CC BY
20
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК 4.
1. Molchanov O. A., Hayakawa M. Seismo Electromagnetics and Related Phenomena: History and Latest Re- 5. sults // TERRAPUB. Tokyo, Japan. 2008. 189 p.
2. Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes // Ed. M. Hayakawa ; Published by Transworld Research Network. Kerala, India, 2009. 279 p.
3. Нагуслаева И. Б. Исследование электрических 6. свойств подстилающей среды и пространственно-временных характеристик электромагнитного поля
по данным радиоизмерений и моделирования : дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук / ОФП БНЦ СО РАН. Улан-Удэ, 2009. 141 с.
Hufford G. A. An Integral Equation Approach to the Problem of Wave Propagation over an Irregular Surface // Quart. 1952. Vol. 9. Appl. Math. P. 391-404. Радиофизическая диагностика зон тектонических нарушений / Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Нагуслаева И. Б., Буянова Д. Г., Адвокатов В. Р., Дем-белов М. Г. // Журнал радиоэлектроники. № 10. 2010. С. 405-421.
Поверхностные электромагнитные волны над двухслойной средой «лед-соленая вода». Результаты эксперимента / Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Дембелов М. Г., Нагуслаева И. Б. // Журнал радиоэлектроники. 2010. № 10. С. 382-393.
УДК 546.49:551.578.4.504.064.36 Скворцов Валерий Александрович,
д. г-м. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология», ИрГУПС
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МИГРАЦИИ РТУТИ ИЗ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ВБЛИЗИ ПРЕДПРИЯТИЙ ХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
V.A. Skvortsov
MODELING THE PHYSICO-CHEMICAL CONDITIONS OF MERCURY TRANSPORT FROM SNOW COVER NEAR CHEMICAL FACTORY
Аннотация. Впервые смоделированы термодинамические условия поведения субмикроскопических (10— мм и менее) твёрдых кристаллических частиц ртути и аэрозолей из снежного покрова при взаимодействии их с окружающей средой вблизи городов Усолье-Сибирское и Ангарск Иркутской области, где преобладают профильные предприятия химической промышленности.
Ключевые слова: физико-химические (термодинамические) условия, перенос ртути, твёрдые частицы аэрозолей, снежный покров, предприятия химической промышленности.
Abstract. Thermodynamic conditions monitoring of the mercury and solid aerosol particles from snow cover performance have been modeled for the first time. The modeling has been conducted near the towns of Usolye-Sibirskoye, Angarsk wich are the center of the chemical industry of Irkutsk region.
Keywords: physico-chemical (termodynamic) conditions, mercury transport, solid aerosols, snow cover, chemical factory.
Введение
Атмосферный аэрозоль, содержащий ртуть, образуется в результате выбросов в процессе технологических операций на промышленных предприятиях. Осаждаясь, он скапливается в снежном покрове, активно взаимодействует с окружающей средой и нарушает установившееся ранее экологическое равновесие.
Согласно статотчётности, только в 2007 году от стационарных источников химической промышленности в атмосферу поступило 15,3 тыс. т загрязняющих веществ, из них твёрдых 2,1 тыс. т, жидких и газообразных 13,2 тыс. т. Из специфических загрязняющих веществ в атмосферный воздух выброшено: 900,1 т дихлорэтана, 421,3 т мета-
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
на, 540,03 т бензола, 200,4 т толуола, 105,85 т стирола, 47,66 т аммиака и 0,34 т ртути [1].
Обоснование цели работы
В рассматриваемых нами городах на расстоянии до 20 км в твёрдом осадке снежного покрова за зимний период скапливается большое количество карбонатов (кальцита - СаС03 и доломита -
CaMg (С03 )2), присутствует ртуть и другие металлы. Содержание техногенного кальцита в твёр-дофазных частицах аэрозоля вблизи химического комбината в г. Усолье-Сибирское в десятки раз превышает фоновое значение, а в Ангарске - в 2-3 раза. Проблемы ртутного загрязнения природных и искусственных водоёмов, способы его предотвращения и ликвидации нашли своё отражение в публикациях [2-5]. Детальное изучение этих материалов показало что поведение ртути из твёрдого осадка снегогеохимических проб на глубину от предприятий химической промышленности исследователями не рассматривались.
Изучение поведения ртути и твёрдых частиц аэрозолей в окружающей среде требует привлечения современных методов исследования, среди которых одними из наиболее доступных и эффективных являются построения компьютерных физико-химических моделей.
Моделирование физико-химических
условий
По данным моделирования снежного покрова, твёрдой фазы снега, воздуха и воды (табл. 1) физико-химическая модель может быть описана следующими независимыми компонентами Са-М^К-^-3-С-С1-Е-^Щ-31-Л1-Ее-Н-0, комбинации сочетаний которых отражают состав зависимых компонентов.
В соответствии с этим водная фаза содержит 183 компонента (катионы, анионы, молекулы), газовая - 13 и твёрдая - 57 компонентов. В состав твёрдой фазы включены минералы, определённые в составе выпаренного сухого остатка, которые теоретически могут быть встречены в почвах, сформированных на юрских и кембрийских отложениях, сложенных песчаниками, алевролитами, углистыми и глинистыми сланцами, доломитами, известняками, кремнисто-карбонатными отложениями с пропластками каменной соли и ангидрита, а впоследствии частично переформированных и деградируемых. Физико-химическое моделирование проводилось по программе «Селектор» [6, 7]. Рассчитывались модели при температуре от 2 до 5 °С, давлении 1 бар в условиях частичного равно-
весия. Выбранные температуры отражают начало и окончание таяния снега в весенний период, в течение которого и проходят наиболее активные геохимические процессы взаимодействия твёрдого осадка с окружающей средой.
Таблица 1 Исходные составы снега, твёрдого осадка,
Снег Твёрдый осадок
Ком-по-нен-ты Содержание, мг/л Минералы Химические формулы Со-держа- ние, %
Са2+ 33,1 Кальцит СаС03 4
м8 2+ 1,7 Доломит СаМ%С<0ъ )2 28
К+ 1,7 Кварц 810 2 24
На+ 1,5 Плагиоклаз:
16,0 Альбит НаЛЖРъ 15
нсо; 9,2 Анортит СаА12Б^0 6
С0\~ 33,9 Калиевый полевой шпат КЛ81.р% 17
С1 - 3,5 Амфибол:
F " 1,2 Тремолит СагМ%8ч0гг 0>Н )2 1,1
N0' 3,0 Актино-лит Са^г^А^ (0Н )2 1,2
Щ2+ мкг/м 2 0,2 [2] Мусковит (гидрослюда) КЛ18н0а (0Н )2 1,7
РН 9,15 Каолинит Л1281205 (0Н )4 1
Гематит Ре203 1
Магнетит Реъ0А 1
Ртуть, мкг/м2 Н8 40,6 [2]
Воздух, % 0 - 20,95; N - 78,16; С - 0,016; Лг ~ 0,9 (не учитывается)
Вода, % 0 - 89; Н- 11
В начальный период, когда частицы твёрдого осадка ещё не начали взаимодействовать со снеговой водой и почвой, в равновесии отмечаются фазы газа (83,5 %) и раствора (16,4 %). Из газов преобладает азот (77,5 %) и кислород (21,9 %), что создаёт ультракислую среду (рН = 0,7 и ЕН = 1,1),
в которой из ртутных комплексов в растворе будет выделяться только ЩСГ2 (0,0003 мг/кг И20).
Сразу после соприкосновения твёрдых частиц осадка с почвенным слоем, представленным в интервале 0-5 м преимущественно супесью, часть кремнекислоты из раствора переходит в твёрдую фазу и в почве в данном интервале появляется новообразованный кварц (0,8 %), который оказывается устойчивым в равновесии с газом (78,9 %) и раствором (18,2 %). Кислотность-щелочность раствора в этом случае приближается к 1,6-1,7 и создаёт среду, благоприятную для образования гало-генидных комплексов ртути. Концентрации их
заметно возрастают: ИgCl+ (0,0041 мг/кг И20), ЩС1\ (5,6 мг/кг И20), ЩС1+Ъ (0,0001 мг/кг
И 20).
При дальнейшем взаимодействии кристаллических частиц твёрдого осадка со снежной водой и воздухом происходит перераспределение из водной фазы в твердую Fe, Si, K и Al, что приводит при рH 2,4 к возможности образования в ассоциации с кварцем вторичных гидрослюдистых минералов (в частности, железистой разновидности иллита). Кроме возрастания содержания гало-генидных комплексов ИgCl+ (4,9 мг/кг И20), отмечаются повышенные содержания И^2+ (0,76 мг/кг И20) и других соединений И^0И+ (0,02 мг/кг И20), Щ20° (0,003 мг/кг И20), И^¥+ (0,0002 мг/кг И20). При сопоставлении изменения рH с глубиной данная ситуация сохраняется до 7-8 м.
На глубине, близкой к 10 м в зоне контакта глинистых сланцев и песчаников, когда количество твердой фазы возрастает до 9,6 % и рH приближается к 3, в равновесии с кварцем и железистым иллитом появляются минералы группы каолинита - монтмориллонита, среди которых преобладают алюминиевые и калиевые разности, в меньшем количестве присутствует железистая разновидность монтмориллонита. Из ртутных соединений в растворе увеличиваются (20,9 мг/кг И20), ЩС1+ (18 мг/кг И20), ИфИ+ (2,4 мг/кг И20), Щ¥+ (0,003 мг/кг И20),
Щ0 (1 мг/кг И20).
Когда взаимодействие твёрдого осадка снега с талой водой за счёт инфильтрации продолжается
и дальше на глубину по глинистым сланцам, соотношение между фазами меняется. Количество раствора составляет 16,3 %, газа 57,5 % и твёрдой фазы 26,1 %. В этом случае величина рH будет равняться 5,5, а Eh = 0,8. За счёт перераспределения кальция и магния из раствора и углекислоты из газа вместе с кварцем и разновидностями минералов группы иллита появляется кальцит и доломит. А резкое снижение концентрации большинства ртутных комплексов (исключение составляют
И%С1\ (12,7 мг/кг И20) и Щ0° (4,9 мг/кг И20) приводит к образованию на глубине 17-18 м в твёрдой фазе порошковой ртути (Иg0).
Ниже глинистых сланцев в скважинах на глубинах 21-24 м отмечается водоносный горизонт, представленный трещиноватыми песчаниками, сланцами и алевролитами. Пробы воды, взятые в скважинах, фиксируют величину рH от 6,5 до 7,6.
В кровле водоносного пласта, при движении остатков снеговой воды и растворённых твёрдых частиц по песчаникам и сланцам (когда соотношение между фазами: раствор 11,1 %, газ 34,1 % и твёрдая 54,7 %), в результате взаимодействия образуется устойчивая ассоциация кварца, иллита (аллюминиевого и железистого), кальцита, гей-ландита (появляющегося за счёт высокой активности кальция) и селадонита. В твёрдой фазе по-прежнему присутствует порошковая ртуть, а в газах, по сравнению с вышезалегающим горизонтом, отсутствует С02. Рассматривая поведение ртутных компонентов в растворе, следует заметить, что содержание их заметно снижается. Это объясняется тем, что при взаимодействии раствора с водоносным горизонтом в результате инфильтрации происходит резкое разбавление просачивающихся растворов, и часть компонентов из них уходит в водоносный пласт и загрязняет его.
В подошве водоносного пласта, на глубине 25 м, в песчаниках за счёт увеличения активности К и ^ и повышения рН до 8,1 появляются новообразованные полевые шпаты (калиевый полевой шпат и альбит). Количество твёрдой фазы в системе достигает 79,6 %, газовой 13,7 % и раствора 6,6 %. Углекислота в газах здесь отсутствует полностью, а количество азота возрастает до 91,3 %. Из ртутных комплексов в твёрдой фазе отмечается порошковая ртуть (Иg0), в жидкой ИgO0 (2,4 мг/кг И20), Щ0И+ (0,0001 мг/кг И20) и ИС10 (0,001 мг/кг И20).
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Ниже водоносного горизонта песчаников на глубине 35 м находится водоупор, представленный алевролитами с прослоями песчаников. Количество твёрдого осадка, прореагировавшего с почвой и породами составляет 92,6 %, газа 4,5 % и раствора 2,8 %. При рН 11,1 в ассоциации образуются: кварц, железистый иллит, кальцит, селадо-нит, полевые шпаты, водный цеолит - вайракит и порошковая ртуть. Газовая фаза на 49,6 % представлена азотом. Из ртутных минералов в остаточном растворе фиксируется Н^0й (2 мг/кг Н р)
и в незначительных количествах присутствуют Щ0Н+, ЩС\\ и НС+.
И завершается физико-химическая модель, имитирующая процесс термодинамического взаимодействия снеговой воды, содержащей твёрдые частицы, с почвой и породами при рН 13,5 на глубине 42-43 м, в песчаниках на известковом цементе с прослоями глинистых сланцев. Количество твёрдой фазы в системе на заключительном этапе составляет 97,5 %, газовой 1,5 % и раствора 0,8 %. Твёрдая фаза заканчивается образованием в юрских песчаниках устойчивой ассоциации: кварц, железистый иллит, кальцит, селадонит, калиевый полевой шпат, альбит-анортит, вайракит, гематит. Данная новообразованная ассоциация полностью отвечает исходному составу переработанного твёрдого осадка снегогеохимической пробы.
Обсуждение и выводы
Проведённые нами исследования показывают, что поступившие в атмосферу выбросы от промышленных предприятий и частично от природных объектов (массивов выветрелых горных пород) собираются аэрозолями, вымываются атмосферными осадками и включаются в круговорот в почве, породах, воде.
Тающий снег вместе с содержащимися в нём твёрдыми частицами аэрозолей (включаясь в круговорот) на разных стадиях начинает активно взаимодействовать с почвой, горными породами, водоносным горизонтом. Все стадии сопровождаются определёнными изменениями.
Как показывают наши данные и результаты других исследователей [5], в дерновых лесных почвах, развивающихся на продуктах выветривания бескарбонатных юрских песчаников под сосновыми или смешанными разнотравными лесами, состоящими из дёрнового горизонта и поочерёдно сменяющихся литогенных супесчаных слоёв, вниз
по почвенному профилю наблюдается увеличение рН.
В песчано-глинистых отложениях при взаимодействии с инфильтрующим раствором происходят метасоматические изменения, сопровождающиеся появлением новообразованных вторичных минералов. От поверхности на глубину в песчано-глинистых породах отмечаются проявления следующих процессов: окварцевания, гидрослюдиза-ции, каолинизации, карбонатизации, калишпати-зации и альбитизации.
В верхних горизонтах геологического разреза, где в породах отмечается окварцевание, вся ртуть находится в растворе и её повышенные концентрации до рН 1,6 и Ек 1,1 связаны непосредственно с галогенидными комплексами, но с глубиной в растворе при рН от 2,4 и выше и Ек равном 1 баланс ртути между галогенидными комплексами (которые количественно преобладают), свободной ртутью, окисью и гидратом изменяется.
В средней части геологического разреза в породах отмечается карбонатизация и в растворе прирН 5,5 и Ек 0,9 происходит перераспределение ртути. Это связано с тем, что основное её количество переходит в твёрдую фазу (Hg0), а в растворе в относительно повышенных количествах она отмечается только в нейтральных комплексах
(ща0 и Щ0°).
Далее вниз по разрезу при возрастании щёлочности происходит увеличение содержания ртути в твёрдой фазе и уменьшение её (до полного исчезновения) в жидкой фазе.
Физико-химическое моделирование показало, что в кислой среде, пока ртуть находится в растворе в виде легкорастворимых солей, она представляет наибольшую опасность для загрязнения почв, растений, воды, и только после перехода её в твёрдую фазу при рН 5,5 до водоносного горизонта и дальнейшем увеличении щёлочности с глубиной эта опасность значительно снижается. Так что физико-химическое моделирование позволяет оценить границы распространения ртутных комплексов на глубину и контролировать экологическую ситуацию.
В заключение мне хотелось поблагодарить студентов Терека С.В., Мельникова М.П., Воробьёву Е.С., Дёмину Н.С., которые принимали наиболее активное участие в формировании и расчётах модели.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Иркутской области в 2007 году. Иркутск : Изд-во «Облмашинформ», 2008. 357 с.
2. Антропогенная компонента и баланс ртути в экосистеме Братского водохранилища / Коваль П. В., Калмычков Г. В., Лавров С. М., Удодов Ю. Н., Бута-ков Е. В., Файфилд Ф. В., Алиева В. И. // Докл. РАН. 2003. Т. 388, № 2. С. 225-227.
3. Павлов А. Л. Физико-химическая обстановка миграции и отложения ртути и сопутствующих элементов при низких температурах // Вопросы металлогении ртути. М. : Наука, 1968. С. 53-72.
4. Проблемы ртутного загрязнения природных и искусственных водоёмов, способы его предотвращения и ликвидации : тезисы докл. Междунар. конф.,
13-16 сент. 2000 г., Иркутск / отв. ред. П. В. Коваль, М. И. Кузьмин. Иркутск : Изд. Ин-та геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, 2000. 115 с.
5. Седых Е. С., Зарипов Р. Х. Ртуть в почвах Усольско-го промышленного района (Верхнее Приангарье) // Сибир. эколог. журн. 2002. № 1. С. 21-28.
6. Чудненко К. В. Селектор-Windows. Программное средство расчёта химических равновесий минимизацией термодинамических потенциалов : (кратк. инструкция). Иркутск : Изд. Ин-та геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, 2005. 100 с.
7. Karpov I. K., Chudnenko K. V., Kulik D. A. Modeling Chemical Mass-Transfer in Geochemical Processes: Thermodynamic Relations, Conditions of Equilibria and Numerical Algorithms // Amer. J. Sci. 1997. Vol. 297. Р. 767-806.
УКД 621.879
Булатов Юрий Николаевич,
аспирант, ГОУ ВПО «Братский государственный университет», кафедра «Управление в технических системах», тел. 89501381582, e-mail: bulatovyura@yandex.ru;
Игнатьев Игорь Владимирович, к. т. н., доцент, ГОУ ВПО «Братский государственный университет», кафедра «Управление в технических системах», тел. 8-3953-32-53-57, uts@brstu.ru; Попик Виталий Александрович, к. т. н., доцент, ГОУ ВПО «Братский государственный университет»
кафедра «Системы электроснабжения» тел. 8-3953-32-53-57
МЕТОДИКА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ НАСТРОЕК СИСТЕМ АРЧВ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
U.N. Bulatov, I. V. Ignatyev, V.A. Popik
TECHNIQUE OF SAMPLING OPTIMAL SETTINGS OF POWER STATIONS GENERATORS ARRF SYSTEMS
Аннотация. Разработана методика выбора оптимальных настроек систем автоматического регулирования частоты вращения (АРЧВ) турбин генераторов электростанций. Предложен пассивный подход к идентификации электроэнергетических систем (ЭЭС) в диапазоне частот собственных колебаний системы с применением технологии вейвлет-преобразования. Представлена модель трёхмашинной системы, на которой показана высокая эффективность предложенной методики.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, автоматический регулятор частоты вращения, генератор, турбина, идентификация.
Abstract. The technique of sampling optimal settings of automatic regulator of rotation frequency (ARRF) systems turbines of power stations generators is developed. The passive approach to identification of electropower systems (EPS) in a frequency range of an eigentone of system with application of technology of wavelet-transformation is offered. The model of three-machine systems on which high efficiency of the offered technique is shown is presented.
