научная статья по теме ЗАГРЯЗНЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ТЕРРИТОРИИ Г. КЫЗЫЛА Геология

Текст научной статьи на тему «ЗАГРЯЗНЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ТЕРРИТОРИИ Г. КЫЗЫЛА»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 6, с. 507-517

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

УДК 502/504:519.8

ЗАГРЯЗНЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ТЕРРИТОРИИ г. КЫЗЫЛА

© 2014 г. Л. Х. Тас-оол*'**, Н. Н. Янчат**, А. И. Жданок***, С. А. Чупикова**

*ФГБОУ ВПО "Тувинский государственный университет ", 36, ул. Ленина, г. Кызыл, Республика Тыва, 667000 Россия. E-mail: tgu@tuvsu.ru ** ФГБУН "Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН", 117а, ул. Интернациональная, г. Кызыл, Республика Тыва, 667010 Россия.

E-mail: tikopr@mail.ru

Поступила в редакцию 27.06 .2013 г. После исправления 11.12.2013 г.

Проведено эколого-геохимическое картирование зон загрязнений снежного покрова г. Кызыла с использованием геоинформационных технологий (ArcGIS 9.3). Построена математическая модель процесса распространения дымовых выбросов ТЭЦ. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных диаграмм содержаний загрязняющих веществ в снежном покрове позволяет выявить аномалии и техногенные причины их накопления. На большей части исследуемой территории экологическая ситуация в зимний период характеризуется средней степенью загрязнения дымовыми выбросами (Zc = 64-128). Локальные очаги с высокими уровнями загрязненности (Zc = 128-256) находятся в кварталах частного сектора с печным отоплением, в округе автозаправочных станций и промышленной зоне города.

Ключевые слова: дымовые выбросы, снежный покров, химический состав, геохимическое картирование, загрязнение, математическая модель.

Исследование загрязнений г. Кызыла в зимние сезоны 2010-2011, 2011-2012 гг. основано на данных мониторинга химического состава снежного покрова (далее - СП), обладающего способностью аккумулировать и быть индикатором масштаба и характера антропогенного воздействия дымовых, выхлопных и других выбросов на окружающую среду. Закономерности формирования токсичных накоплений в системе атмосфера - подстилающая поверхность установлены на основе изучения уровней накопления загрязняющих элементов и их ассоциаций в СП, построения и анализа интегральных геохимических карт распределения элементов и математического моделирования путей их распространения.

КЛИМАТ И ИСТОЧНИКИ АНТРОПОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ

Климатические условия территории г. Кызыла. Город расположен в котловине, в долине у слияния двух рек Б. Енисей, М. Енисей в р. Енисей и в окружении холмов с юга и севера; на 01.01.2010 г. - численность населения 110 тыс.

человек. На территории города устойчивый снежный покров держится в среднем до 115 суток, или 3.7 месяца. Средняя температура холодного января -28.6 °С (в крепкие морозы снижается до -52.2 °С), июля +23 °С (в жару поднимается до +43 °С). В 53% зимний период штилевой. Так, в сезон 2010-2011 гг. безветренными были 59.5 суток, в ветреные дни дули преимущественно слабые ветры (скорость ~1 м/с) с востока (37%), северо-востока (34%) и севера (24%) [16].

Ландшафтные и метеорологические особенности территории обусловливают частые температурные инверсии в зимние месяцы, приводящие к скоплению техногенных выбросов в приземном слое атмосферы без уноса на дальние расстояния (рис. 1) и к последующему выпадению загрязнений на подстилающий снеговой покров.

Источники антропогенных выбросов. Источники загрязнений атмосферы - котлоагрега-ты Кызылской ТЭЦ, котельные более 80 малых предприятий, автотранспорт, печи частных домовладений. В топках энергетических установок сжигаются каменные угли Каа-Хемского месторождения, технические параметры углей (мас. %):

Рис. 1. Вид территории г. Кызыла и его окрестностей летом (А) и зимой (Б) 2010 г. по данным http://qlovis.usqs.qov/.

С4* 82.7; Н4* 5.9; О4* 13.1; 1.2; 0.5; W1 1.9; Ай 5.2; Vdaf 35.8. По химическому составу золы (негорючих минеральных компонентов) каа-хемские угли относятся к типу железисто-известковых с повышенным содержанием оксидов железа и кальция (14-24 и 9-24%, соответственно) [13, 14].

Согласно данным Государственного доклада о состоянии окружающей среды Республики Тыва [10], в 2009 г. в атмосферу г. Кызыла поступило 34.465 тыс. т антропогенных выбросов от стационарных промышленных источников (более 50% этих выбросов поставлялись тепловой электростанцией города) и 10.836 тыс. т - от автотранспорта. Мощность выбросов котлоагрегатов ТЭЦ составляла 5.7 т/ч [1, с. 55].

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы исследования - результаты мониторинга химического состава зольных выбросов ТЭЦ и снежного покрова г. Кызыла в 20102012 гг.

Отбор проб зольных уносов и золошлаковых отходов угля на тепловой электростанции проводился в соответствии с ГОСТ 10742-71 [4].

Отбор проб снега осуществлялся в марте месяце (перед началом активного таяния), согласно [9], со всей глубины снегового покрова (средняя мощность 0.23 м), за исключением нижнего 1-1.5-сантиметрового интервала. Выбор точек отбора (далее - т.о.) выполнен в пределах территории города и его окрестностей с учетом рельефа местности и направления розы ветров; интервал отбора 1.2-2.0 км, схема их расположения показана на рис. 2. В качестве фонового участка выбрана местность, не подверженная техногенному воздействию, расположенная в наветренной к ТЭЦ стороне на удалении 14.5 км (т.о. № 5).

Методы исследования. Пробы снеговых выпадений растапливались и центрифугировались для выделения жидкой (талой) и твердой (пылевой) фракций СП [11]. Макрокомпонентный состав талой воды и твердого осадка снега изучался методами титриметрии, турбидиметрии, фотоколо-

Рис. 2. Формирование полей распределения геохимического показателя СП (2С) на территории г. Кызыла и пригорода в зимние сезоны 2010-2011 (А) и 2011-2012 гг. (Б).

рометрии, пламенной фотометрии, потенциомет-рии, гравиметрии. Содержания микроэлементов исследовались методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе "Квант".

Химический состав золоуноса определялся методом силикатного рентгенофлуоресцентного анализа на приборе СРМ-25 и методом атомно-эмиссионного анализа на приборе СТП ПГО-009-84. Аналитические работы выполнены в НОЦ КП ТувГУ, аналитическом секторе Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск) и ФГУ ГСАС "Тувинская".

Суммарное загрязнение снежного покрова ^с) рассчитывалось по формуле

2с = 1с /сф - (п - 1), (1)

где с1 и Сф - содержание загрязнителя в точке опробования и в фоновом участке, п - число загрязняющих элементов. В соответствии с рекомендациями [9] экологическое состояние СП оценивалось по величине Zc с выделением 4-х уровней загрязнения: низкий (32-64), средний (64-128), высокий (128-256) и очень высокий (>256).

Эколого-геохимическое картирование зон

загрязнений снежного покрова осуществлено с использованием геоинформационных технологий (ArcGIS 9.3) интерполирования поверхности по методу взвешенных расстояний (IDW) [15].

Карты распределения суммарного загрязнения Zc, отдельных элементов-загрязнителей, сажи, пыли и их вариаций создавались на основе пространственной базы картографических и метеорологических данных, размещенной в ArcGIS. Геохимические поля уровней концентрирования техногенных накоплений (относительно фоновых значений) отображались в комплектах электронных карт (более 50 картосхем).

Построение математической модели распространения дымовых выбросов. В основу математического моделирования процессов загрязнения атмосферы (снежного покрова) дымовыми выбросами ТЭЦ положено базовое уравнение динамики распространения загрязняющих субстанций, выведенное в модели Г.И. Марчука ([8], глава 1, п. 1.3):

д{ ~dt

+ div u{ + = D{ +f

(2)

где ф = ф(х, у, 2, 0 - функция концентрации аэрозольной субстанции, осевшей на снежный покров в процессе миграции антропогенных выбросов с потоком воздуха; u = ^х, у, 2, {) - векторное поле скорости воздуха; у - величина, характеризующая уменьшение концентрации субстанции; /=Дх, у, 2, 0 - функция интенсивности антропогенных выбросов. Дивергенция uф задается стандартным образом в частных производных первого порядка, дифференциальный оператор В определяется по формуле

д дф 3 дф д дф Вф = — п —1— П —1--V-,

дх дх ду ду д2 д2

где п > 0, V > 0 - горизонтальный и вертикальный коэффициенты диффузии загрязнителя.

Итоговое уравнение математической модели загрязнения г. Кызыла дымовыми выбросами ТЭЦ авторами выведено как частное решение уравнения (2), в котором особенности метеоусловий местности учтены в записях соответствующих функций.

1. В течение практически всего зимнего периода скорость ветра постоянна (не более 1 м/с), на основании чего сделано допущение, что вектор скорости ветра u не зависит от времени. Не зависит от времени и функция интенсивности выбросов загрязняющих веществ /, так как кот-лоагрегаты ТЭЦ работают в постоянном режиме. Следовательно, функция концентрации субстанции ф в уравнении (2) со временем не изменяется, т.е. дф/дt = 0, что соответствует стационарной модели.

2. Зимние ветры дуют преимущественно с востока (северо-востока), и поле скоростей ветра однородно на высотах до 1 км (вихревые значения незначительны). Это позволяет сделать допущение, что основная масса аэрозольных выбросов ТЭЦ перемещается в 3-мерном пространстве в одном направлении и что в математических преобразованиях можно выбирать проекцию вектора скорости ветра только на одну координату (х), исключив другие (у, z). На данном основании и с учетом вывода п. 1, функция векторного поля скоростей ветра u(x,y,z,t) заменена на скалярную константу: u = u = const.

3. Основной и перманентный фактор загрязнения воздушного пространства г. Кызыла - выбросы высоких труб двух соседних котлоагрегатов ТЭЦ (h 80 и 100 м), построенной в восточной окраине города, переносимые потоком восточного ветра в западном направлении. Выхлопы автотранспорта и дымовые выбросы домашних печей, привносимые в воздушное пространство с более низких высот, должны загрязнять атмосферу локально без перемещения на дальние расстояния. Аэрозольные выбросы котельных предприятий не должны переноситься во внутригородские кварталы по причине расположения промышленной зоны в подветренной западной окраине города. На данном основании функция интенсивности выбросов загр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком