На правах рукописи
ВОЛОГЖИНА САЯНА ЖАМСАРАНОВНА
ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ
В АТМОСФЕРЕ ПРИБАЙКАЛЬЯ
25.00.36 – Геоэкология (географические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Улан-Удэ – 2012
Работа выполнена на кафедре гидрологии и охраны водных ресурсов географического факультета ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор АРГУЧИНЦЕВА Алла Вячеславовна
Официальные оппоненты ИМЕТХЕНОВ Анатолий Борисович, доктор географических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет», профессор кафедры зоологии и экологии ХОДЖЕР Тамара Викторовна, доктор географических наук, ФГБУН «Лимнологический институт СО РАН», заместитель директора по научной работе, заведующая лабораторией гидрохимии и химии атмосферы
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»
Защита состоится «15 » мая 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.022.06 при ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет» по адресу: 670000, г.Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а.
Факс: (3012)21-05-88; e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ «Бурятский государственный университет»
Автореферат разослан «_» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Григорьева кандидат географических наук, доцент Марина Александровна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Увеличивающиеся с каждым годом объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, связанные с ростом производительности промышленности, отражаются не только на увеличении концентраций содержащихся в воздухе веществ, но и, как следствие, в увеличении заболеваемости населения, проживающего в зоне влияния промышленных производств, а также в изменении морфофизиологических показателей растительности. Поэтому изучение проблем загрязнения различных территорий всегда является актуальной задачей. Однако необходимо учитывать, что уровень загрязнения атмосферы зависит не только от антропогенной нагрузки (содержания и количества антропогенных выбросов), но и от метеорологических условий, способствующих либо их накоплению, либо их рассеянию (потенциал самоочищения атмосферы).
Озеро Байкал является уникальным объектом. Устойчивость экосистемы Байкала во многом зависит от деятельности проживающего на этой территории населения. На протяжении многих лет на Байкале исторически образовывались населенные пункты и места отдыха. В результате, практически все побережье озера оказалось в пользовании человека, что не может не сказываться на экологическом состоянии Прибайкалья.
Прибайкалье – это горная область, прилегающая с запада и востока к озеру Байкал, в Республике Бурятия и Иркутской области. Включает горные хребты: Приморский и Байкальский к западу от озера Байкал; Хамар-Дабан, Улан-Бургасы, Баргузинский и др. к югу и востоку от озера, а также особо охраняемые природные территории, прилегающие к озеру Байкал (Энциклопедический словарь географических…, 1973).
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в исследовании техногенного влияния на атмосферу ООПТ Прибайкалья путем моделирования распределения антропогенных примесей; выявлении основных источников загрязнения атмосферы Прибайкалья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
оценить климатические характеристики региона с точки зрения определения условий для рассеяния примесей в атмосфере;
смоделировать распространение в атмосферном воздухе выбросов от предприятий Прибайкалья;
оценить сложившуюся экологическую ситуацию в Прибайкалье.
Объект исследований – территория Прибайкалья и входящие в нее особо охраняемые природные территории.
Предмет исследований – техногенное влияние на атмосферный воздух Прибайкалья.
Фактический материал. Работа основана на многолетних (1995-2010 гг.) данных метеорологических наблюдений за вектором скорости ветра 21 гидрометеорологических станций, расположенных в непосредственной близости к озеру Байкал, которые ведут 8-срочные наблюдения (декретное время наблюдений: 12, 15, 18, 21, 00, 03, 06, 09 ч). Наблюдения на гидрометеостанциях и постах за скоростью ветра проводятся в полярной системе координат. Поэтому полученные многолетние массивы данных по каждому пункту были обработаны по специальной компьютерной программе. Кроме многолетних данных метеорологических наблюдений, в качестве входной информации используются инвентаризационные данные стационарных источников выбросов предприятий Иркутской области и Республики Бурятия (расположенных на относительно небольшом расстоянии от озера Байкал): мощность выброса, координаты относительного размещения источников, скорость выброса, радиус и высота труб, температура газовоздушной смеси.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплекс взаимодополняющих методов исследования: методы теоретического анализа литературы по исследуемой проблеме; методы системного и сравнительного анализа, позволяющие провести комплексный учет факторов, обусловливающих загрязнение атмосферного воздуха; математическое моделирование опасных зон загрязнения атмосферы; графико-построительные методы при построении картосхем местности по степени ее загрязнения.
Научная новизна:
впервые для территории Прибайкалья и входящих в нее особо охраняемых природных территорий проводится оценка метеорологических характеристик (температура, направление и скорость ветра) с точки зрения возможности атмосферы к рассеиванию примесей;
впервые для территории Прибайкалья и входящих в нее особо охраняемых природных территорий применяется вероятностная модель оценки распределения антропогенной примеси с учетом климатических особенностей.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты дополняют представления о современном состоянии загрязнения атмосферного воздуха Прибайкалья. Материалы диссертации используются в учебном процессе Иркутского государственного университета (географический факультет) в следующих дисциплинах: Геоэкология, Математическое моделирование в задачах охраны окружающей среды, Региональное природопользование, Экологический менеджмент. Результаты расчетов, как в диагностическом, так и в прогностическом вариантах, могут быть использованы в системе органов исполнительной власти для принятия оптимальных мер; в системе здравоохранения для выявления причин специфического заболевания; проектировщиками и руководителями промышленных предприятий для обоснования выбора топлива, типа очистных сооружений и т.д.; дендрологами для установления потенциальных зон поражения растительности; экспериментаторами для выбора обоснованных точек наблюдения за состоянием атмосферного воздуха.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием большого объема исходных метеорологических данных (1995-2010 гг.), применением апробированных методов исследования, удовлетворительным согласованием в частных случаях полученных результатов с расчетами по известным методикам (гостированным), сравнением с имеющимися данными наблюдений.
Апробация работы. По теме диссертационного исследования опубликовано 14 работ, в том числе 3 из них – в журналах из списка, рекомендованного ВАК.
Основные результаты исследования получены в рамках мероприятия ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
государственный контракт №02.740.11.0335 от 07.07.2009 г., «Географическая оценка речных бассейнов и аквальных ландшафтов Байкальской природной территории на основе экспериментальных исследований, дистанционного зондирования, ГИСтехнологий, приемов ландшафтного планирования и моделирования гидрологических процессов», 2009-2011 гг.
Работа поддержана Грантами для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов и молодых сотрудников Иркутского государственного университета (№111-09-003/Б1, 2009; №091-08-104, 2010; №113-11-000, 2011).
Результаты исследования докладывались на межрегиональных научнопрактических конференциях и научно-теоретических конференциях: «Ресурсы Байкальского региона: освоение, состояние, экологические проблемы» (Иркутск 2009, 2010, 2011); Международная конференция научно-образовательных центров (Воронеж, 2010; Иркутск, 2011); Пятая Верещагинская байкальская конференция, Международная научная школа для молодежи «Экология крупных водоемов и их бассейнов», 16 объединенный семинар по проблемам изучения региональных осаждений из атмосферы (Иркутск, 2010); XVII научная конференция молодых географов Сибири и Дальнего Востока «Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее»
(Иркутск, 2011); VI школа-семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2011); Всероссийский конкурс научноисследовательских работ студентов и аспирантов в области наук о Земле Всероссийского Фестиваля науки (Томск, 2011); Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике «Физические процессы в космосе и околоземной среде», XII конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (Иркутск, 2011), XVI Международная экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2011), Рабочая встреча с группой российско-американских экспертов, представляющих Министерство образования и науки РФ и американский фонд The US Civilian Research and Development Foundation (CRDF) (Иркутск, 2011).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет страниц, включая 12 таблиц, 29 рисунков, 267 наименований из списка литературы.
Все приведенные в работе картосхемы, таблицы, если в подписи к ним не указано другое, выполнены автором.
Во введении определены актуальность, цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, даны сведения об исходных данных, использованных в работе.
В первой главе «Физико-географическая характеристика территории исследования» дана краткая характеристика особо охраняемых природных территорий Прибайкалья.
Во второй главе «Оценка природной возможности атмосферы к самоочищению» проведен обзор основных подходов к определению самоочищения атмосферы;
выявлены климатические особенности Прибайкалья; на основе многолетних (1995гг.) ежедневных 8-срочных метеорологических данных наблюдений на 21 метеостанции для Прибайкалья построены климатические эллипсы рассеяния, которые используются в качестве показателя возможности атмосферы Прибайкалья к самоочищению.
В третьей главе «Оценки распределения и распространения загрязняющих веществ» проведен обзор основных подходов к оценке загрязнения атмосферного воздуха; по стандартной методике (ОНД-86) и математической модели рассчитаны характеристики области загрязнения атмосферы антропогенными источниками, определены зоны превышения среднесуточных предельных допустимых концентраций (ПДКс.с.) для различных ингредиентов, проведено сравнение полученных данных с данными измерений за содержанием в воздухе загрязняющих веществ.
В четвертой главе «Влияние загрязнения воздуха на растительность и здоровье человека» рассмотрены критерии опасности загрязнения атмосферы для растений; проведен обзор исследований по разработке предельных допустимых концентраций для растительности, в частности для лесных насаждений; по разработанным критериям проведена оценка техногенного воздействия на природные комплексы Прибайкалья; рассмотрены проблемы проведения оценки риска здоровью человека, обусловленного загрязнением окружающей среды; приведены статистические данные по заболеваемости населения в населенных пунктах Прибайкалья.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам исследований.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ,
СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПРЕДМЕТ ЗАЩИТЫ
1. На основе обработки многолетних ежедневных 8-срочных данных наблюдений 21 береговой метеостанции показано, что климатические условия Прибайкалья в течение года не обеспечивают полного рассеяния антропогенных выбросов в атмосферном воздухе.В данной работе впервые ко всей территории Прибайкалья был применен подход к определению возможности атмосферы к самоочищению путем моделирования распределения векторов скорости ветра на основе данных метеостанций, расположенных на побережье озера.
На Байкале регулярно ведутся систематические наблюдения за метеорологическими параметрами (температура воздуха, скорость и направление ветра, облачность, влажность и т.д.). В работе рассмотрены многолетние (1995-2010 гг.) 8срочные наблюдения (декретное время наблюдений: 12, 15, 18, 21, 24, 03, 06, 09 ч), проводимые на 21 гидрометеорологической станции, расположенных в непосредственной близости к озеру Байкал. На основе которых для оценки самоочищения атмосферы рассчитывались следующие характеристики: компоненты вектора скорости ветра (u,v); результирующий вектор скорости ветра (Vr); средние квадратические отклонения ( u, v ), характеризующие степень изменчивости (рассеяния) составляющих векторов скорости ветра; эллиптичность (L); устойчивость ветра (q). Для оценки устойчивости вектора скорости ветра на отдельных участках Байкала, расположенных с юга на север, была построена гистограмма распределения устойчивости ветра q по станциям для июля, августа и декабря (рис.1).
Из рис.1 видно, что в среднем более устойчив ветер в декабре, а для таких станций, как Култук ( q = 0,87), Байкальск ( q = 0,78), Большое Голоустное ( q = 0,86), устойчивость ветра в декабре близка к соответствующему своему значению в области североатлантических пассатов, где q = 0,90. Вероятно, это обусловлено местными циркуляциями, возникающими под влиянием больших температурных перепадов между водой и сушей, а также сильными и порывистыми ветрами, направленными вниз по горному склону там, где горный хребет граничит с озером (например, Сарма). И в зимние, и в летние месяцы постоянно неустойчив ветер на станции ХамарДабан из-за ее расположения на значительной высоте над уровнем моря. В летние месяцы (особенно в августе) по большинству станций в среднем ветер более неустойчив, что можно объяснить тем, что перепад температур «вода-суша» меньше, чем в декабре, особенно в ночные часы, а потому более сильные ветры с озера на сушу (дневной бриз) возникают в основном в дневное время.
коэффициент устойчивости ветра Примечание. 1 – февраль, 2 – июль, 3 – август, 4 – декабрь. На некоторых станциях данные за февраль отсутствуют.
Рис.1. Распределение коэффициента устойчивости ветра по станциям акватории Территории, которые выделяются из общей картины несвойственными для данной области Байкала показателями, имеют некоторые географические особенности, например, горная местность, являющаяся своего рода барьером для проникновения воздушных масс внутрь этой области, или, наоборот, для высвобождения воздушных масс, циркулирующих внутри данной области, а также равнина, являющаяся территорией свободного проникновения любых типов ветров.
Для представления общей картины рассеяния ветрового потока над озером представим выполненные расчеты за два месяца: август и декабрь (рис.2, 3).
Рис. 2. Климатические эллипсы рассеяния ветрового потока в августе над Рис. 3. Климатические эллипсы рассеяния ветрового потока в декабре над Август был выбран вследствие того, что в годовом изменении температуры воздуха в Прибайкалье наблюдается сдвиг экстремальных значений, т.е. проявляется тенденция, свойственная приморским районам. Примерно для половины байкальских станций годовой максимум температуры воздуха приходится на август, т.е. в этом месяце наиболее прогретая вода в озере, но температурный перепад все же имеет место. В это время года большая часть ветров имеет направление с Байкала на сушу. В декабре Байкал, в большинстве случаев, еще не покрыт льдом, поэтому наблюдаются большие перепады температуры суши и воды, вследствие чего возникают локальные ветры. Практически для всех метеостанций по расчетным данным было получено преобладание по площади климатического эллипса рассеяния в декабре над климатическим эллипсом рассеяния в августе. Следовательно, в каждой точке области рассеяния концентрации ингредиентов в декабре будут меньше, чем в августе. И только на территории в пределах Хамар-Дабана в августе рассеяние примесей будет происходить на гораздо большее расстояние, чем в декабре. Это связано с местоположением метеостанции в глубокой седловине северных отрогов хребта. Если на метеостанциях, расположенных непосредственно на побережье озера, максимальные скорости ветра наблюдаются в холодное время, то для станций, расположенных в некотором удалении от побережья или в горах (к ним относится и метеостанция Хамар-Дабан), характерно увеличение скоростей в теплое время.
Для всех рассмотренных метеостанций были вычислены площади климатических эллипсов рассеяния ветрового потока (рис.4).
Примечание. 1 – февраль, 2 – июль, 3 – август, 4 – декабрь. На некоторых станциях данные за февраль отсутствуют.
Рис. 4. Площади климатических эллипсов рассеяния ветрового потока в Площади климатических эллипсов рассеяния ветрового потока на Северном Байкале меньше, чем на Южном. Это говорит о том, что потенциальные возможности самоочищения атмосферы на Северном Байкале ниже. Чётко прослеживается зависимость площади рассеяния от сезона года: в летний период она значительно меньше, чем в зимний. Также видна ее тенденция уменьшения с юга на север. Территории, выделяющиеся из общей картины, такие как станции Исток Ангары, Хамар-Дабан, имеют свои географические особенности. Анализ полученных расчетов и графиков показывает, что хотя рассеяние потенциальных и существующих примесей будет наилучшим образом происходить на территориях, близлежаших к метеостанциям: Култук, Исток Ангары, Большое Голоустное, Бабушкин, Хужир, Узур, Большой Ушканий остров и Солнечная, однако большая часть этих примесей в любом случае будет распространяться в сторону озера и осаждаться постепенно на его зеркало.
Климатические эллипсы рассеяния ветрового потока дают качественную картину возможности самоочищения атмосферы и помогают при расчетах обоснованно ограничиться рассмотрением отдельных вариантов. Естественно, что реальная картина загрязнения может быть получена при детальном рассмотрении как метеорологических условий, так и параметров источников выброса.
2. Построенные картосхемы продолжительности в атмосферном воздухе повышенных концентраций загрязняющих веществ на территории Прибайкалья (в качестве критериев опасности использовались средние суточные предельные допустимые концентрации) показывают, что четыре особо охраняемые природные территории: Прибайкальский и Забайкальский национальные парки и Иркутный и Верхне-Ангарский заказники, длительное время подвержены негативному воздействию вредных ингредиентов.
По климатической модели, основанной на аналитических решениях дифференциального уравнения переноса и турбулентной диффузии примеси, были рассчитаны характеристики области загрязнения атмосферы от антропогенных источников, определены зоны превышения среднесуточной предельной допустимой концентрации (ПДКс.с.) и их размеры.
В диссертационной работе использовались инвентаризационные данные о параметрах источников выбросов предприятий 21 населенного пункта: Ангарска, Байкальска, Горячинска, Гусиноозерска, Еланцов, Иркутска, Култука, Кабанска, Каменска, Листвянки, Оймура, Посольска, Северобайкальска, Селенгинска, Слюдянки, Таловки, Танхоя, Турунтаево, Улан-Удэ, Усть-Баргузина, Шелехова. В этих населенных пунктах находятся около 25000 стационарных источников, которые выбрасывают в атмосферу более 100 загрязняющих веществ. В качестве входной информации в расчеты по климатической модели использовались инвентаризационные данные предприятий (координаты источника выбросов, диаметр и высота трубы, мощность и скорость выброса газовоздушной смеси, температуры газовоздушной смеси) и обработанные методами математической статистики многолетние (1995гг.) 8-срочные наблюдения (декретное время наблюдений: 12, 15, 18, 21, 00, 03, 06, 09 ч.) за температурой, направлением и скоростью ветра. Расчеты были проведены для зимних месяцев, когда объекты теплоэнергетики работают на полную мощность, и летних месяцев, когда объекты теплоэнергетики работают в минимальном режиме. В результате проведенных расчетов были получены картосхемы загрязнения территории с изолиниями, проведенными по частотам превышения средней суточной предельно допустимой концентрации в часах в месяц. В качестве примера приведем отдельные фрагменты расчетов загрязнения атмосферы Прибайкалья по математической модели. Для удобства проведения анализа областей влияния антропогенных источников общая картосхема загрязнения атмосферного воздуха Прибайкалья была разбита на более детальные участки. Анализ был проведен для каждого ингредиента отдельно. В результате проведенных расчетов по выбросам диоксида азота в таких населенных пунктах, как Горячинск, Листвянка, Оймур, Посольск, Таловка, Танхой, Турунтаево, Усть-Баргузин превышений среднесуточной предельной допустимой концентрации по диоксиду азота получено не было. Превышения ПДКс.с. были получены в таких населенных пунктах, как Ангарск, Иркутск и Шелехов (рассчитывались в совокупности); Байкальск; Гусиноозерск; Еланцы;
«