Найдена формула, позволяющая определить протяженность зоны воздействия загрязнения

Один из объектов обсуждаемого исследования – ЗАО "Карабашмедь". Это градообразующее предприятие города Карабаш Челябинской области одно из старейших медеплавильных предприятий Южного Урала. Предприятие занимается производством черновой меди из медного концентрата, с предварительным обогащением медно-цинковых руд, а также из вторичного медьсодержащего сырья. (Инфо и фото – gelio.livejournal.com/179601.html)

В существующих моделях воздействия загрязняющих агентов на экосистему принято связывать состояние биоценоза с локальной концентрацией загрязняющего агента или с расстоянием до его источника. В статье предложен новый подход к построению модели. Для оценки восприимчивости растений к воздействию поллютантов предлагается использовать модель фазовых переходов второго рода, широко используемую при анализе качественных в физических системах. Вводятся две фазы, характеризующие состояние растений, и в качестве параметров порядка, описывающего состояние растительных сообществ, используют величину относительного изменения таких показателей как биомассы, доли живых растений и т.п, на разных расстояниях от источника. Для анализа и проверки предложенной модели использовали данные о состоянии лесных экосистем вблизи медеплавильных заводов. Полученная модель позволяет оценить критические расстояния до источника, при которых воздействие загрязнения приводит к деградации биоценоза.

Существуют промышленные объекты, которые можно считать точечными источниками поллютантов. Это, в частности, металлургические заводы. Поллютанты, выбрасываемые такими объектами, оказывают воздействие на биоту. Воздействие на локальное растительное сообщество зависит от текущей концентрации поллютантов, продолжительности воздействия и восприимчивости растений к поллютантам. Дозу воздействия можно определить как произведение этих показателей и можно полагать, что реакция биоты на воздействие поллютантов будет определяться дозой воздействия.

Однако оценить прямо дозу воздействия достаточно сложно. При полевых исследованиях состояния растительных сообществ на трансекте концентрация поллютантов обычно не измеряется, и вместо этого используется показатель расстояния до источника поллютантов и в качестве характеристик воздействия поллютантов обычно либо выделяют зоны, характеризующие степень воздействия, или же описывают реакцию биоты, используя некоторую функцию, обратно пропорциональную расстоянию до источника. Однако общий вид этой функции неизвестен и неясно, какую функцию следует использовать.

В настоящей работе предложено для оценки восприимчивости растений к воздействию поллютантов использовать модель фазовых переходов второго рода, широко используемую при анализе качественных изменений (намагничивании, сверхтекучести, сверхпроводимости и т.п.) в физических системах. Вводятся две фазы, характеризующие состояние растений, и в качестве параметров порядка, характеризующего состояние растительных сообществ, используют величину относительного изменения таких показателей как биомассы, доли живых растений и т.п, на разных расстояниях от источника. Параметр порядка определяется таким образом, что вблизи источника его значение было равно 1, а на большом удалении от источника параметр порядка равнялся нулю.

В качестве объекта исследований выбраны лесные насаждения на различных расстояниях от источников поллютантов (медеплавильных заводов на Кольском полуострове, Таймыре, Урале). При этом рассматривались как длительные, так и разовые измерения состояния лесных ценозов на разных расстояниях до источника. Было показано, что зависимость между квадратом параметра порядка (т.е. состояния насаждения) и расстоянием до источника описывается функцией, значение которой до определенного критического расстояния до источника, линейно падает с расстоянием, а после некоторого критического расстояния параметр порядка становится равным нулю. В рамках этой модели задача оценки воздействия поллютантов заключалась в определении производной линейной функции (этот параметр характеризовал восприимчивость биоты к поллютантам), и критического расстояния, при котором параметр порядка становился равным нулю (то есть это расстояние характеризовало пороговое расстояние, на котором поллютант уже не влияет на рост растений).

Типичный вид связи между параметром порядка и расстоянием до источника поллютантов, описываемый моделью фазового перехода второго рода, приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Связь между квадратом доли сухостоя (q²) в насаждении и расстоянием L до источника поллютантов – медеплавильного завода на Урале: 1 –зона воздействия загрязнения, 2 – фоновая зона (критическое расстояние L_крит=0.043/0.0068=6.3 км).

Было показано, что данные наблюдений разных авторов очень хорошо описываются уравнением фазового перехода второго рода. Это позволяет оценить критическое расстояние воздействия поллютантов на биоту, и восприимчивость биоты к воздействию в зависимости от вида растений и продолжительности воздействия. Важно, что данные наблюдений разных авторов о воздействии различных источников загрязнении на различных территориях хорошо описываются одной и той же моделью (разумеется, с различными коэффициентами, зависящими от химического состава поллютантов и вида растений). Таким образом, так как вид функции воздействия заранее известен, можно по данным наблюдений вблизи источника поллютантов оценить критическое расстояние, на котором источник поллютантов оказывает воздействие на биоту.

С 2018 полные тексты статей «Журнала общей биологии» за последнее десятилетие доступны авторизованным пользователям на ресурсе Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU