На правах рукописи
Филаретова Алла Николаевна
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
НА КОМПОНЕНТЫ ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ
25.00.36 – геоэкология
(Науки о Земле)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова кандидат биологических наук, доцент
Научный руководитель:
Кречетов Павел Петрович доктор биологических наук, профессор,
Официальные оппоненты:
Снакин Валерий Викторович, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, руководитель отдела экологии, заведующий лабораторией ландшафтной экологии кандидат географических наук, Гуров Анатолий Федорович, Государственный университет по землеустройству, доцент Институт водных и экологических
Ведущая организация:
проблем СО РАН
Защита состоится «» мая 2013 года в на заседании диссертационного совета Д 501.001.13 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, главное здание, географический факультет, 18-й этаж, аудитория
С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/), а также на официальном сайте ВАК (http://www.vak.ed.gov.ru).
Автореферат разослан «» апреля 2013 г.
Ученый секретарь Горбунова И.А.
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В настоящее время твердое топливо применяется для широкого спектра ракетных двигателей. По истечении срока служебной пригодности или вследствие разоружения проводится ликвидация ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ, твердотопливных ракет). В России в качестве основного метода утилизации РДТТ рассматривается бессопловое сжигание (прожиг), которое проводится на производственных комплексах, расположенных в г. Бийск (ОАО «ФНПЦ «Алтай»), г. Пермь (ОАО «НИИПМ») и г. Красноармейск (ФКП «НИИ «Геодезия»). Горение топлива сопровождается сложными и многочисленными химическими реакциями с образованием газообразных и мелкодисперсных твердых веществ. Основную массу продуктов сгорания составляют соляная (хлористоводородная) кислота и окись алюминия.
Соляная кислота, поступая в почву, повышает ее кислотность, что вызывает ряд изменений как химических свойств самих почв, так и состояния растительности.
Кроме того, есть сведения о неполном сгорании перхлората аммония – вещества второго класса опасности (Справочник…, 1999), приводящем к его поступлению в природные ландшафты (Экологические проблемы…, 2000).
Исследования проблемы утилизации РДТТ носят разнонаправленный характер. Основная масса работ посвящена особенностям горения различных топлив и разработке безопасных способов утилизации зарядов (Высокоэнергетические материалы…, 2005, 2007, 2008, 2010, 2012). Оценка экологических последствий сжигания РДТТ сводится, преимущественно, к мониторинговым исследованиям состояния экосистем территорий, прилегающих к стендам (Кречетов и др., 2008, Пузанов и др., 2008, Батракова и др., 2008).
Отдельный блок работ направлен на моделирование формирования и рассеивания облака продуктов сгорания (Ворожцов и др., 2005, Суслонов и др., 2005, Технические…, 2009). В то же время, широко распространены работы по исследованию техногенного воздействия кислотных осадков на компоненты экосистем (Заиков и др., 1991, Почвенно-экологический…, 1994, Копцик и др., 1998, Кислотные…, 1999, Взаимодействие…, 2001, Ливанцова, 2006 и многие др.).
В связи с этим, представляется необходимой комплексная оценка степени техногенного воздействия продуктов сжигания твердого ракетного топлива, которая, основываясь на анализе устойчивости экосистем, позволила бы определить уровень допустимой нагрузки в зонах влияния стендов по утилизации РДТТ.
Целью работы является определение степени техногенного воздействия и оценка уровня допустимой антропогенной нагрузки на южно-таежные экосистемы при утилизации твердотопливных ракет.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• оценить степень загрязнения компонентов экосистем в результате утилизации твердотопливных ракет с учетом исходной дифференциации природных условий;
• определить уровень допустимого воздействия загрязняющих веществ на экосистемы, используя концепцию критических нагрузок и экспериментальное лабораторное моделирование;
• оценить вероятность атмосферных выпадений продуктов сгорания методами математического моделирования;
• выявить экосистемы, наиболее подверженные риску загрязнения продуктами сгорания твердого топлива, исходя из природно-климатических особенностей территории.
Материалы и методы исследований. Объектом диссертационных исследований являются экосистемы в зоне влияния предприятия по утилизации РДТТ, находящегося в Пушкинском районе Московской области вблизи города Красноармейск (на территории ФКП НИИ «Геодезия»). В работе применен комплекс методов, включающий полевые исследования, химический анализ, статистическую обработку данных, экспериментальное лабораторное и математическое моделирование, применение ГИС-технологии. Автор принимал непосредственное участие во всех этапах проведения исследований. Полевые исследования проведены в период 2007 – 2010 гг. Было отобрано 20 проб атмосферного воздуха, 40 проб снежного покрова, 29 проб поверхностных вод и 524 пробы почв (поверхностные и по генетическим горизонтам). Проведено описаний почвенно-растительного покрова, выполнено 16 укосов надземной фитомассы. Химико-аналитические работы проведены на географическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова и в Центре гигиены и эпидемиологии № Федерального медико-биологического агентства (ФМБА). Методами математической статистики проведен анализ результатов мониторинговых наблюдений. Выполнены расчеты критических кислотных нагрузок на южнотаежные экосистемы, верифицированные в ходе лабораторного эксперимента.
Количественные параметры возможного воздействия получены с помощью математического моделирования процесса перемещения облака продуктов сгорания и выпадения их на поверхность почв в конкретных условиях. Для визуализации результатов построена серия карт.
Научная новизна. В работе даны предложения по решению актуальной задачи в области геоэкологии – обеспечению экологической безопасности хозяйственной деятельности человека на основе моделирования геоэкологических процессов. Представлена комплексная оценка воздействия утилизации РДТТ на экосистемы в зоне влияния предприятия по утилизации. На основе данных полевых и лабораторных исследований доказана вероятность трансформации химических свойств почв в результате импактного воздействия продуктов сгорания твердого топлива. По разработанной автором математической модели рассчитаны возможные количества и условия выпадений соляной кислоты в процессе перемещения облака продуктов сгорания. Выявлены районы, наиболее подверженные риску загрязнения в результате утилизации РДТТ.
Практическая значимость. На основе модельных данных рассчитано количество прожигов РДТТ, которое не приведет к изменениям в строении и функционировании экосистем на границе санитарно-защитной зоны предприятия.
Полученные по итогам работы результаты могут быть использованы при составлении планов-графиков утилизации РДТТ с учетом погодных условий и характера экосистем в зонах наибольшего риска техногенного загрязнения.
Материалы работы включены в научно-технические отчеты «Исследование экологических последствий ликвидации зарядов РДТТ методом сжигания в году в ФКП НИИ «Геодезия» (по договору №18/410-СВ29/08 с ЗАО «Промтекон», 2010) и «Разработка научно-методических основ оценки эколого-геохимической устойчивости ландшафтов к техногенному воздействию» (по соглашению с Минобрнауки №8673, 2012).
Защищаемые положения:
1. Загрязнение ландшафтов в зоне техногенного воздействия предприятия по утилизации твердотопливных ракет носит точечный характер и возможно в пределах 30-километровой зоны. Наиболее подверженными воздействию продуктов сгорания являются экосистемы, расположенные на расстоянии до 10 км к северу и северо-западу от источника воздействия.
2. Степень воздействия продуктов сгорания твердого ракетного топлива на южно-таежные экосистемы зависит от локализации выпадений загрязняющих веществ, которая определяется погодными условиями на момент утилизации ракетных двигателей. Негативное воздействие продуктов сгорания за пределами санитарно-защитной зоны возможно при импактных выпадениях хлористого водорода, которые обусловлены попаданием облака продуктов сгорания в зону дождевых осадков.
3. Южно-таежные экосистемы обладают высокой способностью к самоочищению от продуктов сгорания твердого топлива. Наиболее чувствительными к кислотным выпадениям являются сосняки на подзолах, а наименее – агроценозы на дерново-подзолистых освоенных почвах. За пределами санитарно-защитной зоны импактное воздействие продуктов сгорания не приводит к устойчивому изменению состава и свойств компонентов экосистем.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на:
Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011), Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности» (Москва, 2011), Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть работ, из которых три – статьи в журналах, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Работа изложена на 170 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и 32 таблицами. Список литературы включает 162 отечественные и 103 зарубежные работы, а также 9 интернетисточников.
Благодарности. Выражаю глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией научному руководителю к.б.н., доценту П.П. Кречетову, сотрудникам кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Т.В. Королевой, О.В. Черницовой, Т.М. Диановой, А.В. Шараповой. Также благодарна д.т.н.
Ю.И. Галушкину за помощь, оказанную при математическом моделировании, и к.т.н. А.В. Тарабаре за помощь в организации полевых исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Воздействие продуктов сгорания твердого топлива на экосистемы Современные твердые топлива (ТТ) относятся преимущественно к типу смесевых, компонентами которых являются полимерное горючее-связующее, кристаллический окислитель (в основном соли хлорной кислоты) и металлическая добавка (преимущественно алюминий) (Ерохин и др., 2001). Ликвидация РДТТ на полигоне ФКП НИИ «Геодезия» производится с использованием открытых стендов (без улавливания продуктов сгорания). Среди продуктов сгорания выпадение на земную поверхность в заметных количествах возможно для НСl и оксида алюминия. Оксид алюминия выпадает преимущественно внутри стенда или в его непосредственной близости. Поэтому наибольшую опасность представляет HCl, переход которого в жидкую фазу может привести к выпадению кислых осадков. При нештатной ситуации возможно поступление в окружающую среду исходных компонентов, в том числе перхлората аммония (Экологические проблемы…, 2000).
Почвенный покров, являясь депонирующей средой, предохраняет сопредельные среды от техногенного воздействия, во многом определяя устойчивость экосистем к подкислению (Заиков и др., 1991, Почвенноэкологический…, 1994; Глазовская, 1999). Кислотные осадки с одинаковыми значениями рН вызывают различные ответные реакции в зависимости от степени восприимчивости почв (Копцик и др., 1998, Взаимодействие…, 2001). Важной теоретической базой для определения допустимого действия загрязняющих веществ на экосистемы широко признана концепция критических нагрузок, основанная на предположении о некоторой величине – пороге поступления загрязнителя, превышение которого приведет к необратимым изменениям в структуре функционирования экосистемы (Башкин, 2005).
К возможным изменениям свойств почв при воздействии кислотных осадков относятся снижение рН, повышение обменной кислотности и доли алюминия в ней, выщелачивание обменных катионов, повышение подвижности гумусовых кислот, снижение скорости деструкции органических остатков, аккумуляция подвижных форм соединений металлов, изменение биохимического цикла азота и структуры микробиологических сообществ (Кислотные…, 1999). Главным отрицательным последствием подкисления почв для растительности является возникновение дисбаланса минерального питания. Функциональные нарушения затрагивают также системный и видовой уровень организации растительных сообществ (Ливанцова, 2006).
Перхлораты слабо сорбируются осадочными породами и почвами и хорошо растворимы в природных водах, накапливаются в растительности (Perchlorate…, 2006). В природе они встречаются в составе нитратных месторождений, используемых как минеральные удобрения. Перхлорат-ионы являются антагонистами ионов йода и могут вызывать изменения метаболической активности, затрагивая многие системы организма (Toxicological profile…, 2008).
Поэтому содержание перхлоратов контролируется при проведении экологического мониторинга.
Изучаемая территория находится в центральной части Русской платформы и имеет полого-холмистый рельеф с широко развитой овражно-балочной сетью.
Климат характеризуется теплым летом, умеренно-холодной зимой с устойчивым снежным покровом, преобладанием ветров западной составляющей и южных ветров. Зональные широколиственно-еловые леса европейского типа сочетаются с сосняками, вторичными березово-осиновыми лесами, а также лугами. Значительные площади земель освоены в сельском хозяйстве. Основу почвенного покрова составляют дерново-подзолистые почвы разной степени оглеенности и окультуренности и подзолы, формирующиеся на покровных суглинках, морене или флювиогляциале московского возраста.
Поскольку перемещение загрязнителей идет атмосферным путем, климатический фактор является определяющим в распространении загрязняющих веществ. Поэтому вне границ санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия в соответствии с розой ветров на различном удалении от источника воздействия (5км) были определены мониторинговые точки для оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха, снежного покрова, природных вод, почв и описания состояния растительных сообществ. Исследования проводились 5 раз в период 2008гг. Отбор и химический анализ проб атмосферного воздуха и природных вод производился сотрудниками ФМБА. Прочие полевые работы выполнены сотрудниками географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, включая автора. Выбор показателей антропогенного воздействия на компоненты экосистем проведен исходя из состава продуктов сгорания ТТ.
Для изучения основных типов почв и оценки степени загрязнения почвенного покрова в районе исследований были заложены опорные почвенные разрезы в автономных и подчиненных позициях. Отбор производился с глубины 0-5 см и 5см методом конверта при поверхностном опробовании и до глубины 100 см с шагом 10см в разрезах. Для выявления сезонной и годовой динамики показателей, а также их отличий в почвах разных относительно полигона направлений, была проведена статистическая обработка данных по критерию Стьюдента.
При описании состояния растительного покрова учитывались изменение видового состава, ухудшение ассоциированности и возрастного спектра ценопопуляций доминантов, выполнены укосы надземной фитомассы.
Прогноз изменения состояния экосистем произведен на основе сравнения критических кислотных нагрузок на экосистемы и потенциально возможных кислотных выпадений. Оценка критических кислотных нагрузок дана на основе балансовой модели. Расчеты количества возможных выпадений соляной кислоты из облака продуктов сгорания проведены с использованием специально разработанной автором математической модели рассеивания облака. Моделирование воздействия кислых осадков на химические свойства почв проведено методом почвенных колонок. Изменения химических свойств оценивались по истечении трех дней и трех недель в двукратной повторности. Почвенная колонка делилась на две части по глубине: 0-5 см и 5-10 см, в которых определялись показатели почвенной кислотности, содержание хлоридов и обменных кальция и магния.
Глава 3. Оценка состояния компонентов экосистем в зоне влияния Атмосферный воздух по содержанию хлористого водорода, оксида алюминия, оксида азота, хлора и перхлората аммония характеруется как чистый.
Для снежного покрова характерны значения рН талой воды от 4,3 до 5,4 и минерализация около 10 мг/л. Наличие перхлорат-иона в снежной толще не выявлено, однако хлориды были обнаружены в 2010 году в двух точках северного направления в количестве 13,5 мг/л. Этот факт позволяет предположить вероятность локализованного воздействия продуктов сгорания ТТ.
Открытые водоемы и ручьи по химическому составу воды соответствуют типичным для данной природной зоны – имеют малую минерализацию и близкую к нейтральной реакцию среды. В водах исследуемой территории не наблюдается признаков подкисления, которые могли бы влиять на состояние гидробионтов.
Значения параметров почвенной кислотности лесных почв и почв под сельскохозяйственными угодьями четко дифференцированы, что подтверждается как результатами поверхностного опробования, так и анализом данных по опорным разрезам. Наблюдается тенденция к межсезонной и межгодовой изменчивости.
рН лесных почв на глубине 0-5 см составляет 4-5 ед., а в сельскохозяйственных почвах значения рН увеличиваются до 5,3-6,7 ед.
Результаты определения обменной кислотности почв исследуемой территории показывают большой разброс ее значений в верхнем органогенном горизонте лесных почв: от 0,06 до 8,33 ммоль(+)/100г на глубине 0-5 см и 0,10ммоль(+)/100г на глубине 5-20 см. Почвы залежных земель и пашен по сравнению с лесными имеют более низкие значения обменной кислотности (0,05-0, и 0,06-1,61 ммоль(+)/100г на глубинах 0-5 и 5-20 см соответственно). В лесных почвах в формировании обменной кислотности определяющую роль играет алюминий. В пахотных почвах на первые позиции выходит водород.
В целом лесные почвы исследуемой территории характеризуются слабой степенью ненасыщенности ППК. Сельскохозяйственные почвы содержат значительные количества обменных кальция и магния, что на фоне низких показателей обменной кислотности обусловливает высокую степень насыщенности ППК. Соотношение содержания обменных кальция и алюминия в основной массе исследованных почв не опускается ниже критического уровня, равного 1.
Почвы агроценозов также отличаются от лесных почв низкими содержаниями гидролитической кислотности. На глубине 0-5 см гидролитическая кислотность лесных почв составляет 7,5 – 14 ммоль(+)/100г, в то время как под агроценозами значение этого показателя колеблется от 1,74 до 3,62 ммоль(+)/100г. Вариабельность гидролитической кислотности почв под лесными массивами существенно выше, чем в почвах залежей и пашен. Естественные почвы характеризуются быстрым падением гидролитической кислотности с глубиной (в среднем более чем на 1,5 ммоль(+)/100г), а в пахотных почвах снижение гидролитической кислотности редко превышает 0,5 ммоль(+)/100г.
Распределение показателей почвенной кислотности в профилях почв исследуемой территории находится в соответствии с природными условиями и особенностями хозяйственной деятельности. Однако статистическая обработка данных показала более высокую вариабельность кислотных показателей почв северозападного направления относительно юго-восточного и наличие точек с признаками подкисления (за пределами 95% доверительного интервала для математического ожидания), распространенных также в основном в северо-западной части (рис. 1). Сравнение этих данных с розой ветров подтверждает вероятность локального воздействия продуктов сгорания.
Рис. 1. Расположение точек с признаками подкисления (21, 63 – лес; 33, 65, 67, 69А – поле). Черным шрифтом даны средние значения, красным – фактические Несмотря на наличие в составе выбросов большого количества хлора, его содержание в почвах мониторинговых точек не превышает 0,5 ммоль(+)/100г. Содержание различных форм азота в почвах лесных экосистем находится в пределах значений, характерных для дерново-подзолистого типа почвообразования. Для пахотных почв отмечено пониженное содержание аммония и повышенное – нитритов и нитратов, что связано с особенностями использования.
Наличие перхлорат-иона было определено в разных точках при каждом отборе поверхностных проб почв. Точки обнаружения перхлората приурочены, в основном, к агроценозам. При этом значения содержания варьируют в широких пределах (табл. 1, рис. 2). Необходимо отметить, что точек, в которых перхлорат-ион обнаруживался во все сроки отбора, всего три, и они приурочены к сельскохозяйственным полям и залежным землям. Наличие высоких содержаний перхлоратиона в почвах сельскохозяйственных полей может быть обусловлено попаданием перхлоратов в почвы в составе минеральных удобрений.
«