальность применения их при решении ряда экологических проблем. Наиболее массовой, инструментально измеряемой гадро-оптической характеристикой является показатель ослабления свега. Во введении рассмотрены возможности изучения морей Атлантического океана с его помощью. Определяются цели и задачи диссертационной работы, формулируются основные положения, выносимые на защиту, показывается научная новизна результатов, практическая ценность, определяется личный вклад соискателя, структура и объем работы.

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ рассматривается круг проблем, связанных с процессами влияния морской среды на направленное световое излучение и с особенностями проведения натурных наблюдений показателя ослабления света в море.

Приведены теоретические представления о процессах рассеяния и поглощения света в море,- на основе которых определяются гидрооггтические характеристики.

Анализируются принятые для практических оптических измерительных схем отклонения от стандарта и погрешности измерений, возникающие вследствие неполного соответствия процесса измерения стандарту.

Указано, что применяемые для согласования данных, получаемых с помощью измерителей различных конструкций отдельные интеркалибрационные станции, не могут служить надёжным средством объединения оптической информации. Это требует гораздо более подробного лабораторного исследования сравниваемых измерителей с проведением сравнений во всем возможном диапазоне изменения свойств в море на модельных средах, что не представлялось возможным выполнить в каждом случае. Это ограничивает возможности объединения всех доступных массивов данных, полученных с помощью разных приборов или однотипными приборами, но с отклонениями в методиках калибровки и проведения измерений.

Приводимый ниже сравнительный анализ выполнен по блоку измерений, полученному с участием соискателя и с применением однотипной аппаратуры и методики.

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ содержит обзор аппаратуры для различных методов измерений показателя ослабления света в море, анализируются их возможности и ограничения в использовании. В хронологическом порядке приведено описание разработанных, испытанных и применявшихся в экспедиционных условиях прозрачномеров. По каждому прибору указаны конструктивные особенности, область применения, характер и объём выполненных исследований.

Оптическая схема новых фотометров в своей основе представляет собой принятую в однотипных зондирующих измерителях, применяющихся на практике экспедиционных измерений МГИ, но в ней приняты специальные меры по улучшению зашиты от рассеянного солнечного света. Приборы создавались, в основном, с целью получения данных о распределении свойств в поверхностном слое, на переходах с обычных судов, зондирований на станциях или установки на неподвижные платформы. В каждом последующем реализованном приборе учитывался эксплуатационный опыт предыдущей модели. Для улучшения возможностей анализа более поздние модификации прозрачномеров оборудовались дополнительными измерительными каналами - давленая и температуры, вычислителями физических величин по сделанным измерениям, автоматикой (предупреждения об аварии, занесения мильных отметок в данные наблюдения от корабельного лага). Конструктивные особенности последней модели - БИТИП (МГИ-2101) - защищены авторскими свидетельствами.

ТРЕТИИ РАЗДЕЛ содержит сведения об исследованиях в Тропической и Субтропической Атлантике.

Дана географическая характеристика и основные физические и химические свойства вод океана в сравнении с другими частями Мирового океана.

Помещена кратка* историческая справка по оптическим измерениям и современная концепция изучения океана, представлены основные результаты гидрооптических исследований последних лет. Рассмотрены работы обобщающие пространственное распределение и характеристики изменчивости гидрооптических свойств. Обсуждены способы классификации вод по оптическим свойствам и проблемы создания информационных систем, являющихся основой пространственных оценок и величин изменчивости.

Приведены результаты изучения вертикального распределения оптических свойств от поверхности до дна, у гидротермальных источников и в придонных нефело-идных слоях.

Обсуждены возможности и проблемы, получения оценок продуктивности верхнего фотического слоя вод через измерение оптических характеристик. Отмечено, что поверхностная пленка, при своих особых физических и химических свойствах и со специфическим биологическим содержанием осталась за пределами сферы внимания гидрооптиков.

Приведены примеры дистанционных оптических измерений восходящего из-под поверхности океана излучения для получения информации о физических свойствах поверхностного слоя океана. Наиболее эффективно использование дистанционных космических данных совместно с координированными прямыми контактными определениями. Именно так строятся глобальные программы изучения Мирового океана в последние годы.

В основной части раздела помещён анализ натурных экспериментов соискателя по изучению пространственных элементов поля показателя ослабления света в отдельных районах океана и определения формирующих поле показателя ослабления света главных факторов в слое вод от поверхности до глубины 400-1000 м, на пространственных масштабах от нескольких метроз до тысяч миль.

Главными формирующими прозрачность вод факторами являются - динамика, биологическая и биохимическая деятельность, химическое преобразование примесей. Для выделения влияния отдельного фактора требуется соответствующая организация эксперимента, сопоставление оптического поля с прямыми измерениями состояния или эволюции формирующего процесса, привлечение прямых и дополнительных сведений о нём.

Для Саргассова моря в поле показателя ослабления света, несмотря на небольшой контраст оптических свойств и слабую интенсивность вихревых движений, выде-

лены характеризующие центральные области вихрей особенности, пронизывающие по вертикали 1000-метровый слой. Выделены элементы оптической структуры, зависящие от направления движения вод вдоль вертикали в условиях вихревого поля центрального района Саргассова моря. Характер влияния зависит от глубины наблюдения и разделяется термоклином на две области преимущественного направления развития анизотропии поля. Над термоклином - по горизонтали и вертикали, под термоклином - в основном, по вертикали.

В центральном районе Карибского моря движением водных масс формируется вертикальная структура вод подобная саргассовоморской с вихревыми образованиями в широком диапазоне пространственных масштабов. В отличие от предыдущего эксперимента, кроме вертикального зондирования на станциях, в поверхностном слое на переходах между ними буксировался прозрачномер. Это позволило определить размеры и положение оптических неоднородностей вдоль разрезов и на площади полигона. На трассах буксировки установлено наличие большой доли неоднородностей масштабом 10-20 миль. В пределах акватории полигона и на подходах к нему обнаружены неоднородности -100-150 миль.

При зондировании на станциях тонкая оптическая структура поверхностного слоя разрушается корпусом судна и обнаруживает свои особенности только при буксировке прибора на достаточном расстоянии от борта. В приповерхностном слое, толщиной порядка 3-5 метров, структура поля связана и согласована с горизонтальным распределением показателя ослабления в более глубоки водах, например вдоль термоклина, но может иметь инверсное по отношению к нему распределение. Отличия в структуре на разных горизонтах в олиготрофных водах Карибского моря появляются в связи с фазовым рассогласованием освоения обогащенных биогенами поверхностных вод в тонком слое у поверхности, подъёма вод и дальнейшего осаждения взвеси в глубину.

На многих участках разрезов в Карибском море, как и в Саргассовом, отмечено вертикальное простирание изоэкстинкг, что свидетельствует о преимущественно вертикальном ходе формирующего ошическое поле процесса - от поверхности до 1000 м глубины и более.

У западных берегов Африки при проведении подобного Карибскому эксперимента с двумя видами наблюдений показателя ослабления света в глвеллинговой зоне инверсного соотношения поверхностного и глубинного распределений не обнаружено. Над шельфом и материковым склоном они оказались везде согласованными.

В поле показателя ослабления света у берегов Гвинеи имеются хорошо различимые признаки влияния элементов динамики водных масс (апвеллинга и вихревых структур с горизонтальными осями), известных из предварительных прямых измерений и согласующихся с динамическими полями, рассчитанными по гидрологическим измерениям проведенным одновременно с оптическими. Наблюдалось также соответствие оптических данных с теоретическими представлениями о характере происходящих в районе гидродинамических процессов.

В тропической зоне Атлантики с глубинами не менее 2000 м в оптических иеод-нородностях горизонтального распределения показателя ослабления света у поверхности, впервые обнаружено и исследовано влияние таких крупных неоднородностей рельефа дна как Срединно-Атлантический хребет.

ЧЕТВЁРТЫЙ РАЗДЕЛ диссертации посвящен только исследованиям в Чёрном море. Приведена географическая характеристика моря, обобщены результаты изучения его оптических свойств, в частности показателя ослабления света.

Визуальные оптические определения глубины видимости стандартного белого диска известны как наиболее массовые, проводившиеся ещб с начала 20-х годов настоящего века. Эпизодически инструментальные оптические измерения начались только с конца 50-х. Наиболее массовыми сейчас среди них могут считаться зондирования по вертикали распределения показателя ослабления света. Выполняются они в 1-2 м от поверхности до глубины 300-500 и.

За последние годы с участием соискателя в глубоководной части моря накоплен значительный массив таких данных с применением однотипных методик и приборов, позволяющих объединить их и анализировать блок информации как единый объект. Из него найдены оценки пространственно-временного распределения оптических свойств, глубоководной части моря за многолетний период наблюдения.

В результате анализа вертикальной стратификации, в зависимости от места и глубины измерения, в поле показателя ослабления света выявлены характерные для большей части глубоководной акватории моря особенности распределения примесей морской воды, обязанные своим существованием как известным, так и малоизученным явлениям, процессам, физическим или химическим условиям. В аэробной зоне их появление мало зависимо от спектрального участка измерения. Ниже 100-200 метров, в анаэробной зоне моря наибольшие изменения наблюдаются в коротковолновом участке спектра видимой области излучения. Поэтому для исследования поля соискателем была создана новая база данных из измерений показателя ослабления света в 300-метровом

верхнем слое для спектрального участка 410-440 нм. Эта база данных компактна - состоит только из семи характерных особенностей поля, а не из отсчётов показателя ослабления света на десятках стандартных горизонтов, как это принято. Показано преимущество такого подхода. Во-первых, база данных отображает максимальный уровень формирующего воздействия отдельных факторов. Во-вторых, эти семь величин могут рассматриваться отдельно как параметры поля показателя ослабления света, а в комплексе представляют собой удобный инструмент изучения оптического режима всего верхнего слоя вод моря.

- Первый из параметров - значения показателя ослабления света на 10 метрах глубины, Ею (использовался раньше). Второй - среднее последовательности отсчётов через каждые 10 м в слое от поверхности до основного минимума профиля, Ec¡> (используется впервые соискателем). По этим параметрам контролируется влияние на поле показателя ослабления света климатических изменений, динамика вод через интенсивность биологической деятельности или распространение береговых выносов примесей. Ею выбрано в слое, где структура вод не разрушена корпусом судна с наблюдателем, а влияние метеорологических факторов остаётся основным. Горизонт лежит в пределах слоя вод, где оцениваются глубины видимости белого диска.

Третий и четвёртый параметры, Еш, и Еш- значения в основном минимуме профиля и в основном максимуме глубинного мутного слоя, соответственно, и применяются для изучения условий существования и происхождения этих малоизученных феноменов у верхней границы сероводорода.

Пятый и шестой параметры - Ищи и Zuuc, залегание глубинных характерных точек профилей Еыш, и Ещк в глубоководной акватории, выбраны для контроля границы между аэробной и анаэробной зонами моря, интенсивности движения в вихревых образованиях Из этих четырёх параметров ранее велось наблюдение прежде всего по мутному слою.

Как седьмой параметр, для изучения изменения оптических свойств в верхней части анаэробной зоны использовано отношение показателя ослабления света на двух . глубинах 200 и 300 метров, Еж, где в сине-фиолетовом участке спектра показатель ослабления света растёт с глубиной почти линейно. Происхождение этого феномена ранее совершенно не исследовалось (параметр использован соискателем).

Через комплекс параметров получены оценки среднемноголетних величин показателя ослабления света в море, выделены в них сезонные отличия поля и определена глубина проникновения сезонных колебаний.

Исходный блок базы данных разделен на две части, для середины и конца года, и представлен через параметры в виде вертикальных профилей. Это даёт представление о гидрооптическом режиме моря, его сезонной изменчивости.

Как это принято в гидрографии, акватория моря разделена на квадраты и измерения показателя ослабления разнесены по ним. По осреднённым оценкам параметров в каждом квадрате исследовано пространственное распределение каждого из них для всех измерений и отдельно для обоих сезонов.

Выделены основные неоднородности, локализованы источники и стоки, обозначены границы их влияния по глубине и по акватории.

Установлены характеристики распределения оптических особенностей у верхней границы сероводорода, природа которых пока остаётся невыясненной окончательно.

Обнаружено, что близкая по залеганию к слою мутности (Ем««) прослойка прозрачной воды (Ещш) тем не менее, отличается от него по пространственному распределению, что служит указанием на разнородность формирующих эти параметры поля процессов.

Таким образом, новая база данных при значительном сокращении числового массива позволила через оптические оценки более эффективно изучить влияние на них осноенчх формирующих процессов, получить новые данные о характере распределе- " ния малоизученных оптических свойствах вод.

Исследовано распределение глубинных пограничных особенностей у границы аэробной и анаэробной зон. Особое внимание уделено районам над материковым склоном, где обычно отмечается их значительное усиление в сравнении со срединными районами моря. Наблюдениями на микрополигонг у Феодосии установлено, что глубинный мутный слой касаясь дна не усиливается. Взмучивания осадкоз не наблюдалось. При детальном исследовании проведенных вдоль 80% периметра материкового схлопа зондированиями прозрачиомера обнаружены два основных района локального опускания пртозерхностных вод ниже Еерхней границы сероводорода квазисгацио-нарными анпщктатоническвми вихревыми образованиями - к востоку от Босфора и к юго-западу от мыса Херсонес. Ещё один источник обозначился в пространственном распределении параметра Е^ прибрежной юго-восточной части моря между мысами Чан и Ишиклы.

При опускании поверхностных вод в центральных областях антициклонических вихрей ниже границы анаэробной зоны, обнаружено и выпадение в ней дополшггель-

ной взвеси. С выходом из центральной воронки антициклона в результате горизонтального переноса взвесь сохраняется только вблизи границы, а за пределами анаэробной зоны имеет вид обычного глубоководного мутного слоя.

Экспериментально, "in situ", измерениями показателя ослабления света показано, что при смешивании вод аэробной и анаэробной зон вблизи границы появляется взвешенное вещество. Появление взвеси наблюдалось только при занесении вод из анаэробной зоны в аэробную.

Таким образом, обнаружены новые реально существующие механизмы возникновения глубоководного мутного слоя в результате вертикального движения вод в вихревых образованиях или при перемешивании вод на границе аэробной и анаэробной зон.

Впервые исследован вертикальный ход изменений формы спектра показателя ослабления света в Чёрном море с использованием отношения величин показателей ослабления света в синем и зелёном спектральных участках - индекса деформации спектра. Через изменейия формы спектра обнаружено резкое разделение оптических свойств вод моря по глубине на две части. Спектральная граница разделения оптических свойств совпадает с главным минимумом показателя ослабления света.

Приведены примеры применения индекса деформации спектра для увеличения надёжности определения залегания глубинной оптической пограничной структуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В комплексных экспедициях накоплен, а затем обобщён значительный объём информации по оптическим и основным, формирующим оптические свойства, океанологическим процессам в сопоставимых между собой пространственно-временных масштабах.

Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана и внедрена в практику исследований серия различных гидрооптических приборов для наблюдений показателя ослабления света в море. Проведены их морские испытания, отработана методика их применения в экспедиционных условиях на судах МГИ и других ведомств.

2. На основе разработанных приборов в отдельных районах Атлантического океана исследованы гидрооптические поля, формируемые процессами переноса примесей. Выполнены наблюдения показателя ослабления света и температуры в поверхностном слое на переходах с полигонными комплексными океанологическими наблюдениями на станциях, на пролетных траекториях космических носителей, на технических

маршрутах подхода к районам выполнения экспедиционных программ, с неподвижных платформ и на перемещающихся носителях.

3. По натурным экспериментам в характере формирования оптических свойств в морях Атлантического океана установлено наличие значительного вклада вертикальных движений примесей в слое вод от поверхности до глубин 300-1000 метров. Такая особенность структуры оптического поля расширяет возможности применения дистанционного метода его оценок.

4. Предложена новая компактная база данных по вертикальному зондированию показателя ослабления света в Чбрном море. Она использована для получения оценок пространственного распределения, годовых, внутригодовых и сезонных вариаций показателя ослабления света, а также выделения основных черт гидрооптического режима, их эволюции под влиянием формирующих поле океанологических процессов.

5. В Чёрном море проведено натурное исследование формирования малоизученных особенностей вертикального распределения показателя ослабления света у границы аэробной и анаэробной зон. Предложены механизмы их образования и существования.

6. Для исследованных районов Мирового океана на основе измерений оптических характеристик показана возможность установления взаимосвязей гидрооптических полей с протекающими в океане биологическими, химическими и динамическими процессами.

Обзор многоплановых гидрооггтических исследований вместе с результатами проведенных соискателем работ свидетельствует о высокой эффективности их применения для изучения поля примесей в море необходимости и целесообразности проведения дальнейших исследований. Прогресс контактной гидрооатики, связывается автором с введением в практику исслековашй стандартных методик и приборов. Контактные наблюдения, s сочетании с возможностями дистанционными космическими, уже сейчас образуют наиболее эффективный инструмент изучения Мирового океана.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты, содержащиеся в диссертации опубликованы в 18 работах:

1. Глубоководный фстометр-прозрачномер с передачей данных по одножильному кабель-тросу,- Киев: Труды MTR- 1967,- Т. 39, C.69-S0. (совместно с А.Н.Пзрамоновым, Г.Г.Неуйминым, В.М.За!псиным и Г.А.Толкаченко).

2. Буксируемый прозрачномер // Исследования междуведомственной экспедиции в Северо-западной Атлантике. 21 рейс НИС "Михаил Ломоносов", 10 рейс НИС БРТ "Россия". Экспресс-информация N 16,- Севастополь: МГИ АН УССР,- 1969,- С.77-82. (совместно с Г.Г.Неуйминым).

3. Исследование структуры поля прозрачности поверхностного слоя вод северной части Тропической Атлантики // Результаты исследований северной части тропи-, ческой зоны Атлантического океана по программе "Декалант",- Севастополь: МГИ АН УССР.-1975.- С.113-124. (совместно с Е.А.Агафоновым и Э.А.Михайловым).

4. Буксируемый измеритель пространственного распределения прозрачности и температуры в поверхностном слое океана // Экспериментальные методы исследования океана.- Севастополь: МГИ АН УССР.- 1978.С.137-143. (совместно с Е.А.Агафоновым, RH.Долей к Г.Г.Неуймнным).

5. О влиянии глубинного рельефа дна на прозрачность вод верхних слоёв океана // Оптические методы изучения океанов и внутренних водоёмов. Тезисы докладов 7-го пленума РГ по оптике океана. Таллинн: ИТЭФ АН ЭССР.-1980,- С. 81-84. (совместно с Г.Г.Неуйминым).

6. Структура и место залегания глубинного слоя мутности в Чёрном море. Современные проблемы океанологии Чёрного моря. Ч. 2,- Севастополь: МГИ АН УССР.-1986,- С. 444-449.- рус,- Деп. в ВИНИТИ 17.09.86, N6700-B86. (совместно с Новоселовым A.A., Агафоновым Е. А., Любарцевым В.Г., Мишоновым A.B. и Шумчекко O.A.).

7. Оптические свойства вод Чёрного моря // Материалы конф. Совершенствование управления развитием рекреационных систем. Севастополь, 1987.- С.233-242.- Рус.-Деп. в ВИНИТИ 11.08.87 г., N 5804-В87). (совместно с Агафоновым Е.А. и Богуславским С.Г.).

8. Определение глубины залегания верхней границы сероводорода по вертикальному профилю погазателя ослабления излучения в водной среде // Материалы конференции Совершенствование управления развитием рекреационных систем. 23-25 о ¡er. 1986г. - Ч. г.- Севастополь, МГИ АН УССР. 1987,- С. 282-293.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 11.08.87г., N 5804-В87). (совместно с Воскресенским В.Н., Крашениннико-вим Б.Н. и Шумченко O.A.).

9. A.c. 1539539 AI СССР, МКИ G 01 J 1/04. Гидрофизическое измерительное устройство,- МГИ АН УССР.- Заявка N 4411167 от 19.04.88.3арегистрировано 30.01.90. Бюл. N 4. (совместно с Ю.В.Комягиныи, В.М.Карпкжом и В.В.Прохоренко).

10. Экспериментальные исследования глубинного слоя мутности в Чёрном море II Морской гидрофизический журнал,- 1993,- N 2.- С.57-64 (совместно с Е.А.Агафоновым, Б.Н.Крашенинниковым и В.А.Башариным).

11. Характер сезонной изменчивости показателя ослабления света в глубоководной части Чёрного моря (1978-1985 годы).- Севастополь, 1993.- 26стр.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ 24.08.93, N 2325-В93. (совместно с Е.А. Агафоновым).

12. Гидрооптическая ситуация в Чёрном море по летним и весенним наблюдениям // Комплексные экологические исследования Чёрного моря.Севастополь: МГИ НАНУ,- С. 159-171,- 1995. (совместно с Е.А. Агафоновым).

13. Влияние динамики вод на формирование поля показателя ослабления у берегов Гвинеи. Севастополь,- МГИ НАНУ,- 1996,- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 26.06.96, N 2094-В96. (совместно с Е.А. Агафоновым).

14. Пространственно-временная изменчивость гидрооптических параметров, оптимально отражающих особенности гидрологического и гидродинамического режимов Чёрного моря,- Севастополь,- МГИ НАНУ,- 1996 г.Рус,- Деп. в ВИНИТИ 25.06.96, N 2095-В96. (совместно с ЕААгафоновым и С.Г.Богуславским).

15. Влияние синоптических вихревых структур на формирование поля прозрачности в Саргассовом море,- Севастополь.- МГИ НАНУ,- 1996.Рус,- Деп. в ВИНИТИ 25.06.96, N0 2093-В96. (совместно с Е.А.Агафоновым).

16. Особенности оптической структуры вод в центральной части Карибского моря,- Севастополь.- МГИ НАНУ.- 1996,- Рус,- Деа в ВИНИТИ 25.06.96, N 2092-В96. (совместно с Е. А.Агафоновым).

17. Формирование глубинного слоя мутности в Чёрном море.- Севастополь.-МГИ НАНУ,- 1996,- С. 18. - Ил.6,- Деп. в ВИНИТИ 02.10.96, N 2920-В96. (совместно с Е.А.Агафоновым).

13. Спектральный индекс показателя ослабления света в Чёрном море,- Севастополь,- МГИ НАНУ.- 1996,- с.11.- ил.2.- Деп. в ВИНИТИ 02.10.96, N 2921-В96. (совместно с Е.А.Агафоновым).

АННОТАЦИЯ

Прохоренко ЮЛ. Распределение и изменчивость показателя ослабления света водой в морях бассейна Атлантического океана. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата географических наук по специальности - 11.00.08 - океанология. - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 1998.

Диссертация посвящена исследованию распределения поля показателя света в Саргассовом, Карибском и Чёрном морях, в тропических водах над Срединно-Атлантическим хребтом, в районе прибрежного апвеллинга на шельфе и материковом склоне Гвинеи. Описаны разработанные, испытанные и внедрённые автором в практику экспедиционных работ буксируемые прозрачкомеры. В натурных экспериментах исследованы связи оптических свойств с климатическими условиями, с физическими и химическими характеристиками морской воды, с уровнем биологической продуктивности. В судовых комплексных экспедициях показатель ослабления света измерялся путём зондирования и буксировки прозрачномеров. Показано преобладание в формировании поля показателя ослабления света процессов вертикального переноса примесей обусловленных воздействием вихревых образований, прибрежным апвеллингом и рельефом дна. Исследованы размеры и форма оптических неоднородностей в районах работ.

В верхнем 300-метровом слое глубоководного района Чёрного моря по многолетним наблюдениям вертикального распределения показателя света автором выделены характерные особенности. Формирование их происход ит за счёт как хорошо известных, так и мало изученных процессов. По отмеченным особенностям оптического поля, как параметрам, из многолетнего массива наблюдений создана база данных. На её основе получены многолетние и сезонные оценки гидрооатического режима большей части акватории Чёрного моря. Определены пространственные характеристики и оценки временной изменчивости параметров поля показателя ослабления света. По измерениям спектра показателя ослабления света показано, что оптические свойства в большей часта аэробной зоны однородны, а в анаэробной зйие - постепенно изменяются с глубиной.

В исследованных районах установлены взаимосвязи между распределением оптических свойств и гидродинамическими, гидрохимическими и гидробиологическими процессами.

Ключевые слова: натурный эксперимент, показатель ослабления света, буксируемый прозрачномер. Атлантический океан, Черное море, пространственно-временная изменчивость, вертикальный перенос примесей.

Прохоренко Ю.А. Розподш та мнишвкггъ показника ослабления свггла водою в морях басейну Атлантичного океану. - Рукопнс.

Дисертащя на здобуття вченого ступеню кандидата географ1чних наук по спешальноеп 11.00.08 - океанология.- Морський шрофЬичний шститут HAH УкраЬш, Севастополь, 1998.

Дисертащю присвячено дослдакенню пот'в показника ослабления свпла в Сар-гасовом, КарШськом та Чорному Mopie, в трогачних водах над Серединно-Атлантичним хребтом та бшя узбережжя ГвшеТ. Описани розроблет, випробуват та впроваджеш автором в практику експедищйних робп буксирувальш прозоровимзрювачь В натурних експериментах дослхджени звязки оптичних властивостей з юпматичними умовами, з фЬичними та х1м1чними характеристика;.»! морськоТ води, з рмнем бюлопчноТ продуктивности В судневих комплексних експедишях показншс ослабления свпла вимдрювався шляхом зондування та буксирування прозоровим!рювач1в. Показана перевага у формуванш поля показника ослабления свпла процеав вертикального переносу домшюк, що зумовлени впливом вихорових утворень, прибережним апвелшгом та рельефом дна. Дослтасени розм^ри та форма оптичних неоднорщностей у районах робгг.

В верхньому 300-метровому raapi глибоководного району Чорного моря по багз-тор1чним спостереженням вертикального розподалу показника свпла автором видок-ремлени характерна особливосп. Формування ix здшснюеться за рахунок як добре вщомих, так i мало з'ясованих процесса. По особ лив остях оптичного полю, як параметрах, з багатор1чного масиву спостережеш, сформована база даних. На 5 ocHoei одержат: багатор1чш та сезонш оцшки пдрооптичного режиму бш>шо1 частини акваторп Чорного моря. Визначени просторов! характеристики та оцшки часовоТ мшливосп па-paMerpie полю показника ослабления свпла. 3 вшлрювань спектра показника ослабления свпла показано, шо оптичш властивосп бшьшоТ частини аеробно! зони од-нсршп, а в анаеробнШ - поступозо зш'нюються з глибиною.

Для дослижених райотв Свггового океану встановлени взаемосв'язкн мЬк роз-подшом пдроогггичних властивоспв та пдродика»данимн, плрохзм^чзшми та пдробюлопчнимч процесами.

Ключовг слова: натуршм експеримент, показнкк ослабления свила, буксиру-вальний прозоровим1рювач, Атлантичний океан, Чорне море, просторово-часова М1Ш1ИВ1сть, вертикалышй перенос домшкж.

Prokhorenco Vu.A. Distribution and variability of total beam attenuation coefficient in Atlantic ocean basin seas. Manuscript

Thesis for a candidate's degree by speciality 11.00.08. - oceanology - Marine Hydro-physical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 1998.

•The dissertation is concerned with investigation distributions of total beam attenuation coefficient (next will named attenuation coefficient) in the Sargasso, the Carribian and the Black Seas, in tropical regions above Middle-Atlantic ridge and on a shelf and above a continental slope of Quine. Towed devices for measurements of transperency has been designed, tested and introduced into ship expedition by author, it is decribed. Relations optical properties with climatic conditions, with physical and chemical characteristics of sea water, with level biological productivity are investigated in nature experiments.The attenuation coefficient is measured by continuous vertical sampling and towing device about sea surface in ship expeditions. It is shown that vertical transfer processes of admixtures are predominant, when attenuation coefficient field form into eddies, by upwellings and bottom relief features. Sizes and forms of optical unsimilarities is studied in investigation regions.

Characteristic features is elicited by author as parameteres from vertical distributions of attenuation coefficient in upper 0-300 m layer of deep region Black sea. The forming of those features has resulted from processes as well known as little studied. Through many years measurements from characteristic features data base is maked and obtained estimations of hydrooptieal regime of essential part Black sea. Spatial distribution and temporal estimates parameteres of atténuation coefficient were obtained Through measurements attenuation coefficient spectrum is shown that optical properties of essential part of aerob zone Black sea have similar distribution which are gradual change in unaerob zone.

Between distributions optical properties and hydrodinarnic, hydrochemical and hydro-biological processes, relationships are established for research regions.

Key words: natural experiment, total beam attenuation cosffiîient, towed transper-cncemeters, Atlantic ocean, Black sea, spatio-temporal variability, vertical transfer of admixtures.

Автореферат Дксертаци на здобуття наукового ступеня Кандидата географ1чних наук

ГИдггагано до друку 05.05.?3 Формат галеру 60Х841Л«. Обем 1 о5;,к. Доук. Лр;с. Заказ Щ,Т<фаж 100 эта._

Надруксваяо в НВЦ "ЭКОСИ-Гироф^зигл", 335000. Севастополь, вул. Ленина 23.

РГб од

ИВАНОВА Галина Семеновна

. Разработка составов растворов на основе мочевино-формальдегидных смол для закрепления пылящих поверхностей хвостохрашишщ и повышения экологической безопасности горного производства

11.00.11 - "Охрана окружающей среды м рациональное использование природных ресурсов"

Автореферат

диссертации На соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

РаГюта выполнена на кафедре Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Экологического факультета Российского университета дружбы народов

Научный руководитель

- академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, кандидат технических наук, профессор, ТАГ АСОВ В.И.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор ЕРОХИН С.Ю.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник ТАРОСЯН Р.И. Ведущая организация

- Институт проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН)

' Защита состоится " 1Д " января 1998 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета К 053.22.26

и Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, Москва, ул. Орджоникидзе,.'

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6).

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент у^В.Д.Долгушин

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопросы обеспечения экологической безопасности в районах разработки месторождений полезных ископаемых от пылеобразующей способности накопителей горных пород (отвалов) и хво-стохранилищ имеют большое значение. Достаточно отметить,-что концентрация пыли; переносимой с распределенных источников накопителей значительно превышает предельно допустимые нормативы на значительное расстояния. На интенсивность пылеобраэования, пылевыделения и запыленности атмосферы существенное влияние оказывают физико-химические свойства пород накопителей, климатические условия района, сезонность, время суток и другие.

Традиционно используемые способы уменьшения пылйобразования за счет внешних воздействий на поверхность накопителей с'использованием орошения водой, подавление пыли пеной, пневмогидроорошение и др. малоэффективны и поэтому не получили широкого распространения.

Одним из возможных способов снижения пылеобразующей способности накопителей горных пород и хвостохранилищ может служить обработка их поверхностей синтетическими веществами на основе использования растворов мочевино-формальдегндных смол, способных изменять фазовое состояние в широком диапазоне, метеорологических ус ловий.

В связи с изложенным разработка новых эффективных редств пыле-подавления с использованием мочевино-формальдегидных смол и создание на этой основе рабочих растворов и технологий пылеподавления предполагает возможность уменьшить пылеобразование, улучшить экологическую обстановку, сократить потери полезных ископаемых и, поэтому, данное решение является актуальной научной задачей.

Цель работы: разработать состав растворов мочевино-формальдегидных смол для закрепления пылящих попепхностей хвостохранилищ в целях повышения экологической безопасности в районе действия горного производства.

Идея работы: заключается в способности раствора (эмульсии) моче-вино-форм ъдегидной смолы, нанесенной на поверхность карт хвостохранилищ, изменять свое фазовое состояние в зависимости от свойств пород и метеорологических условий.

Задачи исследований:

- выполнить анализ литературных источников по выбору состава для закрепления пылящих поверхностей породных отвалов и хвостохранилищ;

- выполнить физико-химическое обоснование составов закрепления пылящих поверхностей раствором мочевино-формальдегидной смолы;

- разработать методику проведения натурных исследований по снижению пылеобразующей способности хвостохранилищ;

- разработать рекомендации по использованию составов в промышленности.

Научные положения, выносимые на защиту:

возможность изменения фазового состояния раствора мочевино-формальдегидной смолы и эффективность закрепления поверхностного слоя отвалов зависят от процентного содержания крепителя, температуры окружающей среды, скорости ветра, влажности и находятся в пределах Т°С от 2 до 40°С, \У% от 78 до 92 %;

запыленность территорий вокруг участков хвостохранилищ, обработанных раствором мочевино-формальдегидной смолы определяются конкретными метеорологическими условиями (Т°С; Ш%; V) с учетом парного и совокупного влияния этих факторов в зависимости от их численных значений;

экологическая безопасность воздействия раствором мочевино-формальдегидной смолы базируется на предотвращении пылеобраэующей способности поверхности отвалов пугем создания водонерастворимой пленки, проникающей способности раствора на глубину до 10-20 см за счет . адгезионных свойств пород и пористости отвала.

Методы исследований и достоверность результатов: в работе использован метод графоаналитического анализа с использованием математического способа планирования экспериментов, статистическая обработка по критериям надежности и достоверности результатов, способ натурного экс- • перимента.

Научная новизна работы: снижение запыленности территорий, прилегающих к зонам хвостохранилищ, обработанных раствором мочевино-формальдегидной смолы с концентрацией 20-50 % и отвердителем на основе сульфитно-спиртовой барды подчиняется закону убывающей экспоненты, при эффективности снижения запыленности на 60-70 % с учетом изменения скорости ветра от 5 до 15 м/с, температуры .воздуха от+2 до +26°С и влажности от 78 до 92 %;

период запаздывания снижения запыленности атмосферного воздуха не превышает 3 суток.(2,4 и 1,8) соответственно при ручной и механизированной обработки пылящей поверхности хвостохранилища рабочим раствором. Константа скорости (М) снижения запыленности не превышает значения 0,191 1/суг.;'

разработано, регрессионное уравнение первого порядка для.оценки и расчета запыленности атмосферного воздуха в пределах санитарно-защитной зоны обработанных участков в зависимости от метеорологических факторов (V, Т, Ш). При этом установлено, что при повышении скорости ветра (V) запыленность увеличивается, а температуры и влажности к ее снижена», парное и совокупное сочетание этих факторов при определенных численных значениях увеличивает запыленность;

прочностные свойства отвердевшего раствора подчиняются апериодической функции первого порядка, что определяет срок службы закрепления поверхности отвала в течение 5-6 лет;

запыленность атмосферы в районе действия породного отвала, обработанного раствором мочевино-формальдегидной смолы снижается на 8095 % в диапазоне действия климатических факторов от -20°С до +30°С, и имеет коэффициент влажности от 40 до 90 %.

Практическая значимость: разработаны технологии приготовления рабочего раствора мочевино-формальдегидной смолы, • режимы нанесения раствора на поверхность отвала ручным и механизированными с учетом применения вертолета, методика обработки поверхности отвалов рабочим раствором, которая принята Полтавским горно-обогатительным комбинатом для промышленного использования (ПГОК).

Апробация результатов исследовании. Основные научные положения работы докладывались на I и II межвузовских конференциях "Актуальные проблемы экологии"// "Актуальные .проблемы экологии". I Межвузовская конференция Москва, 23-26 мая 1995г. Тез. докл. -М.: Изд-во РУДН. 1995,- С.25.

//"Актуальные проблемы экологии". II Межвузовская конференция Москва, 27-28 мая 1996г. Труды. - М.: Изд-во РУДН,-1996. - С. 75-76.

научной конференции РУДН по пробррмам охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в октябре 1994 года и декабре 1995 года.

Публикации: по результатам научных исследований опубликовано три печатных работы.

Структура н объем диссертации. Диссертация объемом 116 страниц, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы из 35 наименовании. Работа содержит Ютабли и 17 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖ/ЩИЕ РАБОТЫ В эпоху интенсивного освоения ресурсов недр накопление твердых отходов производства в виде отвалообразований горной массы включает в себя ряд технологических процессов, связанных прежде всего с выемкой полезных ископаемых и селективного их разделения (обогащения). В связи с этим отвалообразование горной массы тесно связано со способами разработки месторождений полезных ископаемых, базирующихся на соответствующих технологиях: открытой, подземной и комбинированной с учетом процессов первичной переработки полезного ископаемого.

Горное производство в целом характеризуется массоэнергоемким производством, так как при освоении недр общая масса накапливаемых твердых и других отходов в целом достигает 90 %, Так, при открытой разработке горизонтальных и пологозалегающих залежей породные отвалы формируются

в выработанном пространстве карьеров (внутренние породные отвалы), а при разработке крутопадающих залежей и вскрытии других месторождений - за пределами контура карьера.

При подземной разработке породные отвалы отсыпают вблизи или в Пределах Промплощади горного предприятия.

По способу формирования практически все отвалы являются насыпными. По конфигурации отвалы различают на: конусные, гребенчатые, секторные и плоские и др.

Высота и объёмная масса породного отвала зависит от устойчивости отсыпной породы (угла откоса, подстилающего слоя, параметров отвала, используемого оборудования и др.), а также наличия расположенных вблизи населенных пунктов, природоохранных зон, памятников культуры и " других объектов, имеющих эстетическое и познавательное значение для человечества.

Физические и химические показатели породных отвалов варьируют в широком диапазоне и соизмеримы с природными объектами. Поэтому практически все породные отвалы при разработке полезных ископаемых, по определению академика Ферсмана, относятся к техногенным ресурсам, с • одной стороны, и с другой - они оказывают во всех случаях негативное влияние на компоненты биосферы в районах их размещения.

Влияние отвалов горного про; -водства на биосферу проявляется в прямом и косвенном воздействии. Прямое - в выделении отвалами пыле-• газовых аэрозолей, косвенное - в создании ареола воздействия на прилегающую территорию вследствие скатывания химических веществ с поверхности в результате действия атмосферных осадков или сдвижения склонов вследствие естественной усадки насыпной массы.

Особую тревогу вызывает тот факт, что чисто практически во всех случаях с поверхности породных отвалов по направлению ветра наблюдается распространение пылевидных частиц. По данным многолетних наблю-.дгний, распространение пылевидных частиц в приземном слое атмосферы подчиняется закону S-образной зависимости. Причем максимум запыленности находится, как правило, на расстоянии 5-.10 км, а концентрация пыли в пределах предельно допустимой концентрации (ПД) на расстоянии 25-35 км.

В связи с этим, как в нашей стране, так и за рубежом принимаются необходимые меры для предотвращения загрязнения атмосферного воздуха от действия породных отвалов. В этом направлении работали и работают коллективы под руководством видных ученых, таких, как Томаков П.И., Гальперин A.M., Нурок Г.А., Ушаков К.З., Никитин В.А., Москаленко Э.М., Тагасов В.И. и другие.

Не смотря на все многообразие горно-технических, технологических, организационных и экономических направлений не решены полностью вопросы по снижению пылеобразугащей способности породных отвалов. По-

этому, данное направление научно-практических исследований является актуальной научной задачей.

Пыль промышленных предприятий и, в том числе, породных отвалов классифицируете^ по размерам частиц от 0,5 мм до 10 мкм, которые удерживаются в воздухе с последующим их осаждением вследствие гравитационных и по действию, оказываемому на организм человека: нейтральную, токсичную и силнкозную. По физико-химическому составу, пыль условно делят на органическую, минеральную и смешанную. Наиболее опасной является пыль свинцовых, мышьяковых, ртутных, урановых и других минералов. Опасной во всех случаях считается пыль, содержащая двуокись кремния в ее кристаллической модификации (кварц, кристобалит, тридимит и т.д.), которая, попадая в легкие, вызывает заболевание - силикоз.

Выбор эффективных способов и средств борьбы с пылью в биосфере осуществляется с учетом ее физико-химических свойств, таких, как плотность, смачиваемость, слипаемость, пршшпаемость, взрываемость, электрический потенциал и другие.

Плотность пыли определяется плотностью нзсыпной массы. Смачиваемость - краевым углом смачивания С}, прилппаемость процессом взаимодействия частиц с твердой поверхностью, г )рываемоеть - детонацией взрыва при наличии кислорода и других факторов, электрозаряженность -наличием электрического заряда на поверхности в воздухе или других газах.

Причинами образования пыли на поверхности породных отвалов являются технологические процессы, связанные с отсыпкой горной массы, ветровое воздействие и метеорологические параметры. Образование пыли наблюдается не только в зонах рабочих мест, но и воздушном пространстве, прилегающих территорий к источникам пылеобразования.

Пылеобраазование на поверхности породных отвалов колеблется от величины абсолютной влажности атмосферного воздуха, сезонных изменений температуры, климатических условий в целом и проявляемых сил адгезии между частицами пыли.

Сезонный ха) ктер изменения запыленности и связывания отложившейся пыли ярко проявляется в районах с резко континентальным климатом. Механизм пылеподавляющего воздействия при этом в весенне-летний период состоит в увеличении сил адгезии при контакте частиц между собой и поверхностью горной массы отвала за счет повышения температуры контактирующих поверхностей и накопления на них конденсационной влаги.

В осенне-зимний период повышение запыленности происходит в результате уменьшения сил адгезии между частицами и горной массой за счет высушивания и понижения температуры ниже 0° С контактирующих поверхностей. Это приводит к ничьему пыли в воздух.

К числу основных способов борьбы с пилением породных отвалов и шламохранилищ в настоящее время относятся следующие: создание аэродинамических зон, когда пыление поверхности находится в зонах аэродинами-

ческих теней; создание гидравлических завес непрерывного действия; создание водяного зеркала над пылящей поверхностью; биологическую защиту пылящих поверхностей со связыванием корневой системы пылящего субстрата и созданием аэродинамических теней, путем внесения в пылящий субстрат специального плодородного слоя, цикличного полива и систематического воспроизводства биологически активных компонентов.

Однако перечисленные основные способы борьбы с пылением поверхности породных отвалов, как показывает практика, обладают низким коэффициентом полезного действия, что связано, прежде всего, со способностью Повторного воспроизводства технологических операций по мере формирования новых зон отвалов или шламохранилищ и наличием большой материалоемкости, и стоимости работ.

Поэтому упомянутые способы находят лишь частичную реализацию в условиях все возрастающих пылящих поверхностей породных отвалов.

В связи с этим в практике снижения обеспыливания с поверхнбсте'й породных отвалов получили практическое применение способы создания ковровых покрытий, путем нанесения на рабочую- поверхность вяжущих веществ или растворов. При этом на поверхности раздела создается низкопроницаемая пленка, способная снизить пылеобразующую способность объекта. В качестве рабочего реагента используют латексное покрытие, которое является одним из полимеров коллоидного состояния, включающего в свой состав частицы каучука (дисперсная фаза) и сыворотку (дисперсионная среда).

При концентрации 'латексов до 1 % их пылеподавляющее действие заключается в способности коагулировать пылевидные частицы, находящиеся в объеме разрыхленной горной массы. Однако вследствие высокой вязкости' раствора проникающая способность латексов ограничивается только созданием пленочного покрытия, которое не выдерживает атмосферных и механических воздействий,

I- связи с этим в. работе проведен сравнительный анализ эффективных возможных • веществ для пылеподавления, в качестве которых были • выбраны .вода, вязкие твердеющие растворы (глины, цементное молоко, битумы и лигносульфанат; карбомидные смолы группы мочевино-формальдегидных и растительные покровы).

В качестве основного материала для создания синтетических покрытий на их поверхности породных отвалов для снижения их пылеобразующеЙ способности наиболее дешевым и малотрудоемким в практическом применении целесообразно использовать водный раствор (эмульсию) мочеви-но-4 "рмальдегидной смолы, который обладает способностью фазового перехода (жидкость - твердый продуктов широком диапазоне времени (1-15 сут), температуры (4-40оС), влажности (до 90 %), адгезионных свойств пород и их пористости. На основании проведенно1 сравнительного анализа сформулирована цель, идея и задачи исследований.

Для решения поставленной цели в работе сформулированы основные • требования к рабочему раствору для борьбы с пылеобразующей способностью на поверхности породных отвалов (хвостохранилищ), к которым относятся следующие: должны использоваться растворы, способные изменять свое фазовое состояние с образованием твердого продукта; процесс должен происходить в пограничном слое; высокомолек^шрные соединения раствора должны иметь линейное строение макромолекул; проникновением раствора должно обеспечиваться его собственным весом, а не напорной фильтрацией; содержать минимум компонентов; носитель соединения -вода; вода и полимер должны включаться в пористую структуру пород для уменьшения деформации и созданиябез усадочных объемов, твердый продукт в фильтарционном объеме отвала должен обладать проникающей способностью по отношению к газам и осадкам для уменьшения отрицательных воздействий на него климатических факторов; процесс фазового перехода должен быть управляемым, твердый продукт должен быть экологически чистым и применяемым по экономической целесообразности.

С этой целью в работе проведен комплекс экспериментальных исследований с использованием мочевино-формальдбггдной смолы (крепитель М2), воды и использованием традиционных отвердителей на базе хлористого аммония, соляной кислоты и сульфитно-спиртовой барды по общепринятым методикам физико-химических исследований.

На основании предварительных лабораторных исследований с учетом вышеперечисленных требований установлено, что во всех случаях обработки образцов породных отвалов (хвостохранилищ) растворо.,. мочевино-формальдегидной смолы в широком диапазоне его состава, температуры, пористости образцов, влажности получены безусадочные компоненты, в которых породная масса выступает в качестве наполнителя. Безнапорная фильтрация раствора способна заполнять практически все поры и трещины на глубину 0,1-10 см в приграничном слое. Наиболее целесообразно использовать в качестве крепителя сульфитно-спиртовую барду, которая на 10-15 % сокращает время образования твердо: -> продукта и требует рас-»хода эмульсии на 10^44 % меньше по сравнению с другими отвердителями, при снижении времени отверждения поверхности образца,ло 25 часов. При этом практически не наблюдается выделения из обработанного образца вредных дл окружающей среды веществ.

Для определения оптимальных параметров и обоснования технологических приемов обработки поверхностей породных отвалов для сниже-ш их пылеобразующей способности были проведены широкомасштабные натурные исследования на Полтавском горно-металлургическом комбинате (ПГОК).

При этом решались следующие задачи: выбор оптимального состава раствора мочевино-формальдегидной смолы; условий нанесения эмульсии на поверхность, определяющих основные требования и технологии воздей-

ствия, определение стойкости синтетических покрытий к действию климатических факторов, оценка эколого-экономических показателей технологии.

Опытные работы проводились в отсеке № 3 хвостохранилища ПГОКа. Для оценки эффективности физико-химического воздействия вокруг опытного участка было оборудовано 27 контрольных постов наблюдения для отбора образцов и определения фактической запыленности атмосферного воздуха с учетом возможного наличия в нем вредных компонентов от применяемого раствора и процессов фазового перехода за границей санитарно-•.-|1ЦНТНОЙ зоны.

Исследование эффективности пылеподавления при физико-химическом воздействии в условиях хвостохранилища ПГОКа проводились с использованием Метода математического планирования экспериментов по плану Шеффе в зависимости от основных метеорологических факторов скорости ветра (5-15 м/с), температуры (+2 -+26° С) и-влажности воздуха (78-92 %).

При этом установлено, что снижение запыленности в районе экспериментальных исследований обеспечивается на 40-70 %, по истечении не более чем 3 суток (период запаздывания о зерждения продукта 2,4 суток и 1,8 суток при средней скорости 10 м/с, температуре +14° С при ручном и ме-' ханизированном способах обработки поверхности отвала) в пределах сани-тарно-защитной зоны -отсека и подчиняются закону убивающей экспоненты. При этом константа скорости (|л) изменения запыленности равна значению 0,075 1/сут и не зависит от выбранной технологии обработки (ручной и механизированной).

Графо-аналитическая интерпретация результатов оценки запыленности в зависимости от выбранных метеорологических факторов позволила получить изолинии запыленности атмосферного воздуха в пределах границы саннтарно-защитной зоны (500 м от источника), которые приведены на нижеследующем рисунке (рис. 1), что позволило по их результатам .построить матрицу (табл. 1) и оценить достоверность экспериментальных исследовании.

На основании данных рис. 1 и табл. 1 было получено общее уравнение регрессии в кодированных переменных, которое имеет вид:

= 0,975 + 0,025 -V - 0,400 -Т - 0,750-\У + 0,210 -У-Т + 0,025 -УДУ +

• ' + 0,050 -ТЛУ + 0,375-У-ТЛУ, , (1),' .

которое указывает на то, что при повышении скорости ветра (V) запыленность ьозрастает, а при повышении температуры (Т) и влажности (У/) -уменьшается Причем большее влияние при этом оказывает влажность.

- и-

i? - 78 %

рри W - 92 °/o

S)

Рис.L. .

Изолинии распределения запыленности от физико-химического воздействия снижения пылеобразуюцеТ поверхности хвостохранн-литда в зависимости от. метеорологических параметров на расстоянии 500 м от источника загрязнения:

гг - снорость ветра, м/с; Т- температура, °C;W~ относительная влажность, %.

Таблица $ .I

».V* П а р а мет р ы

м/с Т, °С % гпг 1гц/ тя ЛСс • ^ г <ра<Г. Сс г««. а ¿V ОкимГ-КА. ¿мли^и*

I 2 3 4 5 б 7 •8 9 10 II 12 13 14 15 16 17

I +1 +1 +1 41 41 41 41 0,6 0,363 0,134 0,51 0,09 15

2 -I +1 +: -I -I 41 -I 0,2 0,776 0,134 0,21 -0,01 5

3 41 -I +Х -I 41 -I -I 1,0 -0,034 0,001 1,075 0,075 0,75

4 -I -I 41» + 1 -I -I 41 1,2 8 -1,134 0,018 ^ 1,06 0,14 II со

5 +1 +1 -Г +1 -I -I -I чд о> 0,366 0,136 0,54 -0,06 10 к-*

б -I +1 -I -I 41 -I 41 0,3 о 0,666 0,244 1,43 1,13 37 ы »-<

7 +1 -I -I. -I ¿1 41 41 1,2 0,134 0,018 2,34 1,14 9,5

8 -I -I -I -I 41 41 41 1,5 0,534 0,285 1,905 - 1,95 13

9 0 0 . 0 0 0 .0 0 0,9 0,066 0,024 0,975 0 0

Матрица оценки влияния метеорологических факторов на запыленность атмосферы в кодированных переменных:

где: (+ ) - максимальное, значение переменной, ( - ) -минимальное значение переменной, • О - среднее значение переменной-

С£ г« КГ - фактическая концентрация, ^ «средняя концентрация, аС,'^,,,-^ отклонение от среднего значения, среднеквадратичное отклонение.

При оценке парных влияний метеорологических факторов (\ПГ), (УШ), (ТЛУ) наблюдается повышение пылеобразования.. Совокупное влияние всех факторов. (V, Т, XV) оказывает наибольшее влияние на запыленность. Фактические и расчетные значения запыленности находятся в пределах промышленной значимости ( 11+15 %). •

Присутствие формальдегида и аммиака в атмосферном воздухе в са-нитарно-защитной зоне не превышает ПДК, что говорит об экологичности разрабатываемого способа.

' На основании проведения исследований в работе рекомендуются следующие составы растворов мочевино-формальдегидной смолы (табл. 2).-

Таблица 2.

Состав физико-химического растворов, %

Вещества Условия применения

Атмосферно-устойчивые покрытия Летний период Весенний и осенний периоды

Мочевино- 35-50 45 50

формальдегидная смола

(крепитель М2)

Вода 32-57 48,5 27

Субстрат пылящей по- 1,5-3.0 1,5 3

верхности (с породного • *

отвала)

Сульфитно-спиртовая 5-Г5 5,0 20 .

барда

К основным техническим .параметрам при обработке поверхностей хвостохранилища при использовании поливочной' машины или вертолета следует отнести следующие: заправочная емкость - 500 л, ширина выпускной системы - 30 м, ширина обрабатываемой поверхности - 10 м; время обработки - 4 мин; высота полета 10 м, длина поливочной полосы - 700 м, скорость движения -10 км/час.

Разработанные тр бования и режимы к технологии создания пылезащитных и экологически чистых покрытий на поверхностях хвостохранилища и методика технологии воздействия приняты ПГОКом к практическому применению.

Заключение .

На основе проведенных исследований в работе решена, актуальная на учняя задача, связанная с разработкой составов растворов закрепления'пы лящих поверхностей хвостохранилнщ на основе мочевино-формальде-гидных смол с целью повышения экологической безопасности горного производства.

Основные выводы работы заключаются в следующем:

1. Одним из возможных направлений снижения пылеобразующей способности отвалов горных пород может служить физико-химический способ, основанный на орошении поверхности отвала раствором мочевино-формальдегидной смолы, способной изменять свое фазовое состояние в широком диапазоне температур, адгезионных свойство пород, влажности и др. и обладающей низкой проницаемостью при его отверждении.

2 Одним пз возможных крепителей для фазового перехода мочевино-формальдегидной смолы в твердое состояние является сульфитно-спиртовая барда, которая на 10-15 % сокращает время образования твердого покрытия на поверхности отвала и требует расхода жидкости от 10 до 44 % по сравнению с известными отвердителямн (от 15 до 70 %) при снижении времени отверждения поверхности до 10 + 25 часов по сравнению с известными от 10 до 40 часов.

3. Проведенные натурные испытания с контрольными замерами в со-01 .пствин с гостированными методиками технологии пылезащитного покрытия на поверхностях хвост «хранилища предлагаемыми растворами на основе мочевино-формальдегидных смол, имеющими следующий состав: крепитель М2 - 35-45 вода - 32-57 %, субстрат пылящей поверхности 1,5 - 3,0 %, сульфитно-спиртовая барда 5-15 % после воздействия на поверхность в течение 1-3 суток с нанесением раствора ручным и механизированным способами снизили запыленность территорий на 40-70°Ь..

4. Для оценки запыленности атмосферы после физико-химическогс воздействия на границе санитарно-защнгнон зоны опытных участков хво-стохранилища с учетом метеорологических факторов получено уравнение первого порядка в кодированных значениях со средней достоверность«: 0,85, которое говорит о том, что при повышении скорости ветра концентрация пыли увеличивается, а при повышении температуры и влажности снижается. Однако влияние парных и совокупных метеорологических факторов приводит к повышению запыленности атмосферы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Иванова Г.С., Тагасов А.И. Исследование влияния климата на поглощающую способность поверхностей. // Актуальные проблемы эколо-

гии: I межвузовская конференция. Москва, 23-26 мая 1995г. Тез. докл -М/. Изд-во РУДН. 1995. - С.25.

Иванова Г.С., Тагасов А.И. Исследование влияния шламохранилищ на окружающую среду.// Актуальные проблемы экологии: I межвузовская конференция. Москва, 23-26 мая 1995г. Тез. докл.- М.: Изд-во РУДН. 199*. -С.26.

Иванова Г.С., Тагасов А.И., Фролов JI.B. О влиянии температуры и влажности поверхностного слоя шламохранилища на прочность и стойкость пылезащитных покрытий.// Актуальные проблемы экологии: II межвузовская конференция. Москва, 27-28 мая 1996г. Труды,- М.: Изд-во РУДН. 1996. - С. 75-76.

1ШАНОВА ГАЛИНА СЕМЕНОВНА (РОССИЯ)

Разработка составов растворов на основе мочевнио-формальдегндных смол закрепления пылящих поверхностей хвостохрэнмлнщ для повышения экологической безопасности горного производства.

Породные отвалы горных предприятий и хвостохранилища во всех случаях приводят к запыленности атмосферного воздуха. Эффективным способом борьбы с пылеобразованием является физико-химическое воздействие на поверхность отвалов, путем использования раствора мочевино-формал1>дегнд)юй смолы, что приводит к снижению запыленности на 40-70 % Разработана методика и рекомендации для практического применения в промышленности.

GALINAS. IVANOVA (RUSSIA)

"Elaboration of the method of fixing or dust surfaces • of the tailings dumps with the solution of urea-formaldehyde pitch to increase the ecological safety of the mining"

The. rock dumps and tailings dumps of the enrichment processes set in all cases to dusting of the atmosphere air exceeding the normal values. Dusting of the atmosphere traces at a distance of 5<i km depending on meteorological conditions. Effective method of the struggle with dusting is physic-chemical influence on the surface of the rock dumps, using the solution of urea-formaldehyde pitch that results with reduction of dusting on 40-70%. There are worked out method and recommendations for practical application in the industry.