Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

зультатов наблюдений за погодой. Для этого использовались архивные данные по одному из пунктов, расположенных в этом регионе (г. Воронеж). В целях получения более полной картины также проводился анализ изменений температурного режима в масштабе всей ЕТР, для чего использовались данные реанализа. Под этим термином понимают метеорологические данные в узлах регулярной сетки за истекшие годы, получаемые сложными интерполирующими методами на основе результатов наблюдений за погодными условиями. В работе использовались данные NCEP/NCAR реанализа – совместного проекта национальных центров предсказания окружающей среды (NCEP) и изучения атмосферы (NCAR) [3]. Указанная система реанализа включает глобальную модель NCEP с использованием коэффициентов спектрального разложения с 28 вертикальными уровнями и использует данные наблюдений за температурой, ветром и удельной влажностью.

Для проведения расчетов были использованы декодированные данные, изначально представленные в формате Binary Universal Format Representation (BUFR). Они использова-

лись для расчета среднесуточных, среднедекадных, среднемесячных и среднегодовых значений температуры и построения на их основе графиков и таблиц. Были получены результаты, часть которых показана на рис. 1 и 2. Их анализ позволяет сделать определенные выводы.

Рис. 1. Изменения среднегодовой температуры воздуха в г. Воронеже

Рис. 2. Изменения среднегодовой температуры воздуха в Центрально-Черноземном районе

Очевидно, среднегодовая температура воздуха у земли в районе г. Воронежа испытывает достаточно сильные колебания с неочевидной периодичностью. В период с 1970 по 2015 год минимальные среднегодовые значения отмечались в 1987 году (3,5°С), а максимальные – в 2015 году (8,8°С). После 80-х годов прошлого века наблюдается отчетливый тренд к увеличению средней годовой температуры, который составляет в среднем примерно 0,71°С за 10 лет. Линия тренда остается восходящей, скорость температурных изменений в последние де-

106

сятилетия возрастала.

После расширения географических рамок исследования до масштабов региона, было установлено, что среднегодовая температура воздуха у земли на ЕТР совершает амплитудные колебания. В период с 1978 по 2016 год минимальные среднегодовые значения отмечались в 1981 году (4,2 °С), а максимальные – в 2015 году (7,9 °С). Отчетливый тренд к увеличению средней годовой температуры составляет в среднем примерно 0,59 °С за 10 лет и наблюдается в течение всего рассматриваемого периода.

Несомненный температурный рост прослеживается и при анализе сопутствующих величин и явлений погоды, в частности, при изучении приземного температурного режима в переходные сезоны года. Так, дата первого заморозка в районе Воронежа в период с 1970 по 1985 год находилась в пределах от 29 до 31 декады, тогда как после этого периода средняя дата перехода приземной температуры воздуха к отрицательным значениям сдвинулась на начало 32 декады.

В ходе выполнения работы были проведены исследования обнаруженных гистерезисных свойств годового распределения приземной температуры воздуха.

Явление гистерезиса заключается в том, что мгновенная реакция объекта отстаѐт от вызывающих еѐ причин и зависит от ее текущего состояния и поведения в предыдущий период времени [4, 5]. Существуют различные операторные и дифференциальные математические модели данного явления: модель Прейсаха; модель Красносельского-Покровского; модель Прандтля-Ишлинского; модель Максвела-Слипа; модель Бука-Вена; модель Дахема и другие модели. К примеру, дифференциальная модель Бука-Вена в общем виде представляется в виде нелинейного дифференциального уравнения:

z Au | u | z | z |n 1 u | z |n

где параметры A, β и γ определяют форму гистерезиса; n – целое число; Z – переменная состояния, которая интегрируется уравнениями состояния в системе; – производная от существующего входа [6].

Наглядная иллюстрация результатов исследования наличия гистерезисных свойств у годового хода приземной температуры воздуха на примере 1985 года представлена на рис. 3 (по оси абсцисс отложены порядковые номера дней в течение года).

Рис. 3. Пример годового хода температуры воздуха и высоты солнца над горизонтом

Видно, что и температура воздуха в г. Воронеже и основная причина ее изменения – высота солнца над горизонтом – демонстрируют годовой ход, представленный хорошо выраженными гармоническими функциями. Однако очевидным является тот факт, что «температурный» график несколько отстает от «солнечного». К примеру, максимальная среднегодовая температура наблюдается не в момент летнего солнцестояния, а несколько позже. Бы-

107

ло установлено, что среднее отставание в районе г. Воронежа равно 14 суткам.

Аналогичные результаты были получены при обработке наблюдений за период с 1970 по 2015 год.

С учетом вышесказанного, можно сделать следующие выводы.

1.Ход температуры воздуха у земли подвержен сложным гармоническим колебаниям. Выявленные значения тенденции температуры воздуха по п. Воронеж и ЕТР в целом оказались примерно равными +0,06÷0,07 °С в год. Указанный температурный рост прослеживается при анализе сопутствующих явлений погоды. Даты первых заморозков за последние тридцать лет сместились вперед в среднем на полторы декады.

2.Годовое распределение приземной температуры воздуха демонстрирует очевидные гистерезисные свойства. К примеру, среднегодовое отставание хода температуры от высоты солнца над горизонтом в районе г. Воронежа равняется 14 суткам.

3.Сохранение общей тенденции к росту приземной температуры воздуха означает не только рост повторяемости экстремальных природных явлений и повышение пожароопасности, но также и деградацию вечной мерзлоты в северных регионах, а также сокращение расходов энергии в отопительный период, улучшение условий транспортировки грузов в арктических морях и облегчение доступа к арктическим шельфам.

Литература

1.МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в Четвертый доклад по оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата. - МГЭИК, Женева, Швейцария, 2007. - 104 с.

2.Trenberth et al. Observations: Atmospheric Surface and Climate Change, Executive Summary. Chap 3, p. 237, in IPCC AR4 WG1. 2007.

3.Kalnay, E., Kanamitsu, M., Kistler, R. et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project // Bull. Am. Meteorol. - Soc. 1996. - V. 77. - № 3. - P. 437–471.

4.Vahid Hassani, Tegoeh Tjahjowidodo, Thanh Nho Do. A survey on hysteresis modeling, identification and control, Mech. Syst. Signal Process. - 2014. - Volume 49. - Issues 1–2, 20 December 2014. - P. 209–233.

5.Физическая энциклопедия. Т. 1 / Под ред. А.М. Прохорова и др. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - 704 с.

6.Ha J.L., Fung R.F., Yang C.S. Hysteresis identification and dynamic responses of the impact drive mechanism - J. Sound Vib. 283, 2005. - P. 943–956.

ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

I.I. Ulshin, А.V. Levchenko

FEATURES OF THE AIR TEMPERATURE ANNUAL CYCLE IN VORONEZH REGION

The basic views of modern scientists on climate change and the reasons for these changes are considered. The changes of the temperature regime in Voronezh City and the Central black earth region of Russia are shown. The annual cycle of the surface air temperature is presented. Hysteresis properties and quantitative indicators of climate change are defined

Key words: climate change, reanalysis of the data, annual cycle, hysteresis properties

Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh)

108

УДК 502.3

Н.В. Скок, Н.С. Братанов

ВОЗДЕЙСТВИЕ ДЕГТЯРСКОГО МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА

В данной работе рассмотрены вопросы влияния Дегтярского медно-колчеданного месторождения на окружающую среду города. Изучались базовые процессы, происходящие на заброшенном руднике и вторичное рудообразование. В ходе рассмотрения были предложены пути решения и приведены положительные эффекты, которые могут быть достигнуты при проведении рекультивации

Ключевые слова: рекультивация, техногенез, мелантерит, экологические проблемы, Дегтярское медноколчаданное месторождение

За всю историю развития человечества промышленность оказывает одно из наибольших воздействий на окружающую среду. Огромное количество таких примеров можно обнаружить на Урале, в частности, находящееся в Свердловской области заброшенное Дегтярское месторождение, которое до сих пор оказывает влияние на окружающую среду.

В связи с разработкой и добычей руд месторождения экологические проблемы на Дегтярском руднике возникали и раньше. Например, В.Н. Авдонин и Ю.А. Поленов [1 с. 370-372] приводят такой факт: «За 50 лет эксплуатации с 1937 по 1987гг. из Дегтярского месторождения техногенными потоками в окружающую среду вынесено более 50 тыс. т меди, около 147 тыс. тонн цинка, более 225 тыс. тонн железа и почти 1 млн. т серной кислоты.

Наши наблюдения показывают, что на исследуемой территории гор. Дегтярск продолжается загрязнение окружающей среды. Одна из причин состоит в том, что из сортировочного накопительного блока при закрытии Дегтярского рудника в 1995 году часть колчеданной руды из шахты Капитальная 2 не была вывезена. В условиях техногенеза, под воздействием внешних факторов, рудная масса стала разрушаться с образованием комплекса химических соединений – сульфата железа - мелантерита, серной кислоты и других соединений, которые, в свою очередь, накапливаясь, активно влияли на разрушение рудного склада.

После более детального изучения стало понятно, что причиной сталоизвлечение из шахты огромного количества колчеданной руды, которая оказалась на поверхности. Пирит - халькопиритовая руда в разрушающихся складах подверглась воздействию природных факторов.

Средний химический состав руды первичного колчедана с глубины 190 м: сера - 45,7 %, железо - 40,52 %, цинк - 1,38 %, медь - 0,90 %, что в сумме составляет 88,57 %. Кроме того, в руде имеются золото, серебро и в весьма незначительном количестве мышьяк, кадмий, селен [4 с. 68]. В рудах, таким образом, содержалось большое количество серы и, при контакте с осадками, началась образовываться серная кислота, которая ускорила разрушение руды. Приток воды и кислорода в разы увеличил количество серной кислоты. Кислота, проникая в разрыхленную кусковую массу руды, разрушая руду на пути просачивания. В результате химических реакций стали образовываться сезонные техногенные минералы меди и железа синеватые, зеленые и белые купоросы. Их голубовато-зеленый цвет свидетельствует о насыщенности медными растворами. Образование купоросов было выявлено ещѐ в девятнадцатом веке [1].

Добыча медноколчеданной руды на Дегтярском месторождении, безусловно, сыграла очень важную роль в производстве черновой меди на Среднеуральском медеплавильном заводе города Ревда, особенно в трудные годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг.

Несмотря на положительные результаты, после закрытия Дегтярского рудника в 90-х годах прошлого столетия в районе отработанного месторождения за годы образовалось множество проблем. На встрече с главным инженером-экологом города Дегтярска Л.В. Кузнецовой 10 апреля 2015 г. выяснилось, что еще в 2012 году Президент России В.В. Путин (Поручение от 21.09.2012 г. № Пр-2516) дал поручение Министерству природных ресурсов Свердловской области о завершении инвентаризации объектов накопленного экологического ущерба на территории области. В документе говорится, что в перечень объектов накоплен-

109

ного экологического ущерба должны быть включены объекты, характеризующиеся высокой степенью негативного воздействия, существование которых прекращено в 90-х годах прошлого столетия. Инвентаризация должна была произойти и в городе Дегтярске, в районе отработанного месторождения, который, безусловно, относится к объектам накопленного экологического ущерба. Однако до настоящего времени такая инвентаризация, по документам Кузнецовой Л.В., не произведена.

Исследуя карьер и его окрестности в течение 2010-2015 гг., были выделены следующие проблемы:

-загрязнение почвы, подземных и поверхностных вод продуктами гидратации колчеданных руд, рудничными самоизливающими водами и образующихся при этом техногенных образований - серной кислоты, сульфатов железа и меди - мелантерит, халькантит и другими компонентами;

-наличие в черте города двух терриконов пустой отвальной породы высотой до 70-75 м, вблизи отработанных шахт первой и второй Капитальной, на которых зафиксирован повышенный радиационный фон;

-обрушение скальных пород над бывшими шахтными выработками с образованием отрицательных форм рельефа с глубиной до 25 м;

-отработанный карьер месторождения площадью около 43 га на восточной окраине города не рекультивирован.

Более чем 20 лет проблемы защиты окружающей среды в районе города Дегтярска остаются не решенными, несмотря на документы высокого уровня. Без учета неудовлетворительного состояния экологической ситуации в районе города Дегтярска, в окрестностях города проектируется предприятие по переработке 10 тысяч тонн сурьмяных концентратов в год с получением товарной сурьмы.

При реализации данного проекта в районе города Дегтярска экологическая обстановка еще более усугубится загрязнением атмосферы и гидросферы города сучетом неблагоприятной розы ветров. Учитывая вышесказанное необходимо провести комплекс мер по защите окружающей среды:

1. Разрушить опасные постройки и затем утилизировать строительные материалы (битый кирпич и железобетон; металл), представляющие угрозу жизням горожан, особенно детям;

2. Необходима очистка территории от остатков колчеданных руд и новообразованных техногенных образований (сульфаты, глина с кислотой, кислота и вода, насыщенная кислотой).

После проведения работ по рекультивации, может быть, достигнут значительный положительный эффект:

1. Очистка техногенных вод заметно улучшит экологическую обстановку, что позволит дополнительноне очищать воду от примесей;

2. Выплавка черновой меди из колчеданных руд на СУМЗе, которая впоследствии будет отправлена на дальнейшее производство;

3. Утилизация техногенных продуктов позволит сохранить большее количество гектаров земли от загрязнения, что позволит сократить затраты на восстановление экологической обстановки в городе Дегтярске;

4. Усовершенствование способов извлечения полезных ископаемых дает возможность получить из терриконов металлы и минералы;

5. Освобождение от отвалов территории, увеличение площади для возможной застройки.

6. Вырученный капитал частично покроет расходы на рекультивацию.

7. Превращение отработанных карьеров в экскурсионные объекты позволит не засыпать их, а использовать с наименьшими потерями для бюджета, превратив в экскурсионные маршруты «Северный» для минералогических и «Южный» для экологически ориентирован-

110