CC BY
47
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ НА ЛЕСНЫЕ БИОГЕОЦЕНОЗЫ
А.И. Курбатова, А.М. Тарко
Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское ш., 8/5, 113093, Москва, Россия Вычислительный центр им. А.Н. Дородницына РАН, ул. Вавилова, 40, 119991, Москва, Россия
В данной статье представлена математическая модель воздействия атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии на лесные биогеоценозы. Объектом приложения модели являются два региона сильного техногенного воздействия металлургических комбинатов, расположенные в подзонах северной и южной тайги.
Анализ проблемы. Постановка задачи. Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро 1992 г. приняла «Заявление о принципах, касающихся управления, защиты и устойчивого развития всех видов лесов, жизненно необходимых для обеспечения экономического развития и сохранения всех форм жизни». Данные принципы рекомендуют избегать практики, ведущей к деградации лесов, а также проводить контроль за загрязняющими веществами, в частности за кислотными осадками, которые наносят ущерб лесам [1].
В промышленно развитых странах лесные биогеоценозы испытывают стрессовые воздействия от атмосферных выбросов токсичных веществ. Для оценки и прогноза воздействия аэровыбросов на лесные биогеоценозы в данной статье рассматриваются предприятия цветной металлургии.
Влияние металлургических комбинатов распространяется на лесные территории радиусом в несколько километров, непосредственно примыкающие к заводу, а также полосу леса длиной в несколько километров по направлению господствующего ветра. В зависимости от мощности источника выбросов, местных метеорологических условий, рельефа местности и чувствительности растений воздействие загрязнителей может сильно варьировать.
В данной статье представлена иммптационная модель воздействия выбросов металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы. Измененение биологического разнообразия лесных биогеоценозов в условиях промышленной нагрузки наблюдалось в разных эколого-климатических зонах.
Для анализа и оценки воздействия атмосферных загрязнителей металургиче-ских комбинатов на лесные биогеоценозы авторы статьи рассматривают два предприятия цветной металургии («Северомикель» и Карабашский медеплавильный комбинат), запущенные в действие более полувека назад. Состояние природных систем в их окрестностях отражает полный спектр стадий дигресси-онной сукцессии [2|. В табл. 1 приведена краткая характеристика источников выбросов, размеры видимой зоны дигрессии (зона влияния несомненно шире), зональность района и исследуемые типы растительных ассоциаций, имеющие наибольшую представительность для района исследований.
Основную массу загрязняющих выбросов комбината «Североникель» составляет сернистый ангидрид и металлосодержащие пыли. Состав антропогенной пыли, поступающей в атмосферный воздух в ходе работы Карабаш-
ского медеплавильного комбината, включает в себя сернистые соединения, а также микрочастицы тяжелых металлов.
Таблица 1
Характеристика обі.елто» исследований [2]
Источник выбросов Основ- ные выбросы Зона д и греси и, кв. км | Зональность ] Основные представители растительных ассоциаций
«Североникель» (г. Мончегорск, Мурманская область) БО^, Си, Г1 ыль. №. 1200 [ Подзона Северной Тай п і (Ко-; льский полуостров) Ріпік зуІУейгіБ ээр. Ьарропіса, Рісеа Ыхмйа и Р. Геппіса, Вешіа риЬекжік ар. БиЬагсйса и В. риЬезсеге кр. Шиозд
Карабашский медеплавильный комбинат (Челябинская область) эо2, пыль 250 Ползона Южной 1 Тайги (Южный ; Урал) Вегиіешт йеііхкит, РіпеШт ІіеіЬсбит
Модель воздействия загрязнения на лесные биогеоценозы. Для получения пространственной картины деградации биогеоценозов строилась сетка по восьми направлениям с узлами в каждом направлении. Шаг сетки составлял
0,5 км. В каждом узле сетки с помощью модели переноса, разработанной раннее авторами статьи, рассчитывалось значение концентрации загрязнителя и рассматривалось его воздействие на разновозрастной древостой. Предполагалось, что древостой состоит из возрастных групп по 1 году возрастом от 20 до 120 лет. Считалось, что в каждом узле сетки находятся деревья различных возрастных групп, конкуренция между деревьями отсутствует.
Производилось моделирование действия загрязнений для трех пород деревьев. В основе модели лежит новый вариант модели [3]. Учитывается, что масса каждого дерева растет с его возрастом до достижения некоторого насыщения, определяемого породой древостоя п климатическими характеристиками, связанными с географическим положением. Годичная продукция дерева нелинейно зависит от его массы и величины загрязнения. Загрязнение тормозит рост дерева, действуя на годичный прирост вплоть до полной остановки роста, приводящей к гибели дерева. Предполагается, что каждый год рождаются новые деревья.
Ф-= (рХ° -ьх).^- Ц Р?)
л 'Л (1)
где X — надземная масса одного дерева (воздушно-сухая масса) возраста
г (г =20,21,...,120 лет), р - величина загрязнения, а, Ь, а,у — коэффициенты, которые необходимо подобрать так, чтобы реальная действительность описывалась достаточно с наибольшей точностью. При этом /? — коэффициент, характеризующий силу действия загрязнения.
Модель разрабатывалась в два приема. Сначала для каждой породы была идентифицирована модель без учета влияния загрязнения, а затем — с учетом их действия.
Поскольку в модели рассматривается одно дерево (усредненный по всем деревьям запас древесины), то считается, что дерево самовольно не отмирает, то есть коэффициент Ь приравнивается к нулю.
Таким образом, модель теперь представляется в виде системы уравнений (одного дифференциального и одного алгебраического):
/ ^
\ _ 1 max
>■* <?(0 е '/_
р = £ • -------poss (])■-------7-
I и ^ (2).
Необходимо подобрать коэффициенты а, а,/3,у так, чтобы они как можно точнее описывали происходящее в реальной жизни.
Задача идентификации этих параметров решалась с помощью программы на ЭВМ в интегрированной среде Delphi-6 на языке OBJECT PASCAL в операционной системе Windows ХР, которая позволяла рассчитывать параметры сначала для описания роста дерева в отсутствие загрязнений, а затем — при действии загрязнений.
Модель роста растительности в отсутствие загрязнений. Для идентификации модели в отсутствие загрязнений использовались данные Н.И. Казимирова и P.M. Морозовой [4]. Поскольку измерения нормального роста производились в одном климатическом регионе, а действие загрязнений было в другом, то для каждой из пород строилась линия регрессии, а затем она «нормировалась» на величину максимальной массы дерева в регионе, подверженном загрязнению. При этом сравнивались массы дерева в максимальном возрасте на большом расстоянии от источника загрязнения («фон»), где действие загрязнений практически отсутствует, и в данных Н.И. Казимирова. Затем значения масс всех возрастов в регионе, подверженном загрязнению, умножались на соответствующий коэффициент.
С разной степенью точности были получены следующие результаты (табл. 2,3):
Таблица 2
Значения параметра а при услови ч. что параметр СС =0,6 фиксирован
Порода дерева а а Точность, %
Ель в «Североникеле» 0.115 0.6 59
Сосна в «Североникеле» 0.165 0.6 49
Сосна в «Карабаше» 0.213 0.6 49
Береза в «Карабаше» 0.323 0.6 22
Таблица 3
Значения параметра а при условш , что параметры а и (X варьируются
Порода дерева а а Точность, %
Ель в «Североникеле» 1.350 0.123 34
Сосна в «Североникеле» 1.125 0.167 24
Сосна в «Карабаше» 1.869 0.168 24
Береза в «Карабаше» 0.766 0.391 8
Моделирование роста растительности в режиме действия загрязнения. После определения параметров модели з отсутствие загрязнений производилась идентификация модели при наличии загрязнений. Для того чтобы «включить» действие загрязнений, необходимо было сделать параметр /3 отличным от нуля. Действие загрязнения описылается коэффициентами /? и/.
С разной степенью точности были получены следующие результаты (табл. 4,5):
Таблица 4
Значения параметра (3 при условии, что параметр у —2 фиксирован
Порода дерева Р г Точность, %
Ель в «Североникеле» 0.0000000792 2 37
Сосна в «Североникеле» 0.0000002116 2 34
Сосна в «Карабаше» 0.0000000001 2 97
Береза в «Карабаше» 0.000000001 2 81
Таблица 5
Идентификация модели в случае, когда параметры /3 и у варьируются
Порода дерева Р 7 Точность, %
Ель в «Североникеле» 0.0000014112 1.636 37
Сосна в «Североникеле» 0.0000000879 2.122 34
Сосна в «Карабаше» 0.0000005 1 97
Береза в «Карабаше» 0.0000005 0.901 81
После проведения идентификации параметров модели были получены следующие данные, которые привели к картинам распределения биомассы:
1. Ель в «Североникеле» (рис. 1).
Таблица 6
Параметры загрязнения
а а Р 7 Точность, %
0.115 0.6 0.0000000649 2 35
2. Сосна в «Североникеле» (рис. 2).
Таблица 7
Параметры загрязнения
а а Р 7 Точность, %
1.125 0.167 0.0000000879 2.122 33
3. Сосна в «Карабаше» (рис. 3).
Таблица 8
Параметры загрязнения
а а Р 7 Точность, %
1.869 0.168 0.0000005 1 97
4. Береза в «Карабаше» (рис. 4). Параметры загрязнения Таблица 9
а а Р 7 Точность, %
0.766 0.391 0.0000005 0.901 81
Чо-
10
5
С)
-5
-10<
-15І
&ш))Н
сР
ТГо -5 о ' ' ~5_~..... Го
40-летние деревья
70.00 -
80-летние деревья
20
20т-
I 5
10
5
0 -5
-10
-15
~2Ц
20-1 5
1 С)
5
-1()|
-15!
ібгтаз
100-летние деревья
- і 5 -10 -5 О 5 10 15 20
60-летние деревья
10 15 20
Рис. 1. Распределение биомассы деревьев (ель) в районе комбината «Североиикель» при параметрах из табл. 6
-20І-- --20
20
15
10
5
О
-5
-10
-15
-20,
-10 -5 0 5 10
50-летние деревья
1)1! і і
15 20
20;-----------
|
15!
10
5 О -5
-10|
і
-15;
‘-20
15 20
20,—
і
Ы
101
5І
0І
-з!
-ю
-15
-20
-15
6^'
-10...-5 О 5 10
60-летние деревья
165;00"
-Ю -5 О 5 10
100-летние деревья
15 20
15 20
-15 -10 -5 0 5 10
80-летние деревья
Рис. 2. Распределение биомассы деревьев (сосна) в районе комбината «Североникель» при параметрах из табл. 8
'*Ь~
-10 -8
10 8 6 4 2 0--2 -4 -6 -8
31'V —-------В6-74--
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
50-летние деревья
* • %
^ - 1 * — 1б8.за -
-10-8 -6 -4 -2 0
4 ■ 2! о! -2І
'4І
-61
" --і;
•а
___93.20-
_1?10 -8 -6 -4-2 О 2 4 (Г~ 8~ 10
60-летние деревья
- АО^ ®й
.____ . 403.72- -
-6 -4 -2 О 2
80-летние деревья Рис. 3. Распределение биомассы деревьев (сосна) в
из табл.
100-летние деревья районе комбината «Карабаш» при параметрах
8
... ва.57---------
6
4
2
О
-2
-4
-6
-8І
10
8
6
4
2
О
-2
-4
-6
-8
-10
' ®в.б7
-
- вв.57 -
-2 0 2 4 6
40-летние деревья
■ь..
___ЭЛА-в'' ‘
"э71
ФЪ'
... Л65.90
/
-2 О 2 4 6 8 10
60-летние деревья
•'-403.1 в
^1®
Авз.-Н;;
“^1.-Д93.А6
-“10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
80-летние деревья Рис. 4. Распределение биомассы деревьев (сосна) в
из табл.
-1 0,1
ю -8 -6 -4 -2 О
8 10
1 ОО-летние деревья районе комбината «Карабаш» при параметрах
9
Выводы. Авторами статьи была разработана пространственная модель воздействия атмосферного загрязнения металлургических комбинатов на лесные биогеоценозы с учетом трех лесообразующих пород: ель, сосна и береза.
Показано, что при одинаковых природных условиях сосна в наибольшей степени подвержена действию загрязнения, в меньшей степени ему подвержена ель, береза самая выносливая из трех пород. Чем севернее находится порода дерева, то есть, произрастает в менее благоприятных условиях, тем в большей степени она подвержена действию загрязнения.
Работа поддержана РФФИ (грант 05-01-00649).
ЛИТЕРАТУРА
1. Программа действий. Повестка дня на 21 век и другие документы конференции в Рио-де-Жанейро в популярном изложении. Центр за наше будущее. - Женева, 1993.- 70с.
2. Черненъкова Т.В. Реакция лесной растительности на промышленное загрязнение. - М.: Наука, 2002. - 191 с.
3. Тарко А.М., Быкадоров А.В., Крючков В.В. Моделирование действия атмосферных загрязнений на лесные экосистемы в регионе. Доклады Академии наук, 1995. - т. 341, № 4. - С. 571-573.
4. Казимиров Н.И., Морозова P.M. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. — Л.: Наука, 1973.
MODELING OF IMPACT OF METALLURGICAL PLANT ATMOSPHERIC CONTAMINATIONS ON FOREST BIOGEOCENOSES A.I. Kurbatova, A.M. Tarko
Ecological Faculty, Russian Peoples ’ Friendship University, Podolskoye shosse, 8/5, 113093, Moscow, Russia Dorodnitsyn Computing Center, Russian Ac.Sc.,
Vavilov Sir., 40, 119991, Moscow, Russia
The paper contains a description of mathematical model of the damaged forest area in surroundings the metallurgical plant. The model has been applied to the regions of Russian North and South Taiga.
