Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Закономерности аэротехногенного загрязнения снежного покрова

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Закономерности аэротехногенного загрязнения снежного покрова"

На правах рукописи

РАТКИН Николай Егорович

2 2 АПР ldatí

УДК 502. 55 ( 203 ) ( 470. 21 )

ЗАКОНОМЕРНОСТИ АЗРОТЕШГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

(на примере Печенгского района)

Специальность 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Апатиты 1996

Работа выполнена в Институте Проблем Промышленн Экологии Севера Кольского Научного Центра РАН.

Научный руководитель:

доктор географических наук Н.Ф. Глазовский.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Л.Р. Серебрянный. доктор биологических наук В.П. Учватов.

Ведущая организация: Московский государственн университет им. М.В. Ломоносова. Географический факультет

УЗ с£>

Защита состоится "24" мая 1996 г. в 7 ° час на заседании специализированного совета Д.003.19, при Институте Географии РАН по адресу: 109017, Моек Старомонетный пер. 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиот* Института Географии РАН.

Автореферат разослан ¿ША&ЛЛ 1996г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат географических наук Т. П. Куприяно

ЛадМ

Актуальность. С точки зрения санитарно-гигиенического критерия и экологических требований к качеству природной Среды с учетом токсичности, массовости, возможных масштабов распространения и последствий миграции между средами, приоритетными компонентами в составе выбросов местных источников загрязнения атмосферы для Мурманской области в целом является никель, медь, сернистый газ [Макарова, 1989). От 70 до 90% ежегодных выбросов сернистого газа и, практически, 100% никеля и меди на территории области приходится на иедно-никелевые комбинаты "Печенганикель" и "Североникель".

В этой связи актуальными являются исследования, направленные на эпределение количественных показателей никеля, меди и серы в природной :реде и закономерностей их пространственного распределения.

В настоящее время при оценке степени загрязненности окружающей "реды наибольший интерес представляют природные индикаторы. Одним из ювременных методов индикации процессов воздушной миграции природных и техногенных веществ является гидрохимическое исследование снежного гокрова.

Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным шдикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и ггмосферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почв Назаров, Ренне и др., 1976; Воеводова, 1979). Отбор проб снега достаточно фост и не требует сложного оборудования по сравнению с отбором проб ¡оздуха. Послойный отбор проб снежного покрова позволяет получить щнамику загрязнения за зимний сезон, а всего лишь одна проба по всей олше снежного покрова дает представление о загрязнении в период от )бразования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы. Он юзволяет решить проблему количественного определения суммарных гараметров загрязнения (сухих и влажных выпадений). Снежный покров как :стественный планшет-накопитель дает действительную величину сухих и шажных выпадений в холодный период и, наконец, выступает как |ффективный индикатор процессов закисления природных сред. В настоящее |ремя, успешно решаются задачи по изучению загрязнения территории фомышленными выбросами как на больших, так и на малых расстояниях от ¡сточника выброса.

Снежный покров используется для решения и более сложных адач:определения вещественного состава и мощности выбросов предприятий; >пределение доли вещества, увлекаемого в дальний и локальный перенос;

изучение динамики содержания в снежном покрове растворимых солей техногенных веществ и выявления их миграции из снега в почву ( Раткин и др., 1988 ).

Проблема оценки характеристик снежности и загрязнения снежного покрова в горных условиях является сложной и многоплановой, поскольку требует учета множества природных факторов: абсолютных отметок, ориентацию и крутизну склонов, особенностей ветрового режима, типа подстилающей поверхности и растительности, микрорельефа.

Вопросы влияния природных факторов на распределение, режим и загрязнение снежного покрова в горах изучены недостаточно. Это связано с необходимостью постановки многолетних и весьма трудоемких натурных наблюдений на репрезентативных площадках, достаточно полно отражающих присущее данному району разнообразие локальных условий формирования и загрязнения снежной толщи.

Поэтому особую актуальность приобретает разработка методов расчета показателей снежности и загрязнения снежного покрова.

Цель и задачи исследований. Цель работы - изучить пространственные закономерности распределения, режима и загрязнения снежного покрова сульфатами, никелем и медью в условиях пересечённого рельефа, для определения ретроспективных и перспективных аэротехногенных нагрузок на момент максимального снегонакопления на любые выделенные природно-территориальные комплексы.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

- установить влияние природных локальных факторов на показатслг снежности изучаемой территории;

- установить влияние природных и техногенных факторов ш величину пространственного содержания сульфатов, никеля и меди в снежнок покрове;

- определить связь запаса влаги в различных ландшафтах с суммой твёрдых осадков на момент максимального снегонакопления по метеостанцш "Никель" ;

- получить эмпирические уравнения связи содержания в снег сульфатов, никеля и меди в условиях пересеченного рельефа в зависимости о расстояния до источника выбросов.

Научная новизна. Впервые в длительном полевом эксперименте проведен многосторонний анализ влияния природных локальных факторов на загрязнение снежного покрова.

Разработана математико-картографическая модель, которая обеспечивает: расчет значений нагрузки сульфатов, никеля и меди в неограниченном числе точек по данным о годовых выбросах в атмосферу и метеорологических условиях; генерирование изолиний нагрузки в виде векторов и вывод на печать изолинейной карты в заданных масштабе и картографической проекции. В основе расчетов лежат эмпирические уравнения связи накопления вещества и расстояния от источника выбросов, учитывающие влияние растительности на влагозапас и влияние рельефа на содержание веществ в снежном покрове.

Практическая занчимость. Результаты, полученные на основе исследований, могут быть использованы:

для количественной оценки загрязнения локальной зоны без проведения трудоемких работ по гидрохимическому опробованию снежного покрова;

для количественной оценки загрязнения снежного покрова других территорий со сходными физико-географическими и климатическими условиями;

для контроля за выбросами;

при планировании природоохранных мероприятий.

Фактические материалы. В основу работы положены результаты полевых исследований, выполненных в 1979, 1983, 1990-1994 гг. на северо-западе Мурманской области, а также на территории Норвегии, находящейся под воздействием выбросов комбината "Печенганикель".

Гидрохимическое опробование снежного покрова производилось в конце марта - начале апреля вокруг комбината "Печенганикель" на расстояниях до 60 км. Общее количество пунктов составляет 91, из них 66 на российской стороне, 25 - на норвежской. Общее количество проб - 388.

В 1990-1992гг. одновременно с отбором проб снега осуществлялись промеры высоты снежного покрова, определялись его плотность и влагозапас. Общее количество промеров высоты снежной толщи - 3276, определений плотности - 273.

Оценка метеорологических условий исследуемой территории произведена по данным метеостанции "Никель".

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на: Seminar "Air Pollution Problems in the Northern Region of Fennoscandia Included Kola" (Svanvik, Norway, 1-3 June 1993), Международном Симпозиуме "Загрязнение водосборных бассейнов в Российской Арктике" (Санкт-Петербург, 20-22 января 1996 г.). Результаты исследований отражены в 5 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Ее объем составляет 135 страниц. Текст иллюстрирован 35 таблицами и 28 рисунками. Список литературы включает 98 наименований.

Химико-аналитические работы выполнены инженерами лаборатории эколого-географических исследований Л.М.Терещенко и Е.ВЛеоновой. Автор глубоко признателен за оказанную помощь в работе научному руководителю, доктору географических наук Н.Ф.Глазовскому, сотрудникам лаборатории за участие в полевых работах, командованию пограничного отряда и начальникам пограничных застав, а также коллективу Никельской метеостанции за оказание помощи при проведении полевых исследований. Автор благодарит Советника губернатора Финмарка по вопросам охраны окружающей Среды Пера-Енара Фескебека за оказание финансовой и технической помощи при проведении научно-исследовательских работ.

Содержание работы

В введении обосновывается актуальность исследования, формируется цель и задачи работы и методология их решения. Оценивается научная новизна и практическая ценность проведенного исследования.

В главе 1 рассмотрено состояние исследований по теме работы. Приводятся материалы и методы проведения работ.

Теоретические обоснования изучения пространственных закономерностей распределения снежного покрова разработаны в трудах А.И.Воейкова, Г.Д.Рихтера, А.К.Дюнина, И.Д.Копанева, В.М.Котлякова. П.П.Кузьмина, Д.М.Мельника и других отечественных и зарубежных авторов Обоснования изучения пространственных закономерностей загрязнения снежного покрова показаны в работах В.И.Гуревича, В.В.Крючкова Т.Д.Макаровой, Н.Ф.Глазовского, В.Н.Василенко, И.А.Павленко И.М.Назарова, О.В.Кайдановой и многих других авторов.

Отбор проб снежного покрова проводился в период максимально« снегонакопления по маршрутам со снегопунктами (рис. 1). Каждьн снегопункт характеризовал определенный ландшафт.

о

5

Ю

•3

• 22

Киркенес

.5 .23 «17

•7 V X ■

■20

V27 \

•21

•8 1

\

•V -28

\

.33

•62

I

■ .50

I

-52.53-55

1

10 ; -29 .37 Л„

/ '35 '61 -59 50

% -63 Заполярный

О* и /'^.^56 .64 ^

" " .... - Никель Б5" _„ .си

3&3.-В7 70** *

..55

57

/

/ ' -т'31 "к* г / -П-73 -32

•Ав

•89

/

"3 Ч

•ч4У* -60

-79

•76

•63

14./

' I

\ I

• 47

.82

•84

.73

•72

.«6

• В5

15

/•71

.45 •V»

■66

•87

2

•42

•41

•40

Рис.1 Расположение снегопунктов

Для выявления закономерностей пространственного загрязнения снежного покрова каждый ландшафт исследовался многократно на разных удалениях от комбината "Печенганикель".

С целью выбора максимально идентичных ландшафтов, выбор снегопунктов осуществлялся осенью, перед установлением снежного покрова. В результате чего ландшафты типизированы по видовому составу растительного покрова, высоте местности, форме рельефа и крутизне склонов.

Высотные отметки вершинных ландшафтов не превышали 250-300 м; склоновых - 120 - 170 м с типичной для района исследований крутизной склонов 15-20°.

Отбор проб производился пробоотборником, изготовленным из синтетического материала на полную глубину снежного покрова.

В средней части ландшафта на площади не менее 150x150 м отбирались три пробы снега по вершинам равностороннего треугольника. Весовым плотномером определялась его плотность. Расстояние между пробами составляло 25 м. Три пробы объединялись в одну. Из трех измерений плотности снега вычислялось среднее значение плотности.

Промеры высоты снежной толщи производились разборным металлическим щупом длинною 3 м в углах квадратной сетки с шагом 25 м. Количество измерений на одном снегопупкте - 36.

' определяли - турбидиметрическим методом с окончанием на

ФЭК-56-М.

Катионы металлов № и Си определяли отдельно в фильтрате и в осадке атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААС-2 .

В работе использованы сведения о выбросах в атмосферу, приведенные в обзорах МУГКС за 1973-1994 гг. Анализ климатических условий формирования и режима снежного покрова на территории исследований проведен по данным метеостанции "Никель", расположенной на высоте 86м над уровнем моря, за период 1945-1994 гг. (Справочник, 1988). Все расчеты выполнены на ЭВМ.

В главе 2 исследовано влияние природных локальных факторов на режим и распределение снежного покрова.

Район исследований охватывает часть территории на северо-западе Мурманской области и часть территории Норвегии, пограничной с Россией по реке Пасвик.

Рельеф изучаемого района является, в основном, результатом его тектонической истории. Эрозия, денудация и аккумуляция преимущественно четвертичного периода сыграли лишь моделирующую роль. В целом район имеет платообразную поверхность.

На повышениях, а также в верхних поясах гор и по их склонам, имеются значительные площади, на которых процессы сноса преобладают

над аккумуляцией. Поэтому они лишены рыхлого материала или покрыты тонким слоем элюводелювия с очень малым содержанием мелкозема. Горный массив района исследований, образованный группами возвышенностей, достигающих отметок 500-600 м, характеризуется мягкими очертаниями плоских вершин и чаще пологими, а иногда обрывистыми склонами. Он чередуется с впадинами, занятыми озерами и болотами. Среди озер наиболее крупным является Куетсярв. На территории хорошо развита речная сеть. Долины рек связаны с впадинами тектонического происхождения. Наиболее крупными являются реки Паз и Печенга.

Леса представлены в основном редкостойными ельниками и сосняками. Еловые леса редко встречаются без примеси березы. Среди сосняков встречаются массивы, в которых береза отсутствует или почти отсутствует. Вследствие разреженного древостоя леса имеют парковый характер.

Все леса и лесотундровые редколесья подразделяются на две основные группы:лишайниковые и моховые. Среди последних выделяются зеленомошные и сфагновые. Среди тундр на территории исследований преобладают кустарничковые.

Растительность болот представлена очень большим числом разнообразных сообществ, составляющих сложные комплексы. Наибольшее распространение имеют грядово-мочажинные комплексные болота и кустарничково-сфагновые. Очень часто болота обнесены сосной и реже - елью и березой.

Характерной особенностью погоды зимнего периода является ее неустойчивость и резкая изменчивость, обусловленная частой сменой воздушных масс, а также перемещением циклонов и фронтов. В целом климат района определяется как морской. Режим осадков определяется циркуляционными процессами в виде циклонической деятельности. По Г.Я.Вангенгейму для района характерен западный тип атмосферной циркуляции, который сопровождается интенсивным выносом теплых и влажных воздушных масс с Атлантического океана и обусловливает относительно теплую и влажную зиму. (Вангенгейм, 1946)

Небольшие скорости движения циклонов и довольно продолжительное время их действия создают благоприятные условия для выпадения обильных осадков. Суточное количество осадков может достигать 20-30 мм, максимальное - 45 мм. Средние скорости ветрового паля находятся в градации 3-8 м/с, что соответствует по шкале оценок слабым и умеренным ветрам. (Яковлев, 1961)

По многолетним данным устойчивый снежный покров устанавливается 28 октября, начинает разрушаться 7 апреля. Время залегания

устойчивого покрова составляет пять полных месяцев: с ноября по март. За этот период выпадает в среднем за много лет 156 мм осадков при продолжительности выпадения 1016 часов.

Средняя температура воздуха во время снегопадов колеблется в больших пределах от -5°С до -10°С. Во время снегопадов отмечается зависимость форм и размеров снежинок от температуры воздуха.

Взаимодействие ветра с подстилающей поверхностью обусловливает метели. На территории исследований метели наблюдаются в среднем в течение 10 сугок каждый сезон. Результатом метелевого переноса является неравномерное распределение снежного покрова, образование мощных отложений снега у различного вида препятствий и в понижениях рельефа и частичное обнажение, а иногда полное сдувание снега, на открытых участках местности.

Продолжительность оттепелей составляет 20% продолжительности залегания снежного покрова, которые, в основном, имеют адвективное происхождение.

Перераспределение снега во время метелей вносит существенные различия в показатели снежности неоднородных ландшафтов. Поэтому для оценки распределения снежного покрова в горах нами были предприняты специальные исследования с постановкой натурных работ. (Раткин и др., 1992; Макагоуа, ЫаИст е1 а1, 1993).

Для учета влияния природных локальных факторов на накопление снега исследовались ландшафты с разным типом растительного покрова, а также ландшафты, где древесный ярус отсутствовал.

Влияние форм рельефа и растительного покрова проявляется на всех физических параметрах снежного покрова (табл. 1). Плотность снега в формах рельефа с одинаковым типом растительного покрова мало различается. Различия в высоте снега и запаса влаги заметны.

Таблица 1

Средние значения высоты (Ь), плотности (р) и запаса влаги («0 в разных типах ландшафта (1990-1992 гг.)

Форма рельефа без леса хвойный лес лиственный лес

Ь Р \У Ь Р И Р XV

равнина 50 0.27 133 65 0.23 150 70 0.26 180

склон 56 0.27 150 69 0.25 172 89 0.27 241

вершина 43 0.29 123 75 0.23 172 84 0.24 205

В безлесных формах рельефа наибольшая высота снега отмечается на склонах, наименьшая - на вершинах, что объясняется перераспределением снега при метелях. В хвойном лесу - наоборот: на вершинах снега бельше,чем на склонах и равнинах из-за возможного высотного фактора, влияющего на величину выпадения атмосферных осадков в горах.

В лиственном лесу максимальная высота снега отмечается на склонах, чуть ниже - на вершинах и еще ниже - на равнинах.

Несколько меньшая высота снега на вершинах, по сравнению с высотой на склонах говорит о том, что часть снега во время метели поступает : вершин на склоны.

Наиболее высокая плотность на безлесных элементах рельефа характерна для вершин из-за ветрового уплотнения. На склонах и равнинах тпотность снежного покрова одинаковая.

В хвойном лесу плотность снега во всех элементах рельефа «меняется мало, а в лиственном наибольшая отмечается на склонах, наименьшая - на вершинах.

На безлесных формах рельефа наименьший запас влаги в снеге наблюдается на вершинах, наибольший - на склонах в результате сноса части :нега во время метели с вершин на склоны.

В формах рельефа с хвойным лесом, где метелевой фактор влияния 1а запас влаги в снеге очень мал, влагозапас определяется количеством шпавших атмосферных осадков. На вершинах и склонах их, по - видимому, ¡ыпадает больше, чем на равнинах, поэтому величина запаса влаги на этих шементах рельефа выше по сравнению с запасом влага на ровных участках местности.

В лиственном лесу на накопление снега оказывает влияние метелевый фактор, поэтому запас влаги в снеге на скпонах выше, чем на вершинах. Минимальный отмечается на равнинах.

Во временном разрезе высота снежного покрова и его влагозапас :ущественно изменяются от одной зимы к другой. Изменения плотности в аднотипных ландшафтах не столь существенны.

В целом по территории района исследований величины высоты снега 1 запаса влаги всегда выше на склонах, чем в других формах рельефа, а максимальные значения этих параметров характерны склонам, покрытых шственным лесом. Наименьшие (высота и влагозапас) присущи открытым участкам - с минимумом на вершинах. На закрытых участках более низкие ;начения этих характеристик свойственны равнинам.

Наиболее высокие плотности снега отмечаются на открытых участках с максимумом на вершинах (0.29 г/см3), а самые низкие - на участках, покрытых хвойным лесом - с минимумом на равнинах и вершинах (0,23 г/см3).

Для доверительной оценки особенностей распределения характеристик снежного покрова экспериментальные данные, представленные в виде статистических рядов, подвергались анализу методом математической статистики по нуль-гипотезе через ^критерий Стъюдента при уровне значимости 0.05.

При последовательном сравнении результатов измерений за отдельно взятые зимы в формах рельефа с одинаковым типом растительности было установлено, что высота, плотность снега и его влагозапас различаются не значимо. Это говорит о несущественном влиянии рельефа и высотных отметок, на которых расположены контрольные площадки, на формирование снежной толщи в районе исследований, который характеризуется невысокой расчленённостью рельефа.

Различие значений плотности за все зимы было статистически не значимо.

В формах рельефа с разным видовым составом растительного покрова во всех случаях наблюдается статистически значимое различие средних величин высоты и запаса влаги. Плотность снега постоянно значимо различается в хвойном лесу и на безлесных участках ( табл. 2 ).

Таблица 2

Средние статистически достоверные при 95% доверительном уровне значения высоты (¡г), плотности снега (р) и запаса влаги (\у).

Тип растительного покрова 1990 г. 1991 г. 1992 г.

К см Р. г/см3 мм Ь, см Р. г/см3 w, мм Ь, см Р, г/см3 XV, мм

без леса 51 0.28 143 39 0.28 109 62 0.27 167

хвойный лес 79 0.23 181 58 0.22 128 88 0.23 202

лиственный лес 92 0.27 248 68 0.25 170 97 0.26 252

Максимальные высота снега и запас влаги наблюдаются в лиственном лесу, минимальные - на безлесных участках. Наибольшая плотность отмечается на открытой местности; наименьшая - в хвойном лесу.

В главе 3 изложеи подход к методике расчета содержания сульфатов, никеля и меди в снежном покрове. В результате исследований изучено влияние природных локальных факторов на формирование влагозапасов и загрязнение снежного покрова на территории с пересеченным рельефом.

Установлено, что для района исследований характерны однородные климатические условия во времени с "мягким" климатом и умеренным ветровым режимом. Осадки на Кольском полуострове, главным образом, связаны с прохождением циклонов и имеют фронтальное происхождение. Ширина фронтов достигает 200-250 км (Яковлев, 1961). Поэтому данные по осадкам на метеостанции "Никель" являются репрезентативными для всех точек мониторинга. Изменение запаса влаги по сезонам в реперных точках происходит согласованно с изменением сумм осадков, выпавших за зимний период на метеостанции "Никель" - коэффициенты вариации запасов влаги в ландшафтах и сумм осадков близки: соответственно 21 и 23%. На основании этого для каждого типа ландшафта за каждый сезон были рассчитаны ряды коэффициентов, полученные как отношение запаса влаги в реперных точках к сумме осадков на метеостанции "Никель". Произведен их сравнительный анализ с помощью ЭВМ в программном пакете 5ТЛТСЯАР. Различие коэффициентов оценивалось по нуль- гипотезе через N критерий Стьюдента при уровне значимости 0.05.

В результате анализа было выявлено, что во времени значения коэффициентов статистически не различаются. Влияние рельефа проявляется не значимо, а видового состава растительности - значимо. На основе этого получены средние достоверные при 95% доверительном уровне значения коэффициентов, статистически значимо различающиеся по растительному признаку (табл. 3).

Таблица 3

Средние статистически достоверные коэффициенты отношения запаса влаги к сумме осадков за зиму по метеостанции "Никель".

Тип рельефа Тип растительного покрова

без леса хвойный лес лиственный лес

Равнина 0.66 0.80 1.03

Склон 0.69 0.83 1.15

Вершина 0.66 0.84 1.08

Средние 0.67 0.82 1.09

Полученные коэффициенты позволяют рассчитывать запас влаги в точках мониторинга но формуле:

= где (1)

\VI - запас влаги ¡-ой точки, мм; 5 - сумма осадков на метеостанции "Никель", мм; К1 - эмпирический коэффициент, выбираемый в зависимости от типа растительного покрова в ¡-ой точке.

Расчеты содержания загрязняющих веществ в снежном покрове проводились с учетом особенностей примеси и источника, направления и скорости ветрового переноса, рельефа местности в следующей последовательности:

1. Определение на основе данных о повторяемости направлений ветра и штилей на метеостанции "Никель" общей продолжительности распределения ветра за ноябрь - март в сутках по восьми основным румбам и во время штилей (табл. 4).

Таблица 4

Распределение ветра и штилей за зимний период, сутки.

румб/год С св В ЮВ Ю ЮЗ 3 сз штиль

1979 4.7 7.6 8.6 11.5 50.0 22.8 11.8 5.6 28.4

1983 3.6 5.6 5.1 8.7 55.5 30.3 13.6 5.9 22.7

1990 4.7 3.9 8.1 32.2 35.8 25.4 13.9 6.8 20.2

1991 3.3 4.5 7.0 30.6 52.6 24.5 10.0 6.7 11.8

1992 5.6 4.8 3.9 31.1 52.4 27.7 8.1 6.4 10.9

1993 2.9 3.5 5.3 30.2 51.3 21.6 10.7 8.0 17.5

1994 5.3 5.8 5.8 19.8 49.8 22.2 9.3 5.9 27.0

2. Разбиение точек мониторинга по трем морфологическим классам ландшафта: вершина, склон, равнина и составление для этих классов рядов времени экспозиции факела за сезоны исследований по направлению от источника на точку мониторинга.

3. Расчет среднесуточной концентрации веществ за сезон в точках мониторинга по формуле:

О:

ЧсУтЛ=—, где (2)

Чсутл - среднесуточная концентрация за сезон ¡-ой точки, мг/л. сутки;

Ц1 - измеренная концентрация вещества ¡-ой точки, мг/л;

Л - продолжительность переноса факела от источника на ¡-ую точку,

сутки.

В результате за каждый сезон получены ряды пространственного распределения среднесуточной концентрации загрязнителей, сформированной при разных выбросах сульфатов, никеля и меди в атмосферу.

Для учета выбросов и приведения рядов к одной единице измерения произведен расчет удельной среднесуточной концентрации веществ в точках мониторинга по формуле:

Чс утм

Чуд.й=—— , гае (3)

V

Ч у(И - удельная среднесуточная концентрация ¡-ой точки, мг/л. сутки на 1 тыс.т. выброса в год;

<7 о™./ ■ среднесуточная концентрация за сезон ¡-ой точки, мг/л сутки;

V - годовой выброс веществ, тыс.т.

В главе 4 представлено математико-картографическое моделирование аэротехногенной нагрузки. Произведенный расчет по формуле (3) позволил объеденить статистические ряды данных за пять лет в один ряд (отдельно дня каждого элемента) по трем формам рельефа.

На основе полученных рядов определены выборочное уравнение связи <7У() и расстояния от источника . Уравнения определялись методом простой регрессии в программном пакете ЗТАТОЯАР. Определен общий вид связи: Ч у;и = Щ х, где (4)

Чудл - удельная среднесуточная концентрация ¡-ой точки, мг/л сутки на 1 тыс. т. выброса в год;

я;= logai - свободный член уравнения регрессии ¡-го элемента;

х- расстояние от источника ¡-ой точки, км;

Ь, - коэффициент регрессии ¡-го элемента.

Уравнения связи и критерии оценки линий регрессии приведены в табл. 5-7.

Таблица 5

Уравнения связи и расстояния от источника для БО\~ в разных формах рельефа и критерии оценки линий регрессии

тип функция критерии оценки

рельефа число Ь Р-критерий К кор. Р И2

вершина Ъ-л. = -5.4Х[0'79 78 82 -0.73 0.000 0.54

склон Яш = -5.68Х[0М 88 87 -0.72 0.000 0.52

равнина Яш = -6.18Х,"59 80 60 -0.69 0.000 0.48

Таблица 6

Уравнения связи ^ и расстояния от источника для № в разных формах рельефа и критерии оценки линий регрессии

тип рельефа функция критерии оценки

число Ь Б- критерий К кор. Р Я2

вершина Ухдл = -1.51ХГ117 78 117 -0.80 0.000 0.64

склон им = -1.52ХГ1'34 88 137 -0.79 0.000 0.62

равнина = -1.39X1145 80 98 -0.76 0.000 0.57

Таблица 7

Уравнения связи с]у(). и расстояния от источника для Си в разных формах рельефа и критерии оценки линий регрессии

тип рельефа функция критерии оценки

число Ь Р- критерий К кор. Р К2

вершина = -1.35ХГШ 78 127 -0.80 0.000 0.64

склон ЦхдА = -1.14X1144 88 138 -0.80 0.000 0.64

равнина цуАА = -1.31ХГ'-42 80 103 -0.77 0.000 0.59

Вывод общей формулы расчета полной концентрации загрязнителей в точке мониторинга на момент максимального влагозапаса. Из формул (2), (3) и (4) следует, что

<7; = а,Х?1 * Р, * У , где (5)

<7,- - концентрация за зиму в ¿-ой точке, мг/л;

а,Х/" = ду,)А - удельная концентрация ¿-ой точки, мг/л. сутки на 1тыс.т выброса в год;

Р, - время экспозиции факела на ¡-ую точку, сутки;

V - годовой выброс, тыс.т.

Сопоставление расчетов по формуле (5) с экспериментальными данными показало, что рассчитанные концентрации сульфатов, никеля и меди достаточно хорошо согласуются с величинами, полученными в результате примененной методики отбора и обработки образцов снега. В среднем за 1993-1994 гг. 61% всех точек по сульфатам (по никелю и меди - 55%) имеют различия расчетной и измеренной концентрации в 10-25%. Количество точек, имеющих различия >100% невелико (табл. 8).

Таблица 8

Число точек от общего количества (%) по градациям различия (%) расчетной и измеренной концентрации

вещество градации

10-25 30-45 50-90 >100

61 6 14 19

м 55 13 14 18

Си 55 14 18 13

Вывод общей формулы перехода от концентрации к накоплению веществ в снежном покрове. Известно, что

е, = Чг * , где (6)

<2; - содержание веществ в ¡-ой точке, мг/м2; - концентрация веществ на момент максимального снегонакопления ¡-ой точки, мг/л;

IV, - запас влаги ¡-ой точки, мм.

Подставляя в (6) выражение q (5) и УУ (1), получаем искомое:

<2, = Р*У%,),*8*К1 , где (7)

<2; - накопление веществ в снежном покрове за зиму в ¡-ой точке,

мг/м2';

Pi - продолжительность переноса факела от источника на ¡-ую точку,

сутки;

V - годовой выброс вещества, тыс. т.;

<г/уЛ,- = а,х1" ¿-ой точки, мг/л сутки при У=1 тыс.т. в год;

5 - сумма осадков за зиму, мм.;

- поправка на тип растительного покрова в ¿-ой точке.

Полученные уравнения (5) и (7) могут применяться для оценки аэротехногенного загрязнения территории исследований и контроля за выбросами через определение концентрации веществ в снежном покрове на когпрольном пункте мониторинга, расположенном в зоне локального загрязнения.

По формуле (7) рассчитано накопление сульфатов, № и Си отдельгго по годам и с нарастающим итогом за период с 1973 по 1994 гг. Для более полного охвата территории в базу данных ЭГИС введены дополнительные точки с их постоянными параметрами (полярные координаты, форма рельефа, тип растительности).

Рельеф местности, климатические условия, особенности примеси и источника определяют существенное различие в содержании загрязняющих веществ по вертикали.

Вблизи источника интенсивность выпадений металлов во всех формах рельефа одинаковая. С расстояния более 3 км, и далее на всем протяжении, металлов на возвышенностях выпадает в 2.5 раза больше, чем на равнинах и в 2 разабольше, чем на склонах. Содержание металлов на склонах превышает их содержание на равнинах в 1.5 раза. Из-за существенной разницы дисперсного состава интенсивность выпадения меди до 10 км от источника во всех формах рельефа на 30% выше, чем никеля.

До расстояния 10 км соотношение содержания сульфатов на равнинах и вершинах определено как 1:2, на больших удалениях от источника - как 1:1. На склонах на всем протяжении от источника серы в 1.5 раза выпадает больше, чем на равнинах.

У меди интенсивность выпадения, по сравнению с сульфатами, несколько вьгше, чем у никеля. В среднем до расстояния 3 км поступление металлов на склоны и равнины в 100 раз превышает поступление серы, на вершинах - в 50 раз. С расстояния 10 км металлы в 15 раз интенсивней поступают на поверхность вершин, чем сульфаты. На склонах и равнинах, в результате поступления серы от дополнительных низких источников, густо разбросанных по территории исследований, разница в интенсивности осаждения сульфатов и металлов не столь значительна, как на вершинах, не находящихся под воздействием дополнительных выбросов, и оценивается соотношением 1:7.

Разработан блок создания цифровой карты нагрузок в изолинейном отображении и масштабировании при выводе на печать и расчета накопления веществ на площади водосборных бассейнов.

На рис. 2 дана суммарная нагрузка сульфатов за период 1973-1994 гг. На рис. 3 показаны ареалы водосборных бассейнов главных рек Печенгского района и их первых притоков. Интегральные нагрузки запаса влаги, сульфатов, никеля и меди на площади водосборных бассейнов показаны в табл. 9.

8000

Рис. 2 Накопление Э04 в снеге (1973-94 гг), мг/м2.

Рис. 3 Ареалы водосборных бассейнов

Таблица 9

Интегральные нагрузки запаса влаги млн. т.), сульфатов, никеля и меди на площади водосборных бассейнов, т.

N Б, км2 накопление (период)

802- (1973-94) N1(1975-94) Си (1979-94)

1 2 3 4 5 6

1 182.7 548.1 1670 6.9 5.9

2 50.8 132.1 706 3.7 2.3

3 200.3 520.8 1902 13.8 6.4

4 30.8 80.1 715 4.6 2.2

5 98.8 321.1 1535 14.9 9.2

Продолжение таблицы 9.

6 1530.1 4590.3 51864 573.4 13.0

7 57.8 187.8 1601 11.4 8.4

8 134.0 435.5 2492.4 20.1 10.0

9 75.8 227.4 2657 39.7 27.4

10 189.6 663.6 2301 41.7 29.9

11 237.7 832.0 3390 54.7 30.9

12 120.6 392.0 2290 25.9 13.3

13 114.8 321.4 1505 40.6 14.4

14 174.0 487.2 6947 200.9 152.7

15 136.1 442.3 8670 347.8 283.8

16 278.5 905.1 5759 105.5 55.2

17 771.1 2159.1 4548 72.5 44.0

18 448.8 1256.6 7840 73.3 47.9

19 73.1 255.8 1031 8.0 3.4

20 228.6 617.2 1626 11.3 5.9

21 210.9 569.4 722 4.7 2.1

22 65.6 200.1 549 3.8 1.5

23 143.6 524.1 659 5.5 2.3

24 261.9 654.7 771 4.6 2.1

25 85.3 255.9 462 1.2 0.8

26 230.1 690.3 783 3.5 2.1

Данные характеристики являются исходными величинами для определения гидрохимического стока с водосборов в водоёмы рассматриваемого района, что требует дополнительных исследований по определению коэффициентов стока в период снеготаяния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа и обобщения обширного материала выявлены особенности формирования и загрязнения снежного покрова в импактной зоне комбината "Печенганикель", характеризующейся пересеченным рельефом.

Изучено влияние природных локальных факторов на режим и распределение снежного покрова в различных ландшафтах. Установлено, что

для района исследований характерны однородные климатические условия во времени с "мягким" климатом и умеренным ветровым режимом. По многолетним данным преобладают ветры южных направлений. Рассеяние средних сезонных значений основных климатических параметров, влияющих на формирование запаса влаги, по отношению к средним многолетним -невелико. Исключение составляют вариации количества осадков, где среднее квадратическое отклонение средней сезонной величины составляет 38.3 мм от многолетней при коэффициенте вариации 23%.

\ Выполнены исследования по выявлению временной изменчивости

физических параметров снежного покрова: высоты, плотности и запаса влаги в различных ландшафтах. Установлено, что определяющее влияние на пространственное распределение снежного покрова оказывает растительный покров. Влияние элементов рельефа и абсолютных отметок не проявляется. Изменение запаса влаги в однотипных ландшафтах происходит пропорционально изменению количества выпавших осадков на момент максимального снегонакопления на метеостанции "Никель" - коэффициенты вариации запасов влаги в ландшафтах и сумм осадков близки: соответственно 21 и 23%. В такой же пропорции изменяется высота снега, а вариации плотности статистически не значимы. Статистически значимо различие плотности снежного покрова на безлесных участках и в хвойном лесу - в других комбинациях различие не проявляется. Максимальные высота снега и запаса влаги наблюдаются в лиственном лесу, минимальные - на безлесных участках. Наибольшая плотность отмечается на открытой местности и имеет среднее значение 0.28 г/см3. Среднее значение величины плотности в лиственном лесу - 0.26 г/см3. Наименьшая плотность отмечена в хвойном лесу - 0.23 г/см3.

Получены средние достоверные при 95% доверительном уровне постоянные значения коэффициентов связи суммы осадков на метеостанции "Никель" за зимний период с запасом влаги в снежном покрове, статистически значимо различающихся по растительному признаку. Для безлесных участков поверхности коэффициент имеет значение 0.67, для хвойного леса - 0.82 и для лиственного - 1.09.

Установление пространственных закономерностей накопления сульфатов, никеля и меди в снежном покрове выполнено с учетом особенностей примеси и источника, направления и скорости ветровогс переноса, рельефа местности.

Произведена инвентаризация и характеристика выбросов комбината "Печенганикель", имеющего два стационарных источника выброса примесей в атмосферный воздух .

Показан метод определения времени экспозиции факела на точку мониторинга от двух стационарных источников. Определены зоны загрязнения снежного покрова при штилевой погоде, скоростях ветр > 1м/с и зоны, где происходит наложение факелов от двух источников.

С учетом различных физико-механических свойств сульфатов, никеля и меди получены для каждого элемента уравнения связи удельной концентрации с расстоянием от источника выбросов отдельно по трём формам рельефа: вершина, склон, равнина. Ообщий вид связи выражен степенной функцией: цуд=сисв. Для каждого уравнения характерны высокие показатели значимости свободного члена уравнения регрессии (а) и коэффициента регрессии (в). Это дает основание считать, что выбранные функции простой степенной регрессии распределения элементов на равнинах, склонах и вершинах являются адекватными, т.е. согласующимися с экспериментальными данными.

Получены уравнения расчета полных концентраций сульфатов, никеля и меди в снежном покрове и их накопление на единицу площади в точках мониторинга на основе данных о выбросах, распределении ветра по восьми румбам в сутках и сумме осадков за зиму на метеостанции "Никель".

Произведено сопоставление расчетных концентраций рассматриваемых за1рязнителей с экспериментальными данными, полученными в 1993 и 1994 г с целью апробации уравнений. Установлено, что расчитанные концентрации сульфатов, никеля и меди достаточно хорошо согласуются с величинами, полученными в результате применённой методики отбора и обработки образцов снега.

Проведена сравнительная оценка содержания сульфатов никеля и меди в снежном покрове разных форм рельефа на фиксированных расстояниях от источника выбросов. Выявлено, что рельеф местности, климатические условия, особенности примеси и источника определяют существенное различие в содержании загрязняющих веществ по вертикали.

На основе проведенных исследований и полученных аналитических результатов, создана экологическая ГИС , позволившая, с использованием технологии ГИС разработать цифровую картофафическую модель аэротехногенного загрязнения снежного покрова в ландшафтах локальной зоны.

По данным о годовых выбросах от комбината "Печенганикель", о распределении ветра и сумме осадков по метеостанции "Никель" за зимний период медель обеспечивает:

- представление материала в форме карт распределения накопления запаса влаги, сульфатов, никеля и. меди в снеге за любой зимний период, а также интегральное распределение с нарастающим итогом с момента основания комбината в ретроспективе и перспективе;

- расчет влагозаиаса и накопления загрязнителей на площади водосборных бассейнов и других природно-территориальных комплексов;

- решение обратной задачи: по замерам загрязнения снега в контрольных точках обеспечивает определение выброса сульфатов, никеля и меди от предприятия.

Модель может быть применена на других северных территориях со схожими орографическими и климатическими условиями.

Использование модели позволяет своевременно оценить экологические ситуации с целью оперативного управления экологической обстановкой и прогноза ее развития.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Раткин Н.Е., Макарова Т.Д. Роль снежного покрова в загрязнении ландшафтов Мурманской области. В кн.: Эколого-географические проблемы Кольского Севера. Апатиты, из - во Кольского научного центра РАН, 1992 с.20-35.

2. Раткин Н.Е. Загрязнение воздушного бассейна. В кн.: Экология г охрана природы Кольского Севера. Апатиты, КНЦ РАН, 1994, с. 146-155.

3. Раткин Н.Е. Климат.В кн.: География Мурманской области Мурманск, 1993, с. 39-47.

4. Раткин Н.Е., Терещенко JI.M. Миграция растворимых солей никел5 и меди в снежном покрове. В кн.: Антропогенное воздействие на экосистемь Кольского Севера. Апатиты, Кольский филиал АН СССР, 1988, с. 60-63.

5. T.D.Makarova, N.E.Ratkin, G.M.Varshal, T.V.Komarova. Results о the Snow Cover Pollution investigations at Russian - Norwegian border area. In Air Pollution problems in the Northern Region of Fennoscandia included Kola Norwegian institute for Air Research (NILU), 1993, p.p. 74-87.

Автореферат

РАТКИН Николай Егорович

н

ЗАКОНОМЕРНОСТИ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

( на примере Печенгского района )

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПЛД № 54-12 от 18 августа 1995г.

Подписано к печати 05.03.96.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1.63. Уч.-изд.л. 1.14. Усл.краско-от. 1.63. Заказ № 31. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14