CC BY
59
Количественная оценка аэротехногенного потока вещества на подстилающую поверхность расчетным методом
H.Е. Раткин
Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦРАН, Естественно-технический факультет МГТУ, кафедра экологии и природопользования
Аннотация. Обосновывается возможность применения на других территориях метода, разработанного для расчета содержания сульфатов, никеля и меди в снежном покрове вокруг комбината "Печенганикель". Рассматриваются связи выпадений вещества из атмосферы за теплый период и в целом за год с их поступлением на подстилающую поверхность за зиму, определяются границы импактных зон, анализируется влияние рельефа на количественные показатели атмосферных выпадений.
Abstract. The possibility of applying the method of calculation of the contents of sulphates, nickel and copper in a snow cover around "Pechenganickel" to other territories has been considered in the paper. The connections of atmospheric fallouts of the substances during the warm period of the year and the whole year with their coming to the covering surface during a winter are considered, the borders of impact zones are obtained and the relief influence on the quantitative characteristics of atmospheric fallouts is analysed.
I. Введение
Роль снежного покрова как индикатора загрязнения природной среды общеизвестна. Он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почв (Назаров и др., 1976; Воеводова, 1979). Отбор проб снега достаточно прост и не требует сложного оборудования, по сравнению, например, с отбором проб воздуха. Однако проблема оценки пространственно-временного изменения содержания загрязнителей в снежном покрове является сложной и многоплановой. Ее решение в значительной мере осложняется недостатком фактической информации. Статистическая оценка полей загрязнения снежного покрова даже вокруг одного предприятия убеждает, что для достоверного описания уровня загрязнения территории необходима густая сеть равномерно распределенных по ней пунктов наблюдения, создание которой вряд ли осуществимо и рентабельно. Разбросанность предприятий по территории области еще более усугубляет эту проблему. Поэтому особую актуальность приобретает возможность применения расчетных методов для оценки загрязнения природной среды.
Использование снежного покрова как индикатора загрязнения окружающей среды позволило изучить пространственные закономерности загрязнения снежного покрова в импактной зоне комбината "Печенганикель". В результате был разработан метод расчета ретроспективных и перспективных суммарных ("сухое" и "мокрое" выпадение) аэротехногенных нагрузок (на период максимального снегонакопления) на любые выделенные природно-территориальные комплексы (Раткин и др., 1998). При этом, поскольку антропогенная нагрузка на природную среду Мурманской области носит очаговый характер, Печенгский район рассматривался как ключевой участок для изучения закономерностей аэротехногенного загрязнения снежного покрова, с последующим применением полученных результатов на других территориях. Поэтому целью данной работы является оценка возможности применения разработанного метода для решения задач, связанных с оценкой атмосферных выпадений веществ на подстилающую поверхность, как на территории Кольского полуострова, так и на территории всего Крайнего Севера.
2. Материалы и методы
В основу работы положены результаты гидрохимического опробования снежного покрова, выполненного в 1990 г. в Мончегорском районе, данные полевых исследований, проведенных в 1991, 1992, 1994 и 1995 гг. по определению суммарного содержания ("сухое" и "мокрое") вещества в жидких осадках за теплый период года вокруг комбината "Североникель" на фиксированных расстояниях до 110 км, а также уравнения связи удельной концентрации сульфатов, никеля и меди в снеге (qyd) с расстоянием до источника выбросов, полученные отдельно для трех форм рельефа: вершин, склонов и равнин в Печенгском районе (Раткин и др., 1998). Уравнения связи приведены в табл. 2.1. Оценка метеорологических условий территории
Мончегорского района произведена по данным метеостанции "Мончегорск", а оценка метеоусловий территории области - по многолетним данным (Научно-прикладной справочник..., 1988). Работы по отбору, подготовке и химическому анализу проб проведены по методикам, применяемым в Институте проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС) КНЦ РАН и многими другими исследователями (Василенко и др., 1985; Глазовский и др., 1983; Крючков, Макарова, 1989; Раткин, Макарова, 1992; Раткин, 1999). Схема пунктов опробования показана на рис. 2.1.
Таблица 2.1. Уравнения связи удельной концентрации веществ в снеге в /-ой точке (дудл) с расстоянием (X) от источника выбросов в разных формах рельефа, мг/ (л • сутки • 1 тыс. т)
Тип рельефа Функция распределения
SO4 № Си
Вершина = -5.4Х,"0-79 Яуд. / = -151Х117 Яуд. / = -1.35Х118
Склон = -5.68Х а63 = -1.521Х"1'34 = -1.14Х,-1'44
Равнина , = -6.18Х"059 = -1.39Х-145 цудл = -1.31Х"1'42
3. Результаты и обсуждение 3.1. Применение метода на территории Мончегорского района
При изучении влияния природных локальных факторов на накопление загрязняющих веществ в снежной толще импактная зона комбината "Печенганикель" рассматривалась нами, как опытный полигон для разработки метода
расчета пространственного распределения содержания сульфатов, никеля и меди в снеге на момент максимального снегонакопления. Предполагалось, что данный метод может быть применен и в других районах, которые имеют сходные с Печенгским физико-географические и климатические условия.
Анализ физико-географических условий Мончегорского и Печенгского районов показывает, что они во многом идентичны. Оба района характеризуются сложно-пересеченным рельефом, где горные массивы, образованные группами
возвышенностей, отличаются мягкими очертаниями плоских вершин и чаще пологими, а иногда - обрывистыми склонами. Массивы чередуются впадинами, занятыми озерами и болотами. Схож и видовой состав растительного покрова, где леса представлены в основном редкостойными ельниками и сосняками и имеют парковый характер. Еловые леса редко встречаются без примеси березы. Среди сосняков встречаются ареалы, в которых береза отсутствует, или почти отсутствует. Как в Печенгском, так и в Мончегорском районах характерной особенностью погоды является ее неустойчивость и резкая изменчивость, обусловленная частой сменой воздушных масс, а также перемещением циклонов и фронтов. В целом климат районов может быть определен как морской. Правда, в Мончегорском районе, находящемся в центре Мурманской области, сравнительно с Печенгским, расположенном вблизи морских побережий, в большей степени прослеживаются черты континентального климата (Яковлев, 1961). В табл. 3.1.1 приведены средние многолетние величины основных метеорологических параметров холодного периода, влияющие на степень загрязнения снежного покрова.
Рис. 2.1. Расположение снегопунктов
Таблица 3.1.1. Средние многолетние метеорологические параметры холодного периода по метеостанциям "Никель" и "Мончегорск"
Метеорологические параметры Никель Мончегорск
Температура воздуха, град. -9.2 -9.6
Относительная влажность воздуха, % 80 83
Скорость ветра, м/с 3.9 4.4
Повторяемость штилей, % 25 27
Сумма осадков, мм 156 136
Число дней со снежным покровом 203 199
Дата образования устойч. снежного покрова (число, месяц) 28.10 1.11
Дата разрушения устойч. снежного покрова (число, месяц) 7.4 2.4
Число дней с метелью 48 47
Продолжительность метелей (в день с метелью), час 6.7 7.8
Из анализа табл. 3.1.1 видно, что климатические показатели районов мало отличаются друг от друга. Разница во времени образования, разрушения и периода залегания устойчивого снежного покрова на территории районов невелика и составляет 4-5 дней. Это означает, что снежный покров, как планшет-накопитель, отражает в обоих районах примерно одинаковый по продолжительности период аккумуляции в нем сульфатов, никеля и меди. Метеорологические параметры, влияющие на распределение, режим и интенсивность загрязнения снежного покрова (количество осадков, число дней с метелью и средняя продолжительность метелей, температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра и средняя месячная повторяемость штилей за зиму) в рассматриваемых районах также достаточно близки. Таким образом, по физико-географическим и климатическим условиям районы схожи между собой, и, учитывая одинаковый профиль производственной деятельности, можно предположить, что разработанный метод расчета накопления загрязняющих веществ в снеге может быть применен и в импактной зоне комбината "Североникель".
Для сопоставления расчетных концентраций с измеренными использовались результаты гидрохимического опробования снежного покрова, полученные в 1990 г. в импактной зоне комбината "Североникель".
Расчет полной концентрации загрязняющих веществ в разных формах рельефа производился по формуле, выражающей пространственное распределение загрязнителя в снежном покрове импактной зоны комбината "Печенганикель":
д, = аХЬР, V, (3.1.1)
где: дi - концентрация за зиму в ,-ой точке, мг/л; ajXi Ь = - удельная концентрация,-того элемента в /-ой точке в снеге, мг/л сутки на 1 тыс./т, выброса; Р, - время экспозиции факела за зиму на ,-ую точку, сутки; V, - годовой выброс ,-того элемента, тыс./т. Коэффициенты а, и Ь, функций пространственного распределения дудприведены в табл. 2.1.
Сравнение измеренных концентраций сульфатов, никеля и меди в снежном покрове вокруг комбината "Североникель" с рассчитанными по формуле (3.1.1) производилось в следующей последовательности:
1. Определение на основе данных о повторяемости направлений ветра и штилей на метеостанции "Мончегорск" (табл. 3.1.2) общей продолжительности распределения ветра за ноябрь-март по восьми основным румбам и во время штилей в сутках.
Таблица 3.1.2. Повторяемость направлений ветра и штилей по м/ст "Мончегорск" (зима 1989-1990 гг.)
Месяц Румб
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 сз Штиль
Повторяемость по месяцам, %
Ноябрь 5 1 1 3 46 17 2 25 16
Декабрь 16 2 2 3 14 10 12 41 16
Январь 17 5 2 2 15 22 2 35 8
Февраль 2 2 2 3 47 22 8 14 0
Март 17 4 3 3 16 15 13 29 0
Сумма 57 14 10 14 138 86 37 144 40
Суммарная повторяемость за сезон
Число случаев 128 31 22 31 307 191 82 320 96
Сутки 16.0 3.8 2.8 3.9 38.3 24.0 10.2 40.1 12.0
Пересчет повторяемости направлений ветра и штилей из процентов в сутки (табл. 3.1.2) производился следующим образом.
Общее число случаев повторяемости направлений ветра и штилей за месяц по всем румбам равно произведению количества метеорологических сроков в сутках, которое равно восьми, на число дней в месяце. Таким образом, общее число случаев в ноябре - 240, в декабре - 248 и т.д. Процент повторяемости штилей вычисляется от общего числа случаев за месяц. Проценты повторяемости ветра по румбам определяются от разницы общего числа случаев и числа случаев штилей. Решая обратную задачу по месячным данным, находим число случаев повторяемости направлений ветра и штилей за каждый месяц и суммарное за ноябрь - март. Повторяемость распределения ветра и штилей за зиму в сутках получаем делением числа случаев на восемь (количество метеорологических сроков в сутках).
2. Определение полярных координат точек опробования снежного покрова и направления ветра, при котором факел направлен на реперные точки. Полярные координаты точек (расстояние, азимут) и направление ветра, при котором факел будет распространяться в их сторону от центра промплощадки комбината "Североникель", определялись с помощью топографической карты произвольного масштаба. Азимутальное расположение точек определялось по карте транспортиром, а длина горизонтального проложения участка местности каждой точки от центра промплощадки измерялась линейкой.
Начиная с некоторого расстояния, определенного зоной выпадений при штилях, след расширяется по линейному закону:
Ь = к X, (3.1.2)
где: Ь - ширина следа, км; X - расстояние от источника, км; к = 0.08...0.1 для аэрозольных продуктов кислых газов, 0.04...0.06 для металлов (Василенко и др., 1985).
Все точки, попадающие в интервалы, определяемые уравнением (3.1.2), относились к тому или иному основному румбу, направление которого принималось за направление оси следа факела от источника выбросов. Как известно, для взвешенной в воздухе примеси максимум содержания имеет место на некотором расстоянии Х0 от источника (Берлянд, 1975), равном 20 высотам загрязняющей трубы. В нашем случае, при высоте труб 50-150 м, это составляет 1-3 км. Учитывая это, мы принимали, что соприкосновение факела с поверхностью земли при скорости ветра более 1 м/с происходит сразу за пределами трехкилометровой зоны. При этом считалось, что загрязнение точек, расположенных ближе 3 км, происходит при штилях.
3. Разбиение точек мониторинга по трем морфологическим классам ландшафта (вершина, склон, равнина) и выборка для каждой точки вышеопределенных характеристик. Полярные координаты точек и направление ветра, при котором факел перемещается в их сторону, вычисленные с помощью топографической карты, а также время воздействия факела на точку в сутках, взятое из табл. 3.1.2, приведены в табл. 3.1.3.
4. Расчет полной концентрации загрязняющих веществ по формуле (3.1.1) в точках на основе уравнений, приведенных в табл. 2.1, данных из табл. 3.1.3 и выбросов сульфатов, никеля и меди комбинатом. Рассчитанные концентрации веществ в снеге разных форм рельефа сведены в табл. 3.1.4, а выбросы сернистого газа (Рот1акт, 1993), никеля, меди (Бак1апоу, Яофш'ккта, 1993) - в табл. 3.1.5.
5. Сопоставление расчетных концентраций с экспериментальными, полученными в 1990 г. в результате гидрохимического опробования снежного покрова вокруг комбината "Североникель".
Сопоставление расчетов по формуле (3.1.1) с измеренными данными показывает, что рассчитанные концентрации сульфатов, никеля и меди достаточно хорошо согласуются с экспериментальными во всех формах рельефа (рис. 3.1). Практически во всех случаях значения измеренных и расчетных концентраций имеют величины одного порядка. Количество точек, имеющих различия в концентрациях более двух раз, - невелико. Различия в концентрациях металлов, превышающие 100 %, в основном наблюдаются в непосредственной близости от источника, где отбор представительных проб затруднен, а также на расстояниях более 25-30 км от источника выбросов, что, вероятно, объясняется тем, что эти точки выходят за пределы зоны локального загрязнения снежного покрова и попадают в региональную, где выпадение загрязняющих веществ не может быть описано функциями, приведенными в табл. 2.1.
В табл. 3.1.6 показано в процентах число точек от общего количества, имеющих разные градации различия измеренной и расчетной концентрации.
Таблица 3.1.5. Выброс загрязняющих веществ комбинатом "Североникель" в 1990 г., тыс. т
SO4 Ni Cu
233 2.7 l.S
Таблица 3.1.3. Реиерные точки: полярные координаты, направление ветра и продолжительность воздействия факела зимой 1989-1990 гг. (от центра промплощадки к-та "Североникель")
Таблица 3.1.4. Расчетные концентрации (д рас.) в снеге
№ Азимут, Расстоя Ветер, Продолжит. № Азимут, Расстоя Ветер, Продолжит.
Точки град. ние, км дующии воздеиств. Точки град. ние, км дующии воздеиств.
на точку факела, сут. на точку факела, сут.
Точки на вершинах Точки на склонах
39 298 10.7 юв 3.9 29 350 2.2 Штиль 12.0
56 176 19.6 С 16.0 28 241 3.6 СВ 3.8
66 176 22.7 с 16.0 26 200 3.7 С 16.0
Точки на равнинах 84 270 3.9 В 2.8
82 246 4.0 СВ 3.8
30 105 5.7 3 10.2
24 225 0.5 Штиль 12.0 5 167 7.0 с 16.0
4 163 4.7 С 16.0 15 226 7.1 СВ 3.8
7 122 7.4 СЗ 40.1 23 193 7.2 с 16.0
50 240 10.7 СВ 3.8 21 201 7.5 с 16.0
40 232 10.8 СВ 3.8 19 125 8.4 СЗ 40.1
34 227 11.1 СВ 3.8 13 196 8.5 с 16.0
35 204 12.9 СВ 3.8 8 190 9.1 с 16.0
33 200 13.9 С 16.0 18 197 10.2 с 16.0
67 186 14.5 С 16.0 36 260 11.4 в 2.8
32 176 17.8 С 16.0 31 283 11.5 в 2.8
54 175 18.8 С 16.0 20 25 12.1 юз 24.0
70 178 19.0 с 16.0 12 123 12.3 СЗ 40.1
68 172 20.4 с 16.0 41 296 12.4 юв 3.9
53 102 22.2 3 10.2 42 293 12.8 юв 3.9
52 140 22.4 СЗ 40.1 38 297 14.4 юв 3.9
17 44 22.4 юз 24.0 51 178 15.4 с 16.0
55 172 23.2 с 16.0 6 196 15.5 с 16.0
64 175 23.8 с 16.0 22 29 18.7 юз 24.0
57 98 24.6 3 10.2 27 184 18.8 с 16.0
65 99 30.8 3 10.2 59 178 20.4 с 16.0
60 98 31.0 3 10.2 10 184 22.0 с 16.0
11 48 37.8 юз 24.0 63 175 23.2 с 16.0
14 43 49.3 юз 24.0 69 178 23.5 с 16.0
25 54 50.5 юз 24.0 62 174 23.7 с 16.0
58 175 23.8 с 16.0
1 42 28.9 юз 24.0
80 189 29.0 с 16.0
61 103 34.5 3 10.2
16 50 44.8 юз 24.0
№ т. драс, мг/л № т. мг/л
804 N1 Си 804 N1 Си
Точки на вершинах Точки на склонах
39 0.8 0.17 0.14 29 7.2 2.83 2.70
56 2.0 0.33 0.27 28 1.6 0.46 0.42
66 1.8 0.28 0.23 26 6.9 1.89 1.70
Точки на равнинах 84 1.1 0.31 0.28
82 1.5 0.40 0.36
30 3.2 0.67 0.58
24 10.7 25.3 19.2 5 4.5 0.80 0.68
4 3.8 1.31 1.05 15 1.1 0.19 0.16
7 7.3 1.70 1.38 23 4.5 0.77 0.66
50 0.6 0.09 0.08 21 4.4 0.73 0.62
40 0.6 0.09 0.08 19 10.2 1.58 1.31
34 0.5 0.09 0.07 13 4.0 0.62 0.51
35 2.1 0.30 0.25 8 3.9 0.57 0.47
33 0.6 0.27 0.22 18 3.6 0.49 0.39
67 2.0 0.26 0.21 36 0.6 0.07 0.06
32 2.1 0.19 0.16 31 0.8 0.10 0.08
54 1.7 0.17 0.15 20 4.9 0.58 0.46
70 1.7 0.17 0.14 12 8.1 0.95 0.76
68 1.6 0.15 0.13 41 0.8 0.09 0.07
53 1.0 0.09 0.07 42 0.8 0.09 0.07
52 3.8 0.34 0.28 38 0.7 0.08 0.06
17 2.3 0.20 0.17 51 2.8 0.28 0.22
55 1.5 0.13 0.11 6 2.8 0.28 0.22
64 1.5 0.12 0.11 22 3.7 0.33 0.25
57 0.9 0.08 0.06 27 2.5 0.21 0.17
65 0.8 0.05 0.05 59 2.3 0.19 0.14
60 0.8 0.05 0.04 10 2.3 0.17 0.13
11 1.7 0.10 0.08 63 2.2 0.16 0.12
14 1.4 0.06 0.06 69 2.2 0.16 0.12
25 1.4 0.06 0.06 62 2.1 0.16 0.12
58 2.1 0.16 0.12
1 2.8 0.18 0.13
80 1.9 0.12 0.09
61 1.1 0.06 0.04
16 2.1 0.10 0.07
О, мгл
Таблица 3.1.6. Число точек от общего количества по градациям различия концентраций, (%)
0,5 7 О, мг/л
3 2,5 2 1,5 1
0,5
10,2 12,3 15,5 20,4 23,5 31
Оизм. О рас.
Вещество Градации
0 - 45 46 - 90 > 100
реперные точки на вершинах
804 67 10 23
N1 67 33 0
Си 67 33 0
реперные точки на склонах
804 52 25 23
N1 57 28 15
Си 66 17 17
реперные точки на равнинах
8О4 50 27 23
N1 54 24 22
Си 53 22 25
0
2,2
7,1
10,7
12,4 17,8 К, км
О, мг/л
3 2,5
1,5 I
0,5 0
22
Оизм. О рас.
23,7 34,5
В точках вершин и склонов отмечается хорошее соответствие измеренных и расчетных концентраций всех элементов, несколько худшее - в точках равнин, причем хуже всего согласуются данные по сульфатам. На равнинах на накопление сульфатов в снеге дополнительное влияние оказывают выбросы сернистого газа от автотранспорта, а также выбросы от котельных военных городков и баз отдыха. Данные источники являются низкими и используют в качестве топлива бензин, мазут, дизельное топливо и низкосортный уголь. Это, вероятно, является главной причиной различия измеренных и расчетных концентраций сульфатов на равнинах.
Таким образом, произведенный анализ показывает, что формула (3.1.1) удовлетворительно согласуется с
экспериментальными данными, измеренными в
12,4 17,8 К, км
Рис. 3.1. Сопоставление пространственной зависимости измеренной (<2тм) и расчетной (<2рас) концентраций (сверху вниз): 804, Си, N1 импактной зоне комбината "Североникель" и, на наш взгляд, может применяться на практике не только на территории Мончегорского района, но и на других территориях со схожими физико-географическими и климатическими условиями.
3.2. Определение границ зоны локального загрязнения снежного покрова сульфатами, никелем и медью
Определение дальности переноса загрязняющих веществ в импактных зонах комбинатов "Печенганикель" и "Североникель" производилось с помощью уравнений, приведенных в табл. 2.1. На основе этих уравнений определялись функции среднего пространственного распределения удельных концентраций сульфатов, никеля и меди в снежном покрове (табл. 3.2.1).
Таблица 3.2.1. Уравнения связи средней удельной концентрации вещества в снежном покрове с расстоянием, мг / (л • сутки • тыс. т )
8О4 N1 Си
Яудлср. = -5.74Х,0-67 Яуд.гср. -1.53-^2 Яудлср. -1.29Х/
Используя уравнения, приведенные в табл. 3.2.1, были рассчитаны (и представлены в виде рядов распределения) удельные концентрации веществ, на расстояниях, начиная с 1 км, и далее, через 1 км, до расстояния 120 км. Затем каждый ряд разбивался на два. Причем первый ряд значений удельных концентраций начинался с расстояния одного, и далее до 117 км, второй - с трех до 120 км. После этого
производилось сравнение рядов с помощью ЭВМ. Выдвигалась нулевая гипотеза о том, что различие между двумя выборками, представляющими собой результаты измерения одного и того же признака, равно нулю. При сохранении нулевой гипотезы принималось, что различие средних арифметических величин сравниваемых признаков не значимо. Достоверность гипотезы определялась по ^критерию Стьюдента при уровне значимости 0.05. Последовательно отступая на один километр от источника выбросов и заменяя верхние значения удельных концентраций в каждом ряду, оставляя постоянными нижние, ряды сравнивались между собой до тех пор, пока различие их средних арифметических величин не становилось значимым. Расстояние, с которого различие средних арифметических величин сравниваемых признаков становилось значимым, принималось за границу зоны локального загрязнения территории.
В результате было выявлено, что радиус зоны локального загрязнения снежного покрова сульфатами составляет 58-60 км от центра промплощадки промышленного предприятия, а никелем и медью - 28-30 км. Данные границы, на наш взгляд, будут справедливы не только для зоны локального загрязнения снежного покрова, но и для зоны локального загрязнения территории за теплый период года, а значит, и за год в целом, как в Печенгском и Мончегорском районах, так и на всей территории Мурманской области. Данный вывод сделан на основании того, что средние многолетние скорости ветра по области за холодный и теплый периоды года мало отличаются от скоростей ветра, наблюдающихся в вышеуказанных районах, в которых производилась разработка и апробация метода (Научно-прикладной справочник..., 1988, табл. 3.2.2). Эти цифры будут справедливы и для других регионов Российской Федерации с идентичными физико-географическими и климатическими условиями, где средние многолетние скорости ветра близки к 4 м/с.
Таблица 3.2.2. Средние многолетние скорости ветра, м/с
Метеостанция По территории области
Период года "Никель" "Мончегорск"
Холодный (ноябрь-март) 3.9 4.4 4.4
Теплый 3.8 4.0 4.2
3.3. Использование метода для расчета годового поступления вещества на подстилающую поверхность
Известно, что распространение примесей в приземном слое воздуха существенно зависит от скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена (Соломатина, 1965). В свою очередь, коэффициент турбулентности зависит от характера подстилающей поверхности, степени ее увлажнения, температурных условий и радиационного баланса территории. Естественно, что в районе исследований коэффициенты турбулентного обмена холодного и теплого периодов будут разными. Вероятно, различна и вымывающая способность жидких и твердых осадков. Это дает основание утверждать, что за теплый период года пространственное распределение удельной концентрации вещества на подстилающей поверхности не может быть выражено функцией холодного периода. Поэтому была поставлена задача найти поправочные коэффициенты для перехода от удельной концентрации вещества в снеге к его удельной концентрации в жидких осадках за теплый период года. С этой целью использовались данные о суммарных концентрациях сульфатов, никеля и меди в снежном покрове на момент максимального снегонакопления (ноябрь-март), данные о их содержании в жидких осадках за теплый период года (апрель-октябрь), полученные в результате полевых исследований, специально проведенных вокруг комбината "Североникель" в 1991, 1992, 1994 и 1995 гг. на расстояниях до 110 км. Решение задачи осуществлялось в следующей последовательности:
1. Определение полярных координат (расстояние, азимут) точек отбора проб снега и жидких осадков на гидрохимический анализ. Определение направления ветра, при котором факел распространяется на точку (табл. 3.3.1).
Таблица 3.3.1. Полярные координаты точек и направление ветра, при котором на них распространяется факел (от центра промплощадки к-та "Североникель")
№ точки Я, км Азимут, град Направление ветра, румб
85* 8 196 С
86* 10 197 С
87* 36 189 С
88* 48 200 С
89* 60 200 С
90* 80 225 СВ
91* 110 226 СВ
Примечание. Точки 85*-91* в 1990 г. не исследовались и на рис. 2.1 не показаны.
2. Определение времени экспозиции факела на точку. По данным о повторяемости направления ветра и штилей за годы исследований по метеостанции "Мончегорск", произведен расчет общей продолжительности воздействия факела на точку в сутках (отдельно для холодного и теплого периодов) по направлениям ветра, показанным в таблице 3.3.1 (табл. 3.3.2).
Таблица 3.3.2. Повторяемость направлений ветра по м/ст "Мончегорск", сутки
Год/период 1991 г. 1992 г. 1994 г. 1995 г.
румб румб румб румб
С СВ С СВ С СВ С СВ
Холодный 23.9 10.0 21.1 7.4 21.9 4.1 18.5 4.0
Теплый 48.0 25.8 45.0 27.9 51.4 17.7 41.3 15.8
3. Расчет суммарных ("мокрых" и "сухих") среднесуточных концентраций сульфатов, никеля и меди в снеге и в жидких осадках. Выше мы установили средние границы импактных зон для сульфатов и металлов. Радиус зоны локального загрязнения сульфатами от центра промплощадок промышленных предприятий составляет 58-60 км, а зоны локального загрязнения металлами - 28-30 км. В зоне локального загрязнения концентрации веществ в точках, разбросанных по разным сторонам света от источника выбросов, во многом зависят от общей продолжительности направления факела в их сторону за холодный и теплый периоды. Учитывая это, расчет среднесуточной концентрации сульфатов и металлов в точках, расположенных, соответственно, в пределах 60- и 30-километровых зон (табл. 3.3.1), производился с использованием данных, показанных в табл. 3.3.2. В региональной фоновой зоне, расположенной сразу же за пределами 60 км - для сульфатов и 30 км - для никеля и меди, концентрации веществ в пунктах отбора проб зависят, главным образом, от продолжительности соответствующих периодов и практически не зависят от повторяемости направлений ветра в приземном слое атмосферы. Принимая это во внимание, расчет среднесуточной концентрации сульфатов и металлов в точках, расположенных, соответственно, на расстояниях более 60 и 30 км (табл. 3.3.1), производился делением полной концентрации вещества за теплый и холодный периоды на соответственную продолжительность периода, которая составляет для теплого периода - 214 суток, а для холодного - 151. Среднесуточные концентрации веществ приведены в табл. 3.3.3.
Таблица 3.3.3. Пространственное распределение содержания среднесуточных концентраций загрязняющих веществ в жидких осадках за теплый, и в снеге за холодный периоды года
Год № точки Я, км 804, мг / (л-сутки) Си, мг / (л-сутки) N1, мг / (л-сутки)
теплый холодный теплый холодный теплый холодный
1991 91 110 0.031 0.015 - - - -
90 80 0.023 0.019 - - - -
89 60 0.16 0.07 - - - -
88 48 0.11 0.06 - - - -
87 36 0.20 0.14 0.00056 0.00057 0.00009 0.00015
86 10 0.16 0.082 0.0123 0.0158 0.006 0.006
85 8 0.18 0.15 0.019 0.020 0.006 0.011
1992 91 110 0.015 0.015 0.000056 0.000046 0.0000136 0.0000165
90 80 0.018 0.0096 0.000084 0.000079 0.00002 0.000036
89 60 0.08 0.08 0.000061 0.000073 0.000061 0.00006
88 48 0.09 0.06 0.000093 0.000053 0.000069 0.00005
87 36 0.14 0.08 0.0006 0.0009 0.00019 0.00026
86 10 0.23 0.10 0.018 0.0095 0.0066 0.0048
85 8 0.159 0.074 0.0129 0.0081 0.004 0.005
1994 89 60 0.072 0.032 0.00007 0.00007 0.00003 0.000026
86 10 0.13 0.054 0.02 0.02 0.00167 0.00169
1995 88 48 0.07 0.05 - - 0.00029 0.00066
87 36 0.112 0.065 0.00027 0.00021 0.00018 0.00015
86 10 0.19 0.09 0.006 0.0032 0.0036 0.0047
Произведенный расчет среднесуточных концентраций за теплый и холодный периоды позволил сравнить их с точки зрения кратности превышения друг над другом, так как они приведены к одинаковой размерности. Определение кратности превышения концентраций веществ летнего периода над концентрациями веществ холодного периода производилось раздельно для точек, расположенных в региональной фоновой зоне и для точек, попадающих в зону локального загрязнения (табл. 3.3.3). В результате для каждого вещества было получено два статистических ряда, характеризующих пространственные показатели кратности превышения суммарных среднесуточных концентраций элементов в жидких осадках над их содержанием в пробах снега в региональной фоновой и локальной зонах (табл. 3.3.4).
Таблица 3.3.4. Кратность превышения суммарной среднесуточной концентрации элементов в жидких осадках над их среднесуточной концентрацией в снежном покрове в зонах локального и регионального фонового загрязнения
SO4 Си N1
в фоновой в локальной в фоновой в локальной в фоновой в локальной
2.10 2.28 0.98 0.78 0.60 1.00
1.21 1.83 1.22 0.95 0.82 0.55
1.00 1.43 1.06 1.89 0.56 1.32
1.87 1.95 0.84 1.59 1.00 0.80
1.20 1.75 1.00 1.38 0.99
1.00 0.67 1.88 0.73 0.77
1.50 1.00 1.15
1.75 1.29 0.45
2.30 1.20
2.15
2.25
2.40
1.40
1.72
2.11
Достоверный коэфф. Б = 1.7 Достоверный коэфф. Б = 1.2 Достоверный коэфф. Б = 0.9
4. Математико-статистический анализ. Произведен последовательный сравнительный анализ рядов, показанных в табл. 3.3.4, с помощью ЭВМ в программном пакете STATGRAF. При этом выдвигалась нулевая гипотеза о том, что различие между двумя случайными выборками, представляющими собой результаты измерения одного и того же признака, равно нулю. При сохранении нулевой гипотезы принималось, что различие средних арифметических величин сравниваемых признаков не значимо. Если нуль-гипотеза отвергалась, считалось, что эти величины различаются статистически значимо. Достоверность гипотезы определялась по ^критерию Стьюдента при уровне значимости 0.05. В результате произведенного анализа было выявлено, что различия средних значений коэффициентов в фоновой и локальной зонах по каждому элементу статистически не значимы. Это позволило объединить два ряда в один по каждому загрязнителю. Новые ряды также последовательно сравнивались между собой. Было выявлено статистически значимое их различие. В результате чего для каждого ингредиента были получены средние статистически достоверные при 95 % доверительном уровне постоянные эмпирические коэффициенты для перехода от удельной концентрации вещества в снежном покрове к его удельной концентрации в жидких осадках как в импактной, так и в региональной фоновой зонах (табл. 3.3.4).
Различие удельных концентраций в жидких осадках и в снежном покрове при прочих равных условиях можно объяснить разной способностью дождевых капель и снежинок вымывать загрязняющие вещества из атмосферы. На эту мысль наводит тот факт, что значения Б в импактной и региональной фоновой зонах одинаковы. Существенных различий между скоростью сухого осаждения загрязнителей на снег и почвы не установлено (Василенко и др., 1985). Средняя многолетняя продолжительность времени без осадков за холодный и теплый периоды приблизительно одинаковая: соответственно 17 и 19 часов в сутки (Научно-прикладной справочник..., 1988). Это означает, что при фиксированном выбросе того или иного вещества вклад сухого осаждения в его суммарное содержание в снеге и жидких осадках в заданной точке будет практически равным и существенным образом не повлияет на величину Б. Для локальных выпадений, кроме сухого осаждения, большое значение имеет влажное осаждение веществ
атмосферными осадками. В случае регионального загрязнения главную роль играет влажное вымывание, сухое выпадение имеет подчиненное значение. При типичных для Мурманской области условиях формирования осадков, (связанных, в основном, с прохождением циклонов и фронтов) и последующей трансформации при выпадении на земную поверхность, соотношения осажденных дождем и снегом загрязняющих веществ в локальной и региональной зоне должны быть одинаковыми, что и подтверждают полученные коэффициенты.
На всех этапах захват загрязняющих веществ может осуществляться каплями воды и ледяными кристаллами. Реально может наблюдаться как большая, так и меньшая эффективность вымывания загрязняющих веществ снегом по сравнению с дождем (Махонько и др., 1977; Цевелев и др., 1970). Такие расхождения в значительной мере связаны с размерами и формой снежинок и размерами дождевых капель. В нашем случае сульфатов и меди больше вымывается дождем, чем снегом, но никеля снег осаждает больше, чем дождь. Способность дождевых капель вымывать больше меди и меньше никеля, чем снег, объясняется, по всей видимости, их разными физико-химическими свойствами. Как известно, ядрами конденсации водяного пара в атмосфере являются мельчайшие твердые, жидкие и газообразные частички, постоянно в том или ином количестве содержащиеся в атмосферном воздухе. Наиболее активными ядрами конденсации являются растворимые гигроскопические частички. К ним относятся различные растворы солей и кислот, попадающие в атмосферу. Адсорбируя на своей поверхности молекулы водяного пара, эти частицы способствуют образованию зародышевых капель, состоящих из концентрированного раствора солей и кислот. Упругость насыщающих паров над поверхностью такой капли будет мала, и таким образом создаются благоприятные условия для образования зародышевых капель при относительной влажности, близкой к 100 %. Зародышевые капли могут расти и переходить в облачные и дождевые капли только тогда, когда упругость водяного пара в воздухе будет больше упругости насыщающего пара над поверхностью капли. Если с ростом размера капли концентрация растворимых солей в ней будет не убывать, а даже расти в результате постоянного поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух от источников загрязнения, то упругость пара над поверхностью зародышевой капли будет всегда мала, а значит, условия для роста капли будут благоприятными при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %. В противном случае для роста капли относительная влажность воздуха должна быть в пределах 101-102 % (Дубинский и др., 1960).
Иначе происходит процесс конденсации на негигроскопических, но смачиваемых водой ядрах. Размеры смачиваемых ядер должны быть больше, чем гигроскопических, так как лишь при таком условии конденсация может произойти при сравнительно небольшом перенасыщении воздуха водяным паром. На более мелких негигроскопических ядрах конденсация происходить не может, для этого потребовалось бы большее перенасыщение, которое в атмосфере обычно не наблюдается. Гигроскопические ядра могут иметь радиус менее 1 мкм. Негигроскопические, но смачиваемые водой ядра должны иметь размер более 5 мкм в радиусе, так как только в этом случае возможна конденсация при сравнительно небольшом перенасыщении воздуха водяным паром.
Как показали предыдущие исследования, содержание крупных частиц меди в атмосферном воздухе в 2 раза выше, чем никеля (Kelley et al., 1995). Таким образом, процесс конденсации, образования зародышевых капель и преобразования их в облачные и дождевые капли на негигроскопических ядрах меди будет происходить интенсивнее, чем на ядрах никеля. Если допустить, что медь и никель находятся в атмосфере полностью в нерастворимой форме, то вымываемость меди дождем и снегом будет выше, чем вымываемость никеля. Тогда снегопады, особенно со сложной формой снежинок, имеющих существенно большую эффективную поверхность, чем капли дождя, будут обладать большей вымывающей способностью, чем дождь, как по отношению к меди, так и по отношению к никелю. В нашем случае, однако, этого не наблюдается. Дождь вымывает больше меди и меньше никеля, чем снег. Это можно объяснить большей растворимостью меди в каплях дождя по сравнению с никелем.
Таким образом, на основании полученных результатов можно заключить, что дождь вымывает из атмосферы на 70 % и 20 % больше, соответственно, сульфатов и меди и на 10 % меньше никеля, чем снег. Дождем и снегом на 30 % больше вымывается меди, чем никеля. Эти результаты справедливы как для локальной, так и для региональной зон загрязнения.
Имеется ограниченное число работ, которые позволяют дать количественное описание отдельных сторон процесса вымывания загрязняющих веществ дождем и снегом (Василенко и др., 1985). Известны результаты наблюдений за вымыванием снегом сульфатов в Мичигане (США), где определялся объемный коэффициент концентрирования, характеризующий концентрирование загрязняющих веществ в единичном объеме воды осадков по отношению к тому же объему воздуха (Scott, 1981). Были получены данные, позволяющие установить влияние интенсивности осадков на
коэффициент концентрирования. Коэффициент концентрирования изменялся по степенному закону в зависимости от интенсивности осадков. Данные результаты наблюдений можно интерпретировать следующим образом: при увеличении интенсивности осадков объемная концентрация сульфатов в единице объема воздуха будет снижаться, а значит - расти коэффициент концентрирования. При снижении интенсивности осадков объемная концентрация сульфатов в единице объема воздуха будет расти, а значит - падать коэффициент концентрирования. И в том и другом случае массовая концентрация в литре воды осадков при постоянном выбросе должна оставаться приблизительно одинаковой. Например, при увеличении интенсивности осадков уменьшается содержание вещества в воздухе за счет перехода их в воду осадков, но при этом увеличивается и общий объем воды, при уменьшении интенсивности в меньшем объеме воды содержится и меньше вещества, а значит, их концентрация должна быть приблизительно одинаковой как в том, так и в другом случае. В связи с этим напрашивается вывод: при одинаковой продолжительности выпадения осадков, концентрация загрязняющих вещества в воде не зависит от интенсивности их выпадения. В данном случае осадки влияют на запас влаги и накопление вещества на единице площади и даже при неизменном выбросе, варьируя во времени, определяют разную величину атмосферных выпадений в экосистемы. При сокращении выброса и одновременном увеличении количества осадков, вымывающая роль последних может проявиться в том, что поступление загрязняющих веществ из атмосферы на подстилающую поверхность не будет уменьшаться, а даже расти, а значит, будет не сокращаться, а даже расти аэротехногенная нагрузка на экосистемы.
5. Вывод уравнения расчета полной суммарной концентрации вещества в жидких осадках за теплый период года. Величины эмпирических коэффициентов (табл. 3.3.4) получены с помощью общего для всех элементов уравнения:
О = (д,и / Рт) / (д, / Р,), (3.3.1)
где: О - безразмерный эмпирический коэффициент перехода от удельной концентрации в пробах снега к удельной концентрации в жидких осадках для данного элемента; д¡т - концентрация элемента в жидких осадках за теплый период в /-той точке, мг/л; Р,т - время экспозиции факела за теплый период на /-тую точку, сутки; д, - концентрация элемента в снеге за холодный период в /-той точке, мг/л; Р, - время экспозиции факела за холодный период на / -тую точку, сутки.
Из уравнения (3.3.1) следует, что
дш = О • д,■ Р¡т / Р,, (3.3.2)
Известно, что
д, = дуд./■ Р, ■ V, (3.1.1)
где: дуд,, - удельная концентрация элемента в снеге в /-ой точке, мг/л сутки на 1 тыс. т выброса в год; VI -годовой выброс элемента, тыс. т. Подставляя (3.1.1) в уравнение (3.3.2), получаем:
д,т = О ■ дудЛ ■ V/ • Р/т, (3.3.3)
6. Расчет годовой концентрации вещества на подстилающей поверхности в водном растворе. Общее уравнение расчета годовой концентрации сульфатов, никеля и меди на подстилающей поверхности можно записать в следующем виде:
д/г = дг + дш, (3.3.4)
где: д/г - годовая концентрация элемента в водном растворе в /-той точке, мг/л.
Подставляя в это уравнение дг (3.1.1) и д/т (3.3.3) имеем:
дгг = дуд./ ■ Р, ■ V, + О ■ дуд./-V, ■ Ргт = дудл ■ V, [Р/ + (О -Р/И)]. (3.3.5)
Расчет годовой концентрации можно произвести иначе. Средняя годовая удельная концентрация вещества определяется уравнением:
дуд.,сР. = [дуз., + (О • дуд.,)] / 2 = (1 + О) дуд, 1 / 2, (3.3.6)
где: дуд.1сР. - средняя годовая удельная концентрация в /-ой точке, мг/л сутки на 1 тыс. т выброса в год. Тогда полную концентрацию вещества на подстилающей поверхности будем рассчитывать по формуле:
д,г = (1 + О) • дудл-V, -Р1г / 2, (3.3.7)
Таким образом, полученные эмпирические коэффициенты позволяют производить расчет содержания сульфатов, никеля и меди в жидких осадках за теплый период года и в целом за год, во всех импактных зонах области через уравнения связи удельной концентрации вещества в снежном покрове с расстоянием от источника выбросов. Для практического применения, используя данные табл. 2.1, а
также формулы (3.1.1), (3.3.3) и (3.3.7), уравнения связи концентрации веществ с расстоянием от источника выбросов в разных формах рельефа за холодный, теплый и годовой периоды можно записать в виде, показанном в таблице 3.3.5.
Таблица 3.3.5. Уравнения связи концентрации загрязняющих веществ с расстоянием, мг/л
Форма рельефа Уравнение связи
Холодный период (ноябрь-март) Теплый период (апрель-октябрь) Год
Сульфаты
Вершина q, = -5.4Х/"079 VP, q m = 1.7- (-5.4X;0J9-V-Pm) q fe = 1.35 ■ (-5.4X,-079-V-P fe)
Склон q, = -5.68X/"0 63-VP, q m = 1.7- (-5.68X,"063 ■ V-P,J qfe = 1.35 ■ (-5.68X,-063 ■ V-Pfe)
Равнина q, = -6.18X,"059-V-P, q m = 1.7- (-6.18X,"059 • V-P m) q E = 1.35 ■ (-6.18X,-059-V-P e)
Никель
Вершина q, = -1.51X/"117 VP, q m = 0.9 ■ (-1.51X,"117-V-P m) qfe = 0.95 ■ (-1.5LX"1'17 VPfe)
Склон q, = -1.52X"1'34 VP, qm = 0.9 ■ (-1.52X,"134- V-P ,„) qfe = 0.95 ■ (-1.52X"1'34 VPfe)
Равнина q, = -1.39X"1'45 VP, qm = 0.9 ■ (-1.39X,"145- V-P ¿J qfe = 0.95 ■ (-1.39X,"145 VPfe)
Медь
Вершина q, = -1.35X"1'18 VP, qm = 1.2 ■ (-1.35X"1'18 VPm) qfe = 1.1 ■ (-1.35X"1'18 VPfe)
Склон q, = -1.14X,"144 VP, qm = 1.2 ■ (-1.14X,"144 VPm) qк = 1.1 ■ (-1.14X,-144 vpfe)
Равнина q, = -1.31X,-142 VP, qm = 1.2 ■ (-1.31X,-142 VPm) qк = 1.1- (-1.3LX"1'42 VPe)
Уравнения, приведенные в таблице 3.3.5, могут применяться только в локальных зонах промышленных предприятий: до расстояния 60 км - для расчета концентрации сульфатов и до расстояния 30 км - концентрации никеля и меди.
Для расчета аэротехногенных нагрузок на площадях природных комплексов содержание вещества по сети точек, расположенных в разных формах рельефа, так или иначе приходится усреднять, поэтому целесообразно на практике пользоваться уравнением, позволяющим рассчитывать среднее пространственное содержание вещества на территории локальной зоны. В этом случае, используя данные табл. 3.2.1, уравнения для расчета средней концентрации сульфатов, никеля и меди на разном удалении от источника выбросов можно записать в виде, показанном в табл. 3.3.6.
Таблица 3.3.6. Уравнения связи среднего содержания вещества с расстоянием от источника выбросов
Вещество Уравнение связи
Холодный период Теплый период Год
SO4 qc, = -5.74X,-067 VP, qcm = 1.7 ■ -5.74X,:0'67-V-P qcfe = 1.35 ■ -5.74X"0'67 'V- Pte
Ni qc, = -1.53X,"1'27 VP, qcm = 0.9 ■ -1.53X[h21-V-Plm qclz = 0.95 ■ -1.53X,"1'27 -V- Pfe
Cu qcl = -1.29.X"1'32 VP, qcm = 1.2 ■ -1.29X[h32-VPm qclz = 1.1- -1.29X"1'32 'VP,г
7. Расчет накопления вещества на единицу площади. Для расчета накопления вещества на единицу площади по сети точек, с учетом влияния на накопление орографии, общее уравнение можно записать так:
Q n =q,n-Wm, (3.3.8)
где: Qn - накопление элемента в /-ой точке за n-ый период, мг/м2; qin - концентрация элемента в i-ой точке за n-ый период, мг/л; Win - запас влаги в /'-той точке за n-ый период, мм.
Зимой, в результате перераспределения снега, на накопление запаса влаги существенное влияние оказывает тип растительного покрова. Ранее мы установили поправочный эмпирический коэффициент на тип растительного покрова для перехода от суммы твердых осадков на метеостанции к запасу влаги в реперных точках (Раткин и др., 1999), позволяющий рассчитывать влагозапас в точках мониторинга за холодный период по формуле:
W, = S-K,, (3.3.9)
где: Wi - запас влаги в /'-той точке за холодный период, мм; S - сумма осадков за холодный период по метеостанции, мм; Ki - эмпирический коэффициент, выбираемый в зависимости от типа растительного покрова в /'-той точке (без леса K = 0.67, хвойный K = 0.82, лиственный K = 1.09).
За теплый период запас влаги Wim в точках мониторинга равен сумме жидких осадков по метеостанции Sm. Тогда уравнение расчета запаса влаги за год имеет вид:
WE = Wi + Wlm = SK + Sm, (3.3.10)
где: Wi3 - запас влаги за год в /-той точке, мм.
Таким образом, уравнение (3.3.8) для расчета накопления вещества на единицу площади по сети точек (рис. 2.1) за сезон с учетом растительности перепишем в виде:
Q, = q, SK„ (3.3.11)
Qim qim Sm, (3.3.12)
для холодного и летнего периодов, соответственно, а для расчета годового накопления получим
Q* = qE • [(S-K,) + Sm], (3.3.13)
где: Qb - накопление /'-того элемента в i-ой точке /'-той формы рельефа за год, мг/м2; qiz - концентрация i-того элемента в i-ой точке i-той формы рельефа за год, мг/л.
Уравнения, приведенные в табл. 3.3.6, удобно применять для расчета среднего накопления вещества на единицу площади. Тогда расчет среднего накопления вещества на единицу площади будем производить по формуле:
Qcin qcin Win, (3.3.15)
где: Qcin - среднее накопление элемента в i-ой точке за n-ый период, мг/м2; qcin - средняя концентрация элемента в i-ой точке за n-ый период, мг/л; Win = Sin - сумма осадков за n-ый период по метеостанции, мм.
Таким образом, расчет накопления вещества на единицу площади по сети точек, с учетом орографии и типа растительного покрова, можно производить, подставляя в (3.3.11), (3.3.12) и (3.3.13) вместо Qi, qim и qb, уравнения из таблицы 3.3.5 для соответствующих элемента, формы рельефа и периода года. Расчет среднего накопления вещества на единицу площади без учета орографии можно производить, подставляя в (3.3.15) вместо qcin, уравнение из табл. 3.3.6 для соответствующих элемента и периода года. Во всех случаях данные об осадках берутся на метеостанции, расположенной вблизи источника выбросов.
В целях оперативного ретроспективного расчета количества вещества, поступавшего из атмосферы на подстилающую поверхность импактной зоны комбината "Североникель" в течение 1980-1997 гг., создана база данных ЭГИС по сети точек, показанных на рис. 2.1. Введенная в базу данных информация состоит из двух блоков: постоянных и переменных параметров, влияющих на пространственное распределение загрязняющих веществ. В первый блок введены следующие характеристики реперных точек: номер точки, азимут и расстояние (X) от центра промплощадки, форма рельефа, тип растительности, эмпирические коэффициенты (K) на тип растительного покрова для перехода от суммы выпавших осадков за холодный период по метеостанции к запасу влаги в точках мониторинга, удельные концентрации (q^.) сульфатов, никеля и меди в точках мониторинга (табл. 3.3.8).
Во второй блок введены переменные показатели: номер точки, данные о годовых выбросах элементов в атмосферу (V), данные об осадках (S и Sm) и повторяемости направлений ветра и штилей в сутках (Pi и Pim) за холодный и теплый периоды по метеостанции "Мончегорск", а также постоянный эмпирический коэффициент Dj для перехода от концентрации j-ro вещества в снежном покрове к его содержанию в жидких осадках. Кроме этого, сюда введена программа для расчета атмосферного выпадения загрязняющих веществ на единицу площади.
Чтобы избежать трудоемкого расчета времени экспозиции факела на реперные точки (рис. 2.1) за каждый период года, по данным метеостанции "Мончегорск" был произведен расчет средней многолетней повторяемости направлений ветра и штилей в сутках и среднего многолетнего количества осадков, за холодный (ноябрь-март), теплый (апрель-октябрь) периоды и в целом за год (табл. 3.3.7).
Суточную повторяемость направлений ветра по сторонам света и штилей и количество осадков, показанные в табл. 3.3.7, можно, с определенной степенью допущения, использовать как величины постоянные. В этом случае единственной переменной величиной остается выброс загрязняющих веществ в атмосферу. Средние многолетние значения осадков и повторяемости направлений ветра и штилей использовались для расчета интегрального поступления сульфатов, никеля и меди на подстилающую поверхность за 1980-1997 гг. С этой целью был определен суммарный выброс загрязнителей за 19801997 гг. и создана специальная база данных (табл. 3.3.9).
Таблица 3.3.7. Средняя многолетняя повторяемость направлений ветра и штилей (сутки) и среднее многолетнее количество осадков (мм) по метеостанции "Мончегорск"
Период Повторяемость Осадки
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ штиль
Холодный 16.6 3.4 4.1 7.5 45.8 12.4 6.8 25.1 29.3 136
Теплый 40.8 15.2 9.0 10.7 56.6 20.3 11.5 33.0 16.8 295
Год 57.4 18.6 13.1 18.2 102.4 32.7 18.3 58.1 46.1 431
Таблица 3.3.8. Постоянные характеристики точек мониторинга в зоне локального загрязнения
№ точки Рельеф Растительность (лес) X, КМ Азимут, Град , мг/л сутки 1 тыс. т К
804 N1 Си
1 склон хвойный 28.9 42 0.00041 0.0024 0.0025 0.82
4 равнина без леса 4.7 163 0.00083 0.0264 0.0299 0.67
5 склон хвойный 7.0 167 0.00099 0.0162 0.0193 0.82
6 склон хвойный 15.5 196 0.00061 0.0056 0.0061 0.82
7 равнина без леса 7.4 122 0.00063 0.0137 0.0157 0.67
8 склон хвойный 9.1 190 0.00085 0.0114 0.0132 0.82
10 склон хвойный 22.0 184 0.00049 0.0035 0.0037 0.82
11 равнина хвойный 37.8 48 0.00024 0.82
12 склон хвойный 12.3 123 0.00070 0.0076 0.0086 0.82
13 склон без леса 8.5 196 0.00088 0.0125 0.0146 0.67
14 равнина хвойный 49.3 43 0.00021 0.82
15 склон без леса 7.1 226 0.00099 0.0159 0.0189 0.67
16 склон хвойный 44.8 50 0.00031 0.82
17 равнина хвойный 22.4 44 0.00033 0.0027 0.0032 0.82
18 склон без леса 10.2 197 0.00079 0.0098 0.0112 0.67
19 склон без леса 8.4 125 0.00089 0.0127 0.0149 0.67
20 склон хвойный 12.1 25 0.00071 0.0078 0.0088 0.82
21 склон без леса 7.5 201 0.00096 0.0148 0.0175 0.67
22 склон хвойный 18.7 29 0.00054 0.0044 0.0047 0.82
23 склон без леса 7.2 193 0.00098 0.0156 0.0186 0.67
24 равнина без леса 0.5 225 0.0031 0.68 0.73 0.67
25 равнина хвойный 50.5 54 0.00020 0.82
26 склон без леса 3.7 200 0.0015 0.038 0.0484 0.67
27 склон хвойный 18.8 184 0.00054 0.0043 0.0047 0.82
28 склон без леса 3.6 241 0.0015 0.0394 0.0503 0.67
29 склон без леса 2.2 350 0.0021 0.076 0.1023 0.67
30 склон без леса 5.7 105 0.0011 0.0213 0.026 0.67
31 склон без леса 11.5 283 0.00073 0.0083 0.0095 0.67
32 равнина хвойный 17.8 176 0.00038 0.0038 0.0045 0.82
33 равнина хвойный 13.9 200 0.00044 0.0055 0.0064 0.82
34 равнина хвойный 11.1 227 0.00050 0.0076 0.0088 0.82
35 равнина хвойный 12.9 204 0.00046 0.0061 0.0071 0.82
36 склон хвойный 11.4 260 0.00073 0.0084 0.0096 0.82
38 склон без леса 14.4 297 0.00063 0.0062 0.0068 0.67
39 вершина хвойный 10.7 298 0.00077 0.0137 0.0158 0.82
40 равнина хвойный 10.8 232 0.00051 0.0079 0.0091 0.82
41 склон лиственный 12.4 296 0.00070 0.0075 0.0085 1.09
42 склон без леса 12.8 293 0.00068 0.0072 0.0081 0.67
50 равнина хвойный 10.7 240 0.00051 0.0080 0.0093 0.82
51 склон хвойный 15.4 178 0.00061 0.0056 0.0062 0.82
52 равнина без леса 22.4 140 0.00033 0.0027 0.0032 0.67
53 равнина хвойный 22.2 102 0.00033 0.0028 0.0033 0.82
54 равнина хвойный 18.8 175 0.00036 0.0035 0.0042 0.82
55 равнина без леса 23.2 172 0.00033 0.0026 0.0031 0.67
56 вершина хвойный 19.6 176 0.00064 0.0067 0.0077 0.82
57 равнина хвойный 24.6 98 0.00031 0.0024 0.0028 0.82
58 склон хвойный 23.8 175 0.00046 0.0032 0.0033 0.82
59 склон хвойный 20.4 178 0.00051 0.0039 0.0041 0.82
60 равнина хвойный 31.0 98 0.00027 0.82
61 склон хвойный 34.5 103 0.00037 0.82
62 склон хвойный 23.7 174 0.00046 0.0032 0.0033 0.82
63 склон хвойный 23.2 172 0.00047 0.0033 0.0034 0.82
64 равнина лиственный 23.8 175 0.00032 0.0025 0.0030 1.09
65 равнина лиственный 30.8 99 0.00027 1.09
66 вершина лиственный 22.7 176 0.00039 0.0057 0.0065 1.09
67 равнина лиственный 14.5 186 0.00043 0.0052 0.0060 1.09
68 равнина хвойный 20.4 172 0.00035 0.0031 0.0037 0.82
69 склон хвойный 23.5 178 0.00047 0.0032 0.0034 0.82
70 равнина хвойный 19.0 175 0.00036 0.0035 0.0041 0.82
80 склон хвойный 29.0 189 0.00041 0.0024 0.0025 0.82
82 склон без леса 4.0 246 0.0014 0.0342 0.0433 0.67
84 | склон | безлеса | 3.9 | 270 | 0.0014 | 0.0354 | 0.0449 | 0.67 |
Таблица 3.3.9. Средние многолетние количества осадков и повторяемость ветра в сторону точки по метеостанции "Мончегорск" за теплый (Бт, Ргт) и холодный (Б, Рг) периоды года, суммарный выброс веществ (V) за 1980-1997 гг. и коэффициент связи (В) удельных концентраций в снеге и жидких осадках
№ точки Ветер, сутки Осадки, мм 804 N1 Си
Р. 1 гт Р, Б ^т Б V, тыс. т В V, тыс. т В V, тыс. т В
1 20.3 12.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
4 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
5 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
6 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
7 33.0 25.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
8 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
10 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
11 20.3 12.4 295 136 3541 1.7
12 33.0 25.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
13 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
14 20.3 12.4 295 136 3541 1.7
15 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
16 20.3 12.4 295 136 3541 1.7
17 20.3 12.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
18 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
19 33.0 25.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
20 20.3 12.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
21 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
22 20.3 12.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
23 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
24 16.8 29.3 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
25 20.3 12.4 295 136 3541 1.7
26 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
27 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
28 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
29 16.8 29.3 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
30 11.5 6.8 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
31 9.1 4.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
32 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
33 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
34 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
35 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
36 9.1 4.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
38 10.7 7.5 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
39 10.7 7.5 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
40 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
41 10.7 7.5 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
42 10.7 7.5 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
50 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
51 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
52 33.0 25.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
53 11.5 6.8 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
54 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
55 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
56 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
57 11.5 6.8 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
58 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
59 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
60 11.5 6.8 295 136 3541 1.7
61 11.5 6.8 295 136 3541 1.7
62 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
63 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
64 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
65 11.5 6.8 295 136 3541 1.7
66 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
67 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
68 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
69 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
70 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
80 40.8 16.6 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
82 15.2 3.4 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
84 9.1 4.1 295 136 3541 1.7 54 0.9 38 1.2
Рис. 3.3. Атмосферное выпадение N1 и Си (слева) и 804 (справа) в импактной зоне к-та "Североникель" за период 1980-1997 гг., г/м2
База данных, показанная в табл. 3.3.8 и 3.3.9, обрабатывалась программой расчета по сети точек (рис. 2.1) суммарных атмосферных выпадений сульфатов, никеля и меди на единицу площади за 19801997 гг. с помощью годовых уравнений, приведенных в табл. 3.3.5, и формулы 3.3.13. Рассчитанные значения атмосферных выпадений веществ в точках мониторинга извлекались из базы данных. Координаты точек пересчитывались из полярной (азимут, расстояние) в прямоугольную систему. Полученная таблица обрабатывалась программой SURFER, интерполировала исходные значения в равномерную сеть (методом обратных квадратов). По результирующей матрице значений генерировался файл векторов карт - изолиний в виде набора линий, заданных в реальных единицах измерений (км). Для отображения таких карт использовалась программа IG (имитатор графопостроения, АсмингВ.Э.), позволяющая печатать карты в произвольных масштабах на произвольных принтерах (рис. 3.3). Специальную базу данных (табл. 3.3.9) удобно использовать для оперативного расчета атмосферных выпадений по созданной сети точек (рис. 2.1) локальной зоны за конкретные - холодные, теплые и годовые периоды, а также для расчета интегральной нагрузки за упомянутые периоды, с нарастающим итогом, как в ретроспективе, так и в перспективе, так как единственной переменной величиной здесь является выброс веществ в атмосферу (табл. 3.3.10).
Таблица 3.3.10. Выброс загрязняющих веществ в атмосферу комбинатом "Североникель"
Год Выброс, тыс. т в год
SO2 Ni Cu
1980 206.0 3.5 1.4
1981 204.6 3.0 1.5
1982 236.1 3.0 1.6
1983 278.1 3.1 2.1
1984 257.2 3.1 2.5
1985 254.4 3.0 2.4
1986 243.5 7.0 5.0
1987 224.3 7.5 5.7
1988 212.1 2.7 4.2
1989 200.3 3.1 2.2
1990 232.6 2.7 1.8
1991 196.2 2.7 1.7
1992 181.6 2.1 1.5
1993 136.8 2.0 1.0
1994 97.6 1.6 0.9
1995 129.2 1.4 0.7
1996 110.0 1.3 0.7
1997 139.9 1.3 0.8
Естественно для более точной оценки атмосферных выпадений на подстилающую поверхность за различные периоды отдельных годов и в сумме за много лет, необходимо пользоваться фактическим выпадением осадков и распределением ветра по сторонам света за конкретные периоды года. Созданная в результате полевых исследований сеть точек (рис. 2.1), может быть расширена камеральным путем до неограниченного числа. Для этого с помощью тематических карт (топографических, растительных) достаточно крупного масштаба необходимо определить точки, идентичные по своим природным характеристикам (рельеф, растительность) экспериментальным точкам в зоне локального загрязнения: для сульфатов - в радиусе 60 км от источника выбросов, для никеля и меди - в радиусе 30 км.
3.4. Сравнительная оценка содержания и интенсивности атмосферного выпадения сульфатов, никеля и меди в различных формах рельефа
Изучение турбулентной диффузии примесей в приземном слое воздуха показало, что их распространение существенно зависит от распределения скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена (Соломатина, 1965). При горизонтально-однородной поверхности эти характеристики на достаточно большом протяжении меняются незначительно. В пересеченной же местности или с резко выраженной неоднородной подстилающей поверхностью скорость ветра, температура и коэффициент турбулентности могут сильно изменяться на небольшом расстоянии, что существенно скажется на распространении примесей в приземном слое атмосферы. Причем на распространение примесей от источника окажут влияние не только колебания скорости ветра по территории, но также и характер ее изменения с высотой в различных формах рельефа. При невысокой скорости ветра (до 5 м/с) влияние препятствий на воздушный поток сильнее, чем при высокой. Поэтому с уменьшением скорости ветра отличия рассеивания выбросов в различных условиях рельефа увеличиваются (Берлянд, 1975). Пересеченная местность оказывает динамическое и термодинамическое воздействие на воздушный поток, что обусловливает его трансформацию, которая характеризуется изменением и других метеорологических параметров: температуры и влажности воздуха, осадков. Это определяет различное состояние погоды в разных формах рельефа и оказывает влияние на физико-механические свойства подстилающей поверхности. Например, известно, что плотность снега, наличие ледяной корки на поверхности и ледяных прослоек внутри него существенно влияют на загрязнение снежной толщи. У рыхлого снега поглотительная способность по отношению к выбросам выражена более значительно, чем у плотного. Еще выше она у влажного снега. Ледяные корки и ледяные прослойки приводят к значительному снижению этой способности (Никольская и др., 1983). Принимая все это во внимание, была поставлена задача оценить степень возможного отличия в зоне локального загрязнения годовых концентраций сульфатов, никеля и меди на подстилающей поверхности разных форм рельефа, сравнить интенсивность выпадений элементов между собой.
Для решения поставленной задачи был произведен расчет годовой удельной концентрации сульфатов, никеля и меди в разных формах рельефа на расстояниях, начиная с 1 км и далее, через 1 км до 60 км (сульфаты) и до 30 км (металлы) по общей формуле (3.3.6). Последовательно рассматривалась кратность превышения удельной концентрации (дуд.г) каждого элемента в отдельности и между собой на подстилающей поверхности вершин, склонов и равнин. Сравнительный анализ содержания загрязняющих веществ на поверхности разных форм рельефа показал, что на вершинах на расстоянии до 10 км содержание сульфатов в среднем в 2 раза выше, чем на равнинах, и в 1.3 раза - чем на склонах. На расстоянии 10-60 км от источника содержание сульфатов на вершинах такое же, как на склонах, но выше, чем на равнинах, на 50 %. На склонах на всем протяжении от источника выбросов до 60 км ду 8042- в среднем выше, чем на равнинах, в 1.5 раза.
Характер такого вертикально-пространственного распределения удельной концентрации сульфатов на поверхности разных форм рельефа можно объяснить следующим образом: вблизи источника высокие трубы обеспечивают подъем диоксида серы, находящегося в основном в составе сернистого газа, на значительную высоту, превышающую высотные отметки окружающих источник горных вершин, что обусловливает, в силу специфики осаждения примеси в горных условиях, большее содержание 8042- в снеге вершин, чем на склонах и равнинах. На расстоянии до 10 км в результате большого объема выбросов сернистого газа эти превышения сохраняются. После существенной "разгрузки" факела на содержание сульфатов на поверхности равнин и особенно склонов дополнительное влияние оказывают выбросы серы от многочисленных поселковых котельных, пограничных застав и военных городков, густо размещенных на территории области. Эти источники имеют низкие трубы и используют в качестве топлива мазут и низкосортный уголь. Примесь не
достигает поверхности вершин, осаждается в большей степени на склонах, чем на равнинах. Такое дополнительное поступление сульфатов на поверхность склонов и равнин обусловливает, на наш взгляд, значительное сокращение разницы в содержании сульфатов на вершинах и равнинах, равенство на вершинах и склонах на расстоянии более 10 км, и более высокое содержание их на склонах, чем на равнинах на всем протяжении от источника до 60 км.
Концентрация N1 на расстоянии до 1 км в среднем одинаковая во всех формах рельефа. Крупные частицы примеси не обладают высоким подъемом и под действием сил гравитации и инерции (Дунский, 1965), осаждаются внизу в непосредственной близости от источника. Существенное влияние на загрязнение оказывают неорганизованные выбросы никеля через аэрационные фонари и другие вентиляционные ходы плавильных цехов. В результате замедленного подъема эффективная поверхность соприкосновения факела с поверхностью склонов и вершин за счет полного обтекания - максимально высокая. Известно, что в случае полного обтекания поля концентраций примеси в условиях холмистой и ровной местности совпадают (Берлянд и др., 1965). Это определяет равенство содержания никеля на поверхности рассматриваемых форм рельефа вблизи источника. На расстоянии более 1 км и далее на всем протяжении до 30 км содержание никеля в среднем в 1.5 раза меньше на равнинах и склонах, чем на вершинах, а на склонах и равнинах оно остается неизменным и оценивается как 1:1. Сравнительное вертикально-пространственное распределение удельной концентрации меди на вершинах, склонах и равнинах идентично распределению никеля.
Интенсивность выпадения меди в течение года на поверхность всех форм рельефа на всем протяжении до расстояния 30 км от источника выше, чем никеля, в среднем на 40 %, что обусловлено, по всей видимости, 30-ти процентным превышением вымываемости меди дождем и снегом над вымываемостью никеля и 10-ти процентным превышением меди над никелем в результате "сухого" осаждения из-за большего содержания крупных частиц меди в массе выбросов в атмосферный воздух (рис. 3.4). Совместные исследования, проведенные в июле-августе 1993 г. в окрестностях комбината "Североникель" американскими и российскими учеными, показали, что в отобранных пробах воздуха содержание
частиц меди с размером крупнее I0 мкм в 2 раза выше, рис. 3.4. Кратность превышения удельной чем никеля. Во всех пробах на расстоянии от 4 до I0 км, с концентрации одного элемента по отношению учетом местных ветровых условий, содержание частиц другому во всех формах рельефа меди с размером крупнее 10 мкм составило 10 % общей
массы металла в пробе, в то время как частиц никеля — 5 %. (Ке11еу е( а/., 1995). Если это так, тогда становится объяснимым одинаковое накопление меди и никеля на подстилающей поверхности локальной зоны комбината "Североникель" (рис. 3.3) при значительном превышении выброса никеля над медью в атмосферу (табл. 3.3.10).
До расстояния 3 км от источника выбросов интенсивность выпадения меди на подстилающую поверхность в среднем в 45, а никеля в 30 раз выше, чем сульфатов. По мере выпадения крупных частиц меди и никеля эти соотношения резко убывают. Уже на расстоянии 5-10 км медь и никель по скорости поступления на поверхность вершин, склонов и равнин превышают сульфаты, соответственно, только в 15 и 11 раз. На расстоянии более 10 км кратность превышения интенсивности поступления меди над интенсивностью поступления никеля на поверхность по отношению к сульфатам постепенно выравнивается, а ее убывание носит плавный характер. На расстоянии 15-30 км интенсивность поступления меди на поверхность всех форм рельефа в среднем имеет восьмикратное, а никеля - шестикратное превышение над сульфатами (рис. 3.4).
4. Заключение
Нормирование аэротехногенных нагрузок на геосистемы, оценка их современного и прогноз будущего состояния должны основываться на оценке динамики поступления загрязняющих веществ (в первую очередь - приоритетных) в природную среду с учетом комплекса природных и антропогенных факторов, влияющих на их накопление в экосистемах. Самым сложным в решении этой задачи является расчет годовых ретроспективных (с момента возникновения источника выброса) и перспективных аэротехногенных нагрузок на природные системы в зонах не только локального, но и регионального
К, раз
50 т 45
40 -35 -30 ± 25 -20 -15 -10 -5
0 т
1 3 5 10 15 20 30 Р км
загрязнения. Поскольку воздействие загрязняющих веществ на природную среду носит кумулятивный характер, и их негативное влияние проявляется не сразу, а по истечении некоторого времени, то решение поставленной задачи необходимо, главным образом, для того, чтобы определить, при каких нагрузках и за какой период времени природные комплексы переходят из одного состояния в другое. Это даст реальную возможность оперативно управлять экологической ситуацией в регионе.
На современном этапе предлагаемый нами метод расчета пространственного поступления вещества из атмосферы на подстилающую поверхность обеспечивает:
- расчет выпадений сульфатов, никеля и меди на подстилающую поверхность за холодный, теплый и годовой периоды в импактных зонах промышленных предприятий за любой промежуток времени и на любых территориях со схожими физико-географическими и климатическими условиями;
- расчет интегрального накопления загрязняющих веществ на подстилающей поверхности с нарастающим итогом (с момента основания источника выбросов) в ретроспективе и перспективе;
- расчет накопления вещества на площадях водосборных бассейнов и любых других выделенных экосистем;
- решение обратной задачи: по замерам загрязнения снега в контрольных точках позволяет определение годового выброса сульфатов, никеля и меди от предприятия;
- подход к расчету холодного, теплого и годового выпадения загрязняющих веществ в региональной фоновой зоне;
- подход к расчету доли вещества, уходящего за пределы региона.
Разработанный метод позволил определить границы зон локального и регионального фонового загрязнения территории сульфатами, никелем и медью. Радиус зоны локального загрязнения сульфатами составляет 58-60 км от центра промплощадок промышленных предприятий, а никелем и медью - 28-30 км.
Получены предварительные результаты по оценке вымывания загрязняющих веществ дождем и снегом. На основе этих результатов установлено, что при характерных для Мурманской области климатических условиях, сульфатов дождем вымывается из атмосферы на 70 %, а меди - на 20 % больше, чем снегом. Вымываемость из атмосферы никеля снегом на 10 % больше, чем дождем. Вымываемость меди дождем и снегом на 30 % выше, чем вымываемость никеля. Интенсивность "сухого" осаждения меди на 10 % выше, чем никеля. При одинаковой продолжительности выпадающих осадков (будь это дождь, или снег), концентрация вещества в воде не зависит от интенсивности их выпадения.
Рельеф местности, климатические условия, особенности примеси и источника определяют существенное различие в содержании загрязняющих веществ по вертикали местности в течение года, а значит, и неодинаковую аэротехногенную нагрузку на экосистемы в зоне локального загрязнения.
На расстоянии до 1 км интенсивность выпадений металлов во всех формах рельефа одинаковая. На расстоянии более 1 км и далее на всем протяжении до 30 км металлов на возвышенностях выпадает в 1.5 раза больше, чем на равнинах и склонах, а на склоны и равнины их поступление оценивается как 1:1. Интенсивность выпадения меди на поверхность всех форм рельефа на всем протяжении до 30 км от источника выше, чем никеля, в среднем на 40 % за счет большей способности к "сухому" и "мокрому" осаждению (10 % за счет "сухого" осаждения и 30 % за счет "мокрого").
На расстоянии до 10 км от источника загрязнения содержание сульфатов на вершинах в 2 раза выше, чем на равнинах и на 30 % больше, чем на склонах. На расстоянии 10-60 км содержание сульфатов на вершинах в 1.5 раза выше, чем на равнинах, и такое же, как и на склонах. На склонах на всем протяжении от источника серы в 1.5 раза выпадает больше, чем на равнинах.
В среднем до расстояния 3 км скорость поступления металлов на поверхность всех форм рельефа в 40 раз выше, чем у серы. По мере выпадения крупных частиц меди и никеля это соотношение резко убывает. На расстоянии 5-10 км в среднем медь и никель по скорости поступления на поверхность вершин, склонов и равнин превышают сульфаты в 13 раз, а на расстоянии 15-30 км - только в 7 раз.
Автор выражает глубокую признательность заведующей лаборатории биогеохимии лесов, доктору биологических наук Лукиной Н.В., заведующему лабораторией наземных экосистем, доктору биологических наук Никонову В.В. за предоставление материала по химическому составу жидких осадков за многолетний период в зоне воздействия комбината "Североникель", а также инженеру-картографу Власовой И.В. за помощь в проведении картографических работ.
Литература
Baklanov A.A. and Rodyushkina I.A. Pollution of ambient air by "Severonikel" smelter complex: Observations and modelling. Apatity, p.83-89, 1993.
Kelley J.A., Jaffe D.A., Baklanov A. and Mahura A. Heavy metals on the Kola Peninsula: Aerosol size distribution. The Science of the Total Environment, v.160, p.135-13S, 1995.
Pozniakov V.Y. The "Severonikel" smelter complex: History of development. Aerial pollution on the Kola Peninsula. Apatity, p.16-19, 1993.
Scott B.C. Sulphate washout rations in winter storms. J. Appl. Meteorol., v.20, p.619-625, 19S1.
Берлянд M.E. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 44S е., 1975.
Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Демьянович В.К. Некоторые актуальные вопросы исследования атмосферной диффузии. Труды ГГО: Вопросы атмосферной диффузии и загрязнения воздуха. Л., Гидрометеоиздат, вып.172, с.3-22, 1965.
Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л., Гидрометеоиздат, 1S1 е., 19S5.
Воеводова З.И. Возможность определения влияния загрязнения атмосферы на водные ресурсы путем отбора проб снега. В кн.: Влияние хозяйственной деятельности человека на водные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, C.S0-SS, 1979.
Глазовский Н.Ф., Злобина А.И., Учватов В.П. Химический состав снежного покрова некоторых районов Верхнеобского бассейна. В кн.: Региональный экологический мониторинг. М., Наука, C.67-S3, 19S3.
Дубинский Г.П., Гуральник И.И., Мамиконова C.B. Метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 454 е., 1960.
Дунский В.Ф. Об инерционном механизме оседания грубодисперсного аэрозоля на растительный покров земли. Труды ГГО: Вопросы атмосферной диффузии и загрязнения воздуха. Л., Гидрометеоиздат, вып.172, C.1S3-191, 1965.
Крючков В.В., Макарова Т.Д. Аэротехногенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты, КНЦАНСССР, 96 е., 19S9.
Махонько К.П., Работнова Ф.А., Реут Г.М., Чумичев В.Б. Связь радиоактивных выпадений с осадками. В кн.: Радиоактивность природной среды. М., Гидрометеоиздат, с.50-55, 1977.
Назаров И.М., Ренне О.С., Фридман Ш.Д., Шаповалова Л.Г., Махонько Э.П. Содержание примесей в атмосферных осадках, атмосферные аэрозоли. В кн.: Защита атмосферы от загрязнений. Вильнюс, АН Лит. ССР, Ин-т физики и математики, вып.З, с.7-11, 1976.
Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, многолетние данные, ч.1-6, вып.2, Мурманская область. Л., Гидрометеоиздат, 316 е., 19SS.
Никольская Н.К., Попова З.А., Попов К.И. Роль снежного покрова и растительности в охране атмосферного воздуха от загрязнения. В кн.: Региональный экологический мониторинг. М., Наука, C.S6-92, 19S3.
Раткин Н.Е. Оценка содержания загрязняющих веществ в снежном покрове расчетным методом. В кн.: Эколого-географические проблемы Кольского Севера. Апатиты, КНЦРАН, с.42-54, 1999.
Раткин Н.Е., Асминг В.Э., Кошкин В.В. Моделирование аэротехногенного загрязнения снежного покрова (на примере Печенгского района). В кн.: Эколого-географические проблемы Кольского Севера. Апатиты, КНЦРАН, C.2S-42, 1999.
Раткин Н.Е., Асминг В.Э., Кошкин В.В. Влияние природных локальных факторов на загрязнение снежного покрова (на примере Печенгского района). Вестник МГТУ, т.1, № 3, с.151-160, 199S.
Раткин Н.Е., Макарова Т.Д. Роль снежного покрова в загрязнении ландшафтов Мурманской области. В кн.: Эколого-географические проблемы Кольского Севера. Апатиты, КНЦРАН, с.20-35, 1992.
Соломатина H.H. О влиянии рельефа на метеорологические характеристики в приземном слое воздуха. Труды ГГО: Вопросы атмосферной диффузии и загрязнения воздуха. Л., Гидрометеоиздат, вып.172, C.5S-69, 1965.
Цевелев М.А., Чалов П.И., Махонько К.П. Изучение закономерностей вымывания радиоактивных продуктов в горах и предгорьях. В кн.: Радиоактивность атмосферы, почвы и пресных вод. Труды ИЭМ, вып.5, с.102-114, 1970.
Яковлев Б.А. Климат Мурманской области. Мурманск, 1S0 е., 1961.
