Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследований 16
1.1. Географическое положение 16
1.2. Климат 16
1.3. Геологическое строение и рельеф 21
1.4. Гидрологические условия 24
1.5. Растительность 27
1.6. Почвы 29 Выводы 30
Глава 2. Материалы и методы исследований 33
2.1. Современное состояние изученности проблемы 33
2.2. Методический подход к исследованию 41
2.3. Объекты, методы исследования и объем использованных материалов 50
Выводы 59
Глава 3. Закономерности аэротехногенного загрязнения снежного покрова 62
3.1. Оценка влияния техногенного фактора на загрязнение снежного покрова 63
3.2. Оценка влияния метеорологического фактора на загрязнение снежного покрова 66
3.3. Оценка факторов формирования запаса влаги в снежном покрове 75
3.4. Оценка влияния орографического фактора на пространственное распределение содержания загрязняющих веществ в снежном покрове 90
Выводы 112
Глава 4. Количественная оценка распределения концентрации вещества в снежном покрове и жидких осадках во времени и пространстве 115
4.1. Верификация расчетного метода на территории типичного объекта 115
4.2. Определение границы импактной зоны 124
4.3. Оценка факторов интенсивности выпадения загрязняющих веществ на подстилающую поверхность 136
4.4. Связь содержания вещества в снежном покрове с его содержанием в жидких осадках 143
3.4. Оценка уровня концентрации вещества в снежном покрове и жидких осадках регионально - фоновой зоны 151
Выводы 167
Глава 5. Количественная оценка атмосферного выпадения веществ а на подстилающую поверхность во времени и пространстве 171
5.1. Верификация расчетного метода на территории водосборного бассейна 171
5.2. Оценка выпадения вещества на модельном объекте 182
5.3. Пространственная оценка динамики выпадения вещества в зоне локального загрязнения 202
5.4. Пространственная оценка динамики выпадения вещества в регионально-фоновой зоне 208
5.5. Оценка гидрохимического стока загрязняющих вещ еств 214
5.6. Визуализация аэротехногенной нагрузки на модельном водосборе и территории Мурманской области 227
Выводы 250
Глава 6. Количественная оценка дифференциации объема выброса загрязняющих веществ во времени и пространстве 254
6.1. Оценка доли вещества, выпадающей на подстилающую поверхность локальной зоны 254
6.2. Оценка доли вещества, выпадающей на подстилающую поверхность регионально - фоновой зоны 264
6.3. Оценка вымывающей способности твердых и жидких осадков 273
6.4. Оценка вклада «сухих» и «мокрых» выпадений в суммарное 281
содержание вещества на подстилающей поверхности локальной зоны
Выводы 283
Заключение 287
Выводы 294
Литература 302
- Географическое положение
- Объекты, методы исследования и объем использованных материалов
- Оценка влияния техногенного фактора на загрязнение снежного покрова
- Верификация расчетного метода на территории типичного объекта
Введение к работе
В условиях научно-технического прогресса и роста численности населения на планете, действие антропогенных факторов на окружающую человека природную среду в целом усиливается. Выявление в ней возможных изменений, познание условий их возникновения и законов развития становится жизненно важной необходимостью, как основы сохранения природы и нахождения таких форм взаимодействия человека с окружающей средой, которые бы обеспечили их совместное развитие.
Особое внимание следует обратить на экологические проблемы Севера, относящегося к территориям с высокой экологической уязвимостью. На протяжении нескольких десятков лет интенсивное промышленное освоение Севера, в том числе и Мурманской области, направлено на использование природных ресурсов, таких, как цветные и черные металлы, сырье для производства фосфатных удобрений, слюда, газ, нефть, леса, рыба, энергия рек и пр. При этом хозяйственная деятельность ведется, как правило, без учета специфических природоохранных требований и без научной базы по нормированию уровней загрязнения и критических нагрузок на экосистемы для различных климатических зон (Krasovskaya, Yevseev, 2001).
Определение критических (допустимых) нагрузок является одной из наиболее актуальных проблем современной экологии. В ее основе лежит решение сложнейших фундаментальных задач экологии, таких как: механизмы круговорота техногенных элементов, взаимодействие их с природными факторами, представление об устойчивости и адаптационных возможностях природных систем, «норма и патология» их состояния, ранняя диагностика нарушений и «критическая точка» необратимых изменений. Все вышеперечисленные вопросы по праву считаются труднейшими в теоретической экологии, однако без их решения невозможно определить, сколь долго природная среда способна выдержать все возрастающий поток загрязнений (Глазовская, 1984, 1990; Красовская, Светлосанов, 1989).
Несмотря на множество подходов, и взглядов на данную проблему, как в отечественной, так и зарубежной науке, в законченном виде пока такой концепции нет. Однако данная область знаний постоянно совершенствуется, в силу высокой актуальности и практической значимости для экологии.
Интерес к данной проблеме чрезвычайно высок и привлекает внимание многих исследователей (Лукъяненко, 1983, 1987; Израэль, 1979; Израэль и др., 1989; Федоров, 1975; Брагинский, 1981; Научн. осн. контроля качества вод, 1981; Строганов, 1983; Абакумов, 1985, 1991; Никаноров и др., 1988; Научн. осн. биомониторинга..., 1988; Флеров, 1989; Никаноров, 1990; Сидоров, 1983; Волков, Заличева 1991; Михайловский и др., 1991; Warren, 1971; Sladechek, 1973; Cairns, Pratt, 1989; Hokanson, 1992; Henriksen et al, 1992; Critical Loads and Critical Livit Values, 1994).
Выделяются подходы на уровне биосферных оценок (Кондратьев, 1995); геосистемных (Глазовская, 1988; Садыков, 1986; Евсеев, Красовская, 1996) и экосистем-ных (Израэль, 1979; Никаноров, 1990; Воробейчик и др., 1994; Алимов, 1994;
Henriksen etal, 1992; Krasovskaya et al, 1995, 1996 ).
Тот факт, что особенностью промышленного освоения Субарктических регионов является нацеленность на добычу и переработку минерального и топливного сырья, определяет сходные черты форм и характера техногенного воздействия на природу и, соответственно, формирование аналогичных параметров импактных районов. Как правило, наибольшее загрязнение природной среды связано с функционированием предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых и транспортно-энергетических объектов, где обозначились локальные зоны загрязнения. Главными из них являются: Печенга, Никель, Мончегорск, Кировск, Кандалакша, Печора, Воркута, Надым, Норильск, Депутатский, Валькумей, Анадырь (Моисеенко и др., 1997). Для Севера Дальнего Востока характерно наличие небольших по масштабу изолированных импактных зон; освоение Сибирского Севера привело к формированию достаточно крупных импактных районов, таких как Норильский и Депутатский (Евсеев, Красовская, 1997).
По сравнению с зарубежными, российские арктические регионы испытывают значительно большую антропогенную нагрузку. Площади этих приполярных районов различаются незначительно, но современное население российского Заполярья в 4 раза больше, чем зарубежного и его большая часть сосредоточена в индустриальных центрах (Котляков, Злотий, 1989).
Наиболее длительно эксплуатируемым заполярным регионом является Кольский Север, где импактные зоны наибольшие по площади и часто сливаются. Учитывая, что загрязняемые зоны Севера в целом имеют сходный характер техногенных воздействий, где основной вклад в загрязнение ландшафтов вносит горнопромышленный комплекс, а по природным условиям формирования и функционирования геосистемы идентичны между собой, то можно предположить и развитие идентичных антропогенных процессов в этих ландшафтах. В этом случае территорию Кольской субарктики можно принять в качестве модельного региона для исследований.
Наличие на территории Кольского полуострова большого количества предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых, обусловливает исключительно высокую антропогенную нагрузку на природные ландшафты ряда районов, особенно тех, к которым относятся горно-металлургические центры Мурманской области. В результате большого количества выбросов сернистого газа и тяжелых металлов в ат мосферный воздух, в окрестностях гигантов цветной металлургии комбинатов "Пе-ченганикель" и "Североникель" образовались обширные зоны деградации почвенно-растительного покрова от угнетения лишайников до полного разрушения почв и образования техногенных пустошей.
Выбросы в атмосферу Мурманской области и, соответственно, поток загрязняющих веществ в экосистемы, характеризуются многокомпонентным химическим составом. В условиях ограниченности экономических возможностей, важным является, при решении природоохранных задач, вопрос о выделении приоритетных вредных веществ и источников загрязнения. Установление приоритетных веществ и источников загрязнения атмосферы для конкретной территории означает и определение первоочередных задач, направленных на сокращение выбросов и, вместе с экономическими и технологическими возможностями, обусловливает стратегию охраны окружающей среды от загрязнения (Ровинский, 1978; Красовская, 2000).
С учетом санитарно-гигиенического критерия и экологических требований к качеству природной среды, а также токсичности, массовости, возможных масштабов распространения и последствий миграции между средами приоритетными веществами (в составе выбросов местных источников загрязнения атмосферы) на Кольском полуострове в целом являются сернистый газ, никель и медь. Приоритетными источниками загрязнения - комбинаты «Североникель» и «Печенганикель» (Крючков, Макарова, 1989).
Мурманская область характеризуется сложно-пересеченным рельефом. Проблема количественной оценки аэротехногенного загрязнения подстилающей поверхности в горных условиях является сложной и многоплановой, поскольку требует учета множества природных факторов: абсолютных отметок, ориентацию и крутизну склонов, особенностей ветрового режима, типа подстилающей поверхности и расти
тельности, мезорельефа. (Иверонова, 1956; Соседов, 1962, 1967; Северский и др., 1983, 1987; Раткин и др., 1992).
Вопросы влияния природных факторов на пространственное распределение загрязняющих веществ в горных условиях изучены недостаточно. Это связано с необходимостью постановки многолетних и весьма трудоемких натурных наблюдений на репрезентативных площадках, достаточно полно отражающих присущее данному району разнообразие локальных условий загрязнения подстилающей поверхности. Постановка таких работ в настоящее время вряд ли осуществима, и рентабельна.
Поэтому особую актуальность приобретают исследования, направленные на выявление пространственно-временных закономерностей загрязнения субарктических территорий и, на этой основе, разработку расчетных методов, позволяющих адекватно оценить величину аэротехногенной нагрузки приоритетных загрязняющих веществ на подстилающую поверхность за долговременную ретроспективу, а с целью прогноза, и перспективу, не прибегая к полевым работам в условиях сложно-пересеченного рельефа.
Цель работы. На основе оригинальной методики геоэкологических исследований, количественно оценить распределение величины выброса приоритетных загрязняющих веществ (диоксида серы, никеля и меди) на территории субарктического региона во времени и пространстве.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих основных задач: 1. Установить влияние природных и техногенных факторов на пространственное распределение содержания загрязняющих веществ в снежном покрове и жидких осадках в условиях сложно-пересеченного рельефа во времени. 2. Определить границы локальных зон для сульфатов, и тяжелых ме таллов.З. Разработать метод расчета аэротехногенной нагрузки на подстилающую поверхность импактных территорий во времени и пространстве. 3. Установить уровень загрязнения регионально-фоновых территорий во времени и пространстве 5. Оценить долю вещества от годового выброса, поступающую на подстилающую поверхность локальной и регионально-фоновой зоны. 6. Произвести сравнительную оценку вымывающей способности снега и дождя. 7. Оценить вклад «сухих» и «влажных» выпадений в суммарное накопление вещества в снежном покрове и жидких осадках на подстилающей поверхности локальной зоны. 8. Оценить, дифференцированную по сезонам, величину стока загрязняющих веществ в водоемы области. 9. Оценить долю вещества, увлекаемого в дальний перенос.
Методологическая основа. Методологической основой данной работы является системный междисциплинарный подход, объединяющий современные направления географии, геоморфологии, метеорологии, картографии, геоэкологии, охраны окружающей среды, направленный на выявление закономерностей аэротехногенного загрязнения субарктических территорий в условиях сложно-пересеченного рельефа.
Для оценки дифференциации воздушного потока вещества на территории Кольского полуострова, использовался метод типизации природных объектов по орографическим, морфометрическим и растительным признакам, с выделением опытных (модельных) полигонов, позволяющих выявить влияние природных и техногенных факторов на особенности загрязнения снежного покрова и жидких осадков на, сравнительно, небольшой по площади территории.
Благодаря данному подходу, становится возможным экстраполировать результаты исследований на другие типичные объекты в пределах исследуемого региона и, как следствие, на другие типичные регионы Субарктики.
Защищаемые положения.
1. Метод расчета пространственного распределения содержания сульфатов, никеля и меди в снежном покрове и жидких осадках локальной зоны, характеризующейся сложно-пересеченным рельефом, во времени.
2. Протяженность зоны локального загрязнения сульфатами и ТМ определяется особенностями циркуляции атмосферы и характером производственного и технологического процесса, существующего на территории того, или иного субарктического региона. При характерных для Мурманской области климатических условиях и существующей специфике производственного и технологического процесса, протяженность локальной зоны для конкретного элемента одинакова по различным сторонам света относительно источника загрязнения и представляет собой окружность с радиусом 65-70 км для сульфатов и 35-40 км для никеля и меди.
3. Уровень воздушного загрязнения ландшафтов локальной зоны зависит не только от расстояния, объема выброса и распределения направлений ветра по сторонам света относительно источника загрязнения, но, также, определяется орографическим фактором, видовым составом древесной растительности, физико-химическими свойствами загрязняющих веществ, количеством и вымывающей способностью твердых и жидких осадков.
4. Концентрация вещества в снежном покрове и жидких осадков в ландшафтах региональной фоновой зоны не зависит от орографии, расстояния от источника выбросов, распределения ветра по сторонам света и объема выброса вещества в атмосферу, обусловленного внутренними и внешними источниками загрязнения, по, крайней мере, в широком диапазоне этого объема. Во времени уровень воздушного загрязнения ландшафтов зависит от количества и вымывающей способности твердых и жидких осадков, а в пространстве - от видового состава древесной растительности. 5. В зоне локального загрязнения, способность атмосферы к самоочищению наиболее хорошо выражена по отношению к меди, чуть ниже к никелю и еще ниже - сульфатам. В регионально-фоновой зоне лучше выносятся из атмосферы сульфаты, значительно хуже - медь и еще хуже - никель.
Научная новизна. Впервые, на основе долговременных, комплексных физико-географических, метеорологических, гидрохимических исследований, изучены закономерности аэротехногенного загрязнения субарктической территории, характеризующейся низко - и среднегорным рельефом. На примере модельного региона, которым является Мурманская область, показано влияние природных и техногенных факторов на пространственно-временные особенности загрязнения территории сульфатами, никелем и медью.
Впервые разработан метод расчета величины содержания сульфатов, никеля и меди в снежном покрове и жидких осадках во времени и пространстве. Метод позволяет количественно оценить величину поступления приоритетных загрязняющих веществ в экосистемы региона за холодный, теплый и годовой промежуток времени как в ретроспективе, так и перспективе при известных фактических и прогнозируемых объемах выброса от стационарного источника загрязнения. Результаты расчетов реализованы в разработке картографической модели на основе применения современных ГИС - технологий.
Установлена связь содержания вещества в снежном покрове с его содержанием в жидких осадках и связь содержания вещества на подстилающей поверхности вершин и склонов с их содержанием на поверхности равнинных участков. Определены границы локальных зон для сульфатов и тяжелых металлов и установлена величина уровня аэротехногенной нагрузки сульфатов, никеля и меди на территории регионально-фоновой зоны.
Выявлены особенности осаждения загрязняющих веществ на подстилающую поверхность твердыми и жидкими осадками. Определена пространственная динамика уровня загрязнения природных объектов сульфатами и тяжелыми металлами в пределах границ их локальных зон.
Установлена доля вещества, поступающая на подстилающую поверхность локальной и регионально фоновой зоны от годового выброса элемента в атмосферу стационарным источником загрязнения, а, также, поступающая с гидрохимическим стоком в водоемы области от их накопления на площади водосборных бассейнов.
Произведена количественная оценка доли «сухих» выпадений элементов из атмосферы в общей сумме их содержания на подстилающей поверхности. Определена доля вещества, уходящая за пределы региона.
Практическая значимость работы и реализация результатов.
Результаты, полученные на основе исследований, могут быть использованы для:
1. количественной оценки буферной емкости экосистем;
2. количественной оценки способности экосистем к самоочищению;
3. разработки критических нагрузок на экосистемы;
4. оценки запаса влаги в снежном покрове;
5. контроля за выбросами;
6. разработки уровня ПДВ сульфатов и тяжелых металлов;
7. планирования природоохранных мероприятий.
Результаты исследований были использованы: 1) при проведении экологической экспертизы и принятии согласованных природоохранных мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ металлургическими предприятиями (отчет совместной российско-норвежской экспертной группы проблем загрязнения поверхностных вод приграничных территорий между Россией и Норвегией, подготовленный для Министерств экологии России и Норвегии: «Acidification of surface waters, nickel and copper in water and lake sediments in the Soviet-Norwegian border areas»); 2) при разработке ОВОС выбросов и стоков комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» (отчеты: «Оценка влияния комбината «Североникель» на окружающую среду», «Оценка влияния комбината «Печенганикель» на окружающую природную среду»); 3) при написании дипломного проекта в Апатитском филиале Мурманского государственного технического университета на кафедре геоэкологии по теме: «Количественная оценка аэротехногенной нагрузки комбината «Печенганикель» на водосбор озера Куэтсъярви». Работа поддержана фондом РФФИ 03-04-96160 р2003север_а: «Оценка последствий долговременных воздействий малых доз загрязнения на водоемы Кольского севера».
Апробация. Основные положения диссертации доложены на семинаре по проблемам воздушного загрязнения Северных регионов ФЕННОСКАНДИИ, включая Кольский полуостров «Proceedings from the Seminar «Air Pollution problems in the Northern Region of Fennoscandia included Kola», Svanvik, Norway, 1-3 June, 1993), на Международном симпозиуме «Загрязнение водосборных бассейнов в Российской Арктике» (Санкт-Петербург, 20-22 января, 1996), на Всероссийском совещании "Экологические проблемы Севера Европейской территории России" ( Апатиты, 11-15 июня 1996), на Международном симпозиуме "Тяжелые металлы в окружающей среде" (Пущино, 15-18 октября 1996), на Всероссийском совещании и научной выездной сессии «Антропогенное воздействие на природу севера и его экологические последствия» (Апатиты, 22-25 июня, 1998), на Международной конференции. "Экологические проблемы северных регионов и пути их решения. Часть 1"(Апатиты, 31 августа-3 сентября, 2004).
Публикации. Результаты исследований отражены в 33 публикациях, в том числе в 2 монографиях, 12 статьях в центральных отечественных и международных журналах и изданиях, 13 статьях в сборниках и 6 тезисах докладов.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту работы, члену-корреспонденту РАН, первому заместителю по науке Института Географии РАН, д.г.н., профессору [Н.Ф. ГлазовскомуІ, а также всем коллегам, в особенности д.б.н. Н.А. Кашу-лину, д.г.н. В.А. Даувальтеру, д.б.н. А.А. Лукину, д.б.н. Н.В. Лукиной, д.б.н. В.В. Нико-нову, к.г.н. Т.Д. Макаровой за совместную работу и написание статей, предоставленные материалы.
Автор глубоко признателен к.г.н. С.С. Сандимирову за большую помощь в проведении полевых исследований и камеральных работ; к.г.н. Л.П. Кудрявцевой, Н.П. Воеводиной, Г.С. Платоненковой - за выполнение большого объема химико-аналитических работ; Власовой И.В. - за помощь в выполнении картографических работ; Шабловой А.В. - за техническое оформление работы.
Автор глубоко благодарен Советнику губернатора Финмарка по вопросам охраны окружающей среды Перу-Енару Фескебеку за оказание финансовой и технической помощи в исследованиях.
Географическое положение
Район исследований охватывает всю территорию Мурманской области и Северную часть Норвегии до расстояния 180 км на северо-запад от границы Мурманской области с Норвегией, находящуюся под влиянием выбросов медно-никелевых предприятий, расположенных на территории Кольского полуострова.
Мурманская область занимает крайнюю северо-западную часть РФ. В нее входит Кольский полуостров, прилегающая к нему с запада часть материка, полуострова Рыбачий и Средний, а также прибрежные морские острова и острова Кандалакшского залива. Большая часть области лежит за Полярным кругом.
Граница Мурманской области на севере проходит по побережью Баренцева моря, на востоке и юге по побережью Белого моря и частично по границе с Карелией; на северо-западе и западе примыкает к границам Норвегии и Финляндии. Площадь Мурманской области равна 144900 км . Ее протяженность с севера на юг составляет около 405 км и с запада на восток - около 550 км.
Для широт района исследований характерно низкое стояние солнца, круглосуточные полярные дни летом, продолжительные ночи и короткие полуденные сумерки зимой. Число круглосуточных полярных дней на севере исследуемой территории, в среднем, составляет 72 суток за лето, а на юге Мурманской области - 17 суток. За счет белых ночей (летних полярных сумерек) продолжительность светлого периода со ставляет 79 суток на юге и 107 суток на севере. С увеличением абсолютной высоты места продолжительность светлого периода увеличивается.
В целом режим солнечной радиации характеризуется резко выраженным годовым ходом и чрезвычайно сглаженными суточными изменениями. Вместе с тем в летнее время сумма тепла солнечной радиации является более высокой, чем под Санкт-Петербургом.
Зимой прямая солнечная радиация имеет нулевое или почти нулевое значение. Эти особенности выражены тем резче, чем севернее находится географический пункт и чем меньше его абсолютная высота.
Для района исследований, как и для всей субарктики, в радиационном режиме характерна малая протяженность прямой солнечной радиации. Значительно сокращает величину прямой радиации обычная для области большая облачность, частые туманы и высокая относительная влажность воздуха. Поэтому в радиационном режиме преимущественное значение имеет рассеянная радиация. Годовой радиационный ба-ланс составляет 20-30 ккал/см . На долю рассеянной радиации приходится 55-65% в суммарном приходе тепла (Яковлев, 1961). Число дней с туманами зимой и летом одинаковое и в среднем составляет 16 дней за каждый сезон.
Характерной особенностью погоды является ее неустойчивость и резкая изменчивость, обусловленная частой сменой воздушных масс, а также перемещением циклонов и фронтов. Особенно резкие изменения погоды наблюдаются вблизи морских побережий. В глубине территории погода является более устойчивой. В целом климат может быть определен как морской. В Центральных и западных частях Мурманской области прослеживаются черты континентального климата. Зимой температуры воздуха понижаются с севера на юг и с востока на запад. Летом температурный градиент имеет, в общем, противоположное направление.
Изменение температур происходит также и с высотой. В горах летние температуры воздуха понижаются в среднем на 0,5 на каждые 100 м высоты. Иногда, впрочем, наблюдаются температурные инверсии, когда с поднятием происходит повышение температуры. Это явление свойственно горным районам и особенно часто выражено в холодный сезон, а также в ночные часы.
Средняя месячная температура воздуха испытывает значительные годовые колебания. Наиболее низкая температура наблюдается в феврале, а местами и в январе. В эти месяцы она колеблется от -5 до -9 на Мурманском побережье, от -10 до -14 в остальной части области. В отдельные дни зимой температура воздуха может опускаться до 35 - 40 мороза, а летом - повышаться до 30 тепла. Наиболее высокая температура наблюдается в июле, а на побережьях - местами и в августе: на Мурманском побережье от +9 до +10 и в других районах области от +11 до +14. Средняя годовая температура по области равна -0.5, температура июля +12.3.
Район исследований полностью относится к району избыточного увлажнения за счет преобладания выпадающих осадков, годовая сумма которых не очень большая, над их испарением.
Объекты, методы исследования и объем использованных материалов
В качестве объектов исследования выступали ландшафты Кольского региона, типизированные по рельефному и растительному признакам (рис 2.1). Для выявления влияния природных и техногенных факторов на пространственное загрязнение снежного покрова использовался ландшафтно-бассейновый подход с выделением опытных (модельные) полигонов (см. рис 2.1). Основным модельным полигоном для оценки загрязнения импактных территорий выступала зона, находящаяся под воздействием комбината «Печенганикель», а также водосбор озера Чунозеро.
В пределах модельных полигонов выделялись элементарные ландшафты в ранге фаций и типизировались по типу и высоте рельефа, крутизне склонов, видовому составу растительного покрова. Типизация ландшафтов производилась осенью перед установлением снежного покрова, с целью достижения наиболее достоверной типизации. По абсолютной высоте, высотные отметки вершинных ландшафтов не превышали 250 - 400 м; склоновых - 130 - 200 м с типичной для района исследований кру тизной склонов 15 - 20. Каждый тип ландшафта исследовался многократно, в течение ряда лет, на разных расстояниях и направлениях от источника выбросов.
Отбор проб снега в типизированных ландшафтах производился весовым снегомером ВС - 43 (Наставление...., 1985) на полную глубину снежного покрова. В средней части ландшафта на площади не менее 150 х 150 м отбирались три пробы снега по вершинам равностороннего треугольника. Весовым снегомером определялась его плотность. Расстояние между пробами составляло 25 м. Три пробы объединялись в одну. Из трех измерений плотности снега вычислялось среднее. Промеры высоты снежной толщи производились разборным металлическим щупом размером 3 м, в углах квадратной сетки с шагом 25 м (рис. 2.2).
За полчаса до отбора пробы снегомер выдерживался на открытом воздухе, чтобы он принял его температуру с целью исключения прилипания снега к стенкам цилиндра при отборе пробы. При определении плотности снега цилиндр снегомера касался только поверхности почвы или притертой к ней ледяной корки и не входил острым торцом в землю. При наличии наста и ледяных прослоек внутри снежного покрова они аккуратно «пропиливались» путем поворачивания цилиндра снегомера вокруг оси. Если высота снежного покрова не превышала 60 см, то снег прорезался до поверхности земли.
Если высота снежного покрова превышала высоту цилиндра снегомера, то весь столб снега брался не в один, а в несколько приемов. При этом каждый раз снег вокруг погруженного цилиндра расчищался со всех сторон, так как иначе снег мог осыпаться на то место, на которое в дальнейшем ставился цилиндр для очередного погружения в нижележащий слой снега. В каждый следующий прием проба бралась от той поверхности, на которой была срезана предыдущая проба.
После погружения цилиндра в снег, производился отсчет высоты снежного покрова по шкале цилиндра (h) с точностью до одного сантиметра. Затем надевалась крышка на верхний край цилиндра, деревянной лопаточкой с передней стороны цилиндра отгребался снег, после этого лопаточка подводилась под нижний край цилиндра. Цилиндр вынимался из стенки шурфа с прижатой к нижнему краю лопаточкой и переворачивался отгоченным (зубчатым) краем вверх. Встав спиной против ветра и держа весы на одном уровне с глазом, груз передвигался по линейке весов до тех пор, пока не устанавливалось равновесие. После этого производился и записывался отсчет по шкале линейки весов (т), а снег высыпался из цилиндра снегомера в полиэтиленовый пакет для последующего проведения гидрохимического анализа.
Плотность снега вычислялась по формуле: d = m/10h, (2.2) где d - плотность снега, г/см"1; m - отчет по линейке весов снегомера, г; h - отсчет по шкале цилиндра снегомера, см; 10 - площадь цилиндра снегомера, см (Наставление...., 1985). Для определения запаса воды в снежном покрове измерялась его высота через каждые 25 метров (см. рис. 2.2). Запас влаги вычислялся по формуле: W =10h4 (2.3) h1 - средняя высота снега на площади ландшафта (Наставление...., 1985).
Гидрохимическое опробование снежного покрова производилось в конце марта -начале апреля (в период максимального снегонакопления).
Отбор проб жидких осадков осуществлялся с помощью полиэтиленовых бутылей, емкостью три литра. Бутыли устанавливались в апреле на участках поверхности, лишенного снежного покрова, закапывались в землю, причем горлышко каждой бутыли выступало над уровнем земной поверхности на 3-5 сантиметров. На горлышках бутылей закреплялись пластмассовые воронки для сбора жидких осадков. Для исключения попадания в бутыли посторонних тел (растительной и животной органики, частичек пыли и песка, переносимых ветром и др.) в нижней части воронки закреплялся марлевый экран. С целью обеспечения свободного поступления дождевой воды через марлевый экран в бутыль, он, из-за возможного «забивания», раз в декаду заменялся. Перед установлением снежного покрова, в конце октября, бутыли снимались и доставлялись в химическую лабораторию для определения концентраций сульфатов и никеля и меди в жидких осадках за теплый период года (апрель-октябрь).
Оценка влияния техногенного фактора на загрязнение снежного покрова
К основным факторам, определяющим интенсивность и степень аэротехногенного воздействия на компоненты окружающей среды, следует отнести, в первую очередь, особенности источника воздействия, объем и фазовый состав выброса загрязняющих веществ, продолжительность воздействия.
Комбинат "Печенганикель" расположен на северо-западе Мурманской области, плавильный цех которого находится в поселке Никель, а цех обжига - в городе Заполярном, расположенном в 25 км на восток от поселка Никель. Комбинат представляет собой две раздельные промышленные площадки размером 1.5 х 1.5 км, на которых сосредоточены: агломерационная фабрика, цехи отражательных печей для получения штейна, цехи выплавки и рафинирования металлов, сернокислотные цехи. Основная продукция комбината - никель и медь, в меньшем объеме вырабатывается серная кислота и целый ряд сопутствующих элементов. Источниками выбросов являются трубы высотой 50-150 м, аэрационные фонари, открытый сброс шлака в отвал, транспортный и дробильный цехи.
Переработка Печенгских сульфидно-никелевых руд началась в 1946 г . в поселке Никель. В 1959 г. развернулась добыча руд Ждановского месторождения и их переработка на заводе в г. Заполярном. В настоящее время комбинат "Печенганикель" почти полностью работает на привозных высокосернистых Норильских рудах.
Таким образом, загрязнение снежного покрова в Печенгском районе происходит от двух источников загрязнения, имеющих трубы, высотою 50-150 метров.
Для поселка Никель и города Заполярный (как в целом и для всей территории исследований) приоритетными загрязнителями атмосферного воздуха являются сернистый газ, никель и медь (Крючков, Макарова, 1989). Большой объем выбросов этих веществ в атмосферу приводит к повышенному загрязнению воздуха, растительности, почв, природных вод на значительных расстояниях от комбината. Динамика выбросов диоксида серы, никеля и меди за период 1973-1997 гг. показана в таблице 3.1.
Сера поступает в атмосферу в газообразном состоянии. В результате окисления двуокиси серы в атмосфере образуется серная кислота в виде мелких капелек диаметром от 0,1 до 1,0 мкм или на твердых частицах диаметром менее 1,0 мкм (Крючков, Макарова, 1989). Сернистый газ также образует серную кислоту при взаимодействии с каплями облаков и атмосферных осадков. Присутствие в воздухе катионов обусловливает дальнейшее превращение серной кислоты в сульфаты.
Атмосферные осадки переносят на подстилающую поверхность продукты превращения сернистого газа - сульфаты. В условиях сухой погоды происходит выведение молекул двуокиси серы, аэрозолей серной кислоты и сульфатов из атмосферы при их контакте с подстилающей поверхностью, т.е. сухое поглощение. Суммарный эффект двух процессов - вымывание осадками и сухое поглощение - определяет поступление на подстилающую поверхность антропогенной серы в составе сульфат-иона (Кислотные дожди, 1983).
Тяжелые металлы поступают в атмосферу в виде аэрозольных частиц. Среднее значение радиуса частиц сильно варьируют от менее 0,5 мкм, до более 15 мкм. С приближением к источнику воздействия количество крупных частиц в единице объема воздуха возрастает. На расстоянии 10 км от источника выбросов металлов в атмосферу, по направлению преобладающих ветров, в атмосферном воздухе присутствуют частицы, средний радиус которых составляет 15-20 мкм, причем содержание частиц меди с такими размерами в единице объема воздуха в два раза выше, чем никеля (Kelleyetal, 1995).
Выведение из атмосферы частиц меди и никеля происходит в результате «сухого» осаждения, под действием сил гравитации и инерции (Дунский, 1965), и влажного в результате вымывания твердыми осадками. Крупные частицы тяжелых металлов, не обладая высоким подъемом, выпадают не далеко от источника выбросов: в пределах 5-Ю км. На расстоянии более 10 км от источника, наличия частиц меди и никеля в атмосферном воздухе со средним радиусом 15-20 мкм уже не наблюдается. Здесь присутствуют частицы, средний радиус которых составляет 2-5 мкм и менее (Kelley et al., 1995).
Верификация расчетного метода на территории типичного объекта
Выше упоминалось, что импактная зона комбината "Печенганикель" рассматривалась как опытный (модельный) полигон для изучения закономерностей пространственного распределения содержания вещества в снежном покрове. На основании чего предусматривалось, что разработанный метод расчета концентрации вещества в снеге может быть применен и на других территориях области, которые по своим физико-географическим и климатическим условиям идентичны условиям Печенгского района.
Учитывая, что для Мурманской области приоритетными загрязнителями природной среды являются диоксид серы, никель и медь, годовая эмиссия которых в атмосферу области, в основном, приходится на два гиганта цветной металлургии - комбинаты «Печенганикель» и «Североникель», - произведена оценка возможности определения их содержания в снежном покрове на территории Мончегорского района с использованием расчетного метода.
Месторождения медно-никелевых руд в Мончегорском районе были открыты в начале тридцатых годов в Монче-тундре: в горах Ниттис-Кумужье, Сопчаайвенч, Нюдаайвенч. На базе богатого жильного месторождения в 1935 году началось строительство рудника "Ниттис-Кумужье" и комбината "Североникель". В 1938 году выдана первая плавка чер нового никеля. В 1940 г. получен первый электролизный (чистый) никель. Сегодня комбинат "Североникель" (так же как и "Печенганикель") входят в состав акционерного объединения "Никель". К настоящему времени запасы богатых медно-никелевых руд месторождения Ниттис-Кумужье отработаны и рудник закрыт. Сырья, которое дает комбинат "Печенганикель", недостаточно для загрузки производственных мощностей комбината "Североникель", поэтому сюда доставляется для переработки руда с Норильского горнометаллургического комбината. Медно-никелевые руды - комплексное сырье. Комбинат "Североникель" извлекает из нее никель, медь, кобальт, драгоценные металлы, селен, теллур, серу. Из отходящих сернистых газов на комбинате производят серную кислоту. На базе переработки металлургических шлаков на этом же предприятии работает цех шлаковат-ных изделий.
Источниками выбросов, также как и на ГМК «Печенганикель», являются трубы высотой 50-150 м, аэрациопные фонари, открытый сброс шлака в отвал, транспортный и дробильный цехи.
Анализ физико-географических условий Мончегорского и Печенгского районов показывает, что они во многом идентичны. Оба района характеризуются низко - и средне -горным 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.
В обоих 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). Тем не менее, климатические показатели районов мало отличаются друг от друга (табл. 4.1).
