Исследование многолетнего накопления химических элементов древесными мхами в зонах интенсивного влияния ТЭЦ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.511.42.001.572(571.14)

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕГО НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДРЕВЕСНЫМИ МХАМИ В ЗОНАХ ИНТЕНСИВНОГО ВЛИЯНИЯ ТЭЦ

Анна Юрьевна Девятова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, Новосибирский Государственный Университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доцент, тел. +7-9137455379, e-mail: [email protected]

Владимир Федотович Рапута

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]

Обсуждаются результаты экспедиционных, аналитических и численных исследований процессов загрязнения древесных мхов в зонах влияния атмосферных выбросов крупных угольных ТЭЦ гг. Новосибирска и Барнаула. На основе данных маршрутных наблюдений и модельных описаний процессов распространения примеси в атмосфере по ограниченному числу точек проведена численная реконструкция длительного накопления во мхах ряда химических элементов. Выполнен контроль точности восстановления полей концентраций.

Ключевые слова: биоиндикация, загрязнение, аэрозоль, тяжёлые металлы, атмосфера, численное моделирование, реконструкция.

LONG-TERM RESEARCHES OF CHEMICAL ELEMENTS ACCUMULATION BY WOOD MOSSES OF IN ZONES OF INTENSIVE INFLUENCE CHP

Anna Y. Devyatova

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp., scientific researcher, Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2, Pirogov st., docent, tel. +7-9137455379, e-mail: [email protected]

Vladimir F. Raputa

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, leading researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]

The results of field research, analytical and numerical studies the processes of pollution wood moss in the zones of influence Novosibirsk and Barnaul CHP's were discussed. The basis on the route observations and model descriptions processes of contaminants distribution in the atmosphere numerical reconstruction of long-term accumulation in mosses number of chemical elements was held. The accuracy of reconstructing concentration fields was checking.

Key words: Bioindication, pollution, aerosols, heavy metals, the atmosphere, numerical modeling, reconstruction.

Использование биоиндикаторов в оценке и контроле процессов загрязнения территорий атмосферными выбросами примесей является весьма перспективным направлением исследований [1]. На этих территориях у деревьев под влиянием почвы и воздуха, испытывающих значительные техногенные нагрузки, отмечается аккумуляция серы, азота, тяжёлых металлов и других элементов [1-4].

Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами и редкоземельными элементами. Антропогенные источники тяжелых металлов многочисленны и разнообразны. Для них характерно формирование локальных участков загрязнения, но с высокими концентрациями токсикантов. Наиболее крупными поставщиками тяжелых металлов являются автотранспорт, ТЭЦ, котельные и другие энергетические объекты, работающие на сжигании топлива.

В качестве индикаторов загрязнения атмосферы могут быть использованы мхи и лишайники, которые обладают хорошими аккумуляционными свойствами и произрастают на обширных территориях. Разрабатываемые методы контроля основаны на сравнении концентраций элементов во мхах, отобранных на техногенно-загрязнённых территориях, с фоновыми значениями, полученными для мхов, отобранных на условно чистых территориях, т. е. удаленных от промышленных центров на расстояния 100 км и более. В качестве биоиндикатора состояния атмосферы довольно часто используется эпифитный мох вида Pylaisiella polyantha (Пилейзиэлла многоцветковая). Эпифитные мхи произрастают на коре деревьев, поэтому на них не сказывается воздействие загрязнения, аккумулированного в почве. Данный вид мха имеет широкое распространение, высокую встречаемость, продолжительный жизненный цикл 10-15 лет и характеризуются значительными аккумуляционными способностями.

Распространение загрязняющих веществ зависит от множества факторов: параметров источника, природно-климатических условий, веса и размера частиц. Целью исследования является оценка распространения в окружающей среде загрязняющих неорганических веществ от конкретного источника с помощью математических методов планирования эксперимента (для оптимизации схемы опробования и минимизации затрат) и построения моделей распространения примесей. Методы математического моделирования и численного анализа данных наблюдений на основе диффузионного уравнения переноса загрязнения с учетом атмосферных условий и пространственных характеристик источников загрязнения позволяют вполне объективно и достоверно количественно определять зоны влияния промышленных и энергетических объектов.

1. Объекты и методы

В данном разделе работы в качестве локальных источников загрязнения выбраны ТЭЦ - 5 г. Новосибирска и ТЭЦ - 3 г. Барнаула, работающие, в

основном, на угле. Обе ТЭЦ расположены на окраине городов, что позволяет выявить влияние именно рассматриваемых источников загрязнения. Образцы мха отбирали (сентябрь, 2010 г.) в направлениях, соответствующих преимущественным направлениям ветра. Схемы отбора проб представлены на рис. 1.

Материалы для исследования собирались в сухую погоду на высоте от 1.5 до 2 метров. Затем мох подвергался предварительной механической очистке от грубых инородных примесей. После этого образцы промывались дистиллированной водой и высушивались при комнатной температуре до воздушно сухого состояния. Высушенные пробы измельчались и гомогенизировались, из них формировались навески массой 200 мг, которые упаковывались в алюминиевую фольгу для проведения нейтронно-активационного анализа, позволяющего выявлять содержание до 40 химических элементов по долгоживущим изотопам, например: Sm, Се, Са, Lu, и, ТЬ, ТЬ, Сг, УЪ, Ва, Sг, Ш, Вг, Лб, &, Cs, Rb, Fe, 7п, Sc и др .

а

Ь

10 ,

#8

7»

► 6 • 5

»2-3

Гусинобродское кладбище

УГ

с

I

1Д?М

• 8

• 7 •6

• 5

Павл,

,ов«ийГра„

с

5

ТЭЦ-5,

Новосибирск

тэц-3, €

Барнаул

• 2

\

10

Рис. 1. Схема отбора проб мха с деревьев в окрестностях: а) ТЭЦ-5 г. Новосибирска; б) ТЭЦ-3 г. Барнаула

Максимальное удаление точек отбора мха от источника загрязнения для ТЭЦ - 5 составило 5 км, для ТЭЦ - 3 - 4 км. Содержание химических элементов определяли с помощью нейтронно-активационного анализа на реакторе ИРТ-Т ТПУ г. Томск.

2. Результаты и обсуждение

Результаты попарного корреляционного анализа между парами химических элементов представлены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Линейные корреляционные зависимости между парами химических элементов в пробах мха, отобранных в окрестностях ТЭЦ - 5

Рис. 3. Линейные корреляционные зависимости между парами химических элементов в пробах мха, отобранных в окрестностях ТЭЦ - 3 г. Барнаула

Для описания картины длительного загрязнения местности аэрозольными выбросами примеси в атмосферу используется следующая регрессионная зависимость, полученная на основе полуэмпирического уравнения переноса и турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы

[5]

р(го,0) = 01 gО)А ехр(-2гтах /г), (1)

где р(г,о,0) - удельное содержание химического элемента в хвое, г, О -полярные координаты расчетной точки с началом в месте расположения источника, g(о) - вероятность противоположного О направления ветра, гтах - точка максимальной приземной концентрации для невесомой

примеси, выбрасываемой из заданного точечного источника, в = 6, 62) -вектор неизвестных параметров.

На рис. 4 приведены численно восстановленные концентрации тория и цинка от ТЭЦ -5 в направлении отбора проб.

ТЭЦ - 5_торий ТЭЦ - 5_цинк

Рис. 4. Измеренные в пробах мха и численно восстановленные концентрации химических элементов в направлении маршрута пробоотбора в окрестностях ТЭЦ - 5 (г. Новосибирск). о, • - экспериментальные данные,--расчёт

Результаты численного анализа данных атмосферного загрязнения отобранных образцов мха на деревьях позволили установить закономерности пространственной динамики полей концентраций ряда тяжелых металлов. Полученные зависимости указывают на существенные различия характеристик дисперсного состава выбрасываемых примесей от рассматриваемых ТЭЦ. Так для ТЭЦ - 5 характерны, в целом, выбросы более крупных фракций частиц, в выбросах ТЭЦ - 3 в основном, преобладают мелкодисперсные фракции, что указывает на различные возможностями используемого на ТЭЦ очистного оборудования. При практически одинаковой высоте труб (260 м - ТЭЦ - 5; 230 м - ТЭЦ -3) максимум содержания химических элементов во мхах достигаются на расстоянии около 2 км (ТЭЦ - 5) и около 4 км (ТЭЦ - 3) от источников.

Для обеих ТЭЦ были прокоррелированы 24 химических элемента. В случае барнаульской ТЭЦ выделена только одна группа элементов, которые имеют высокие коэффициенты корреляции между собой. Это - Т^ Сг, Со, Сб, Sc, Ьи, Ва, As, Для новосибирской ТЭЦ - 5 можно выделить две группы элементов, которые также имеют высокие коэффициенты корреляции между собой: Т^ Сг, Со, Sc, Yb, Fe, Се, и и Аб, Sb, Ш, Ьи, Сб, Yb. Также можно отметить, что ТЭЦ - 5 имеет в своей группе и, а ТЭЦ - 3 - Ва, что указывает на разный состав угля используемого при сжигании.

Заключение

Проведённые исследования показали, что измеренные уровни содержания во мхах тяжёлых металлов, редкоземельных элементов могут быть использованы для оценки длительного техногенного загрязнения атмосферы конкретными источниками. Поступление от этих источников

определённых химических элементов может быть установлено методами корреляционного анализа и реконструкции полей аэрозольных примесей. При мониторинге загрязнения атмосферы следует использовать один вид мха, так как выявлены существенные отличия в аккумуляционных способностях мхов не только из разных систематических групп, но и между представителями, принадлежащими к одной систематической группе.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 4.9-3.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мэннинг У.Д., Федер У.А. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 144 с.

2. Рапута В.Ф. Анализ изменений химического состава хвои деревьев в окрестностях нефтегазового факела / Материалы Российской конф.: 9-е сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу. Томск: Изд-во Аграф-Пресс, 2011. - С. 253-255.

3. Неверова О.А., Еремеева Н.И. Опыт использования биоиндикаторов в оценке загрязнения окружающей среды. Аналитический обзор. - Новосибирск: изд-во ГПНТБ СО РАН, 2006. - Серия «Экология». - Вып. 80. - 88 с.

4. Неверова О.А. Химический состав хвои ели сибирской в условиях техногенного загрязнения г. Кемерово // Сибирский экологический журнал. - 2002. - Т.9, № 1. - С. 59-65.

5. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

© А. Ю. Девятова, В. Ф. Рапута, 2014