Методическое пособие 757

УДК 556.535.8(470.324)

Е.Г. Нефедова

ПРИМЕНЕНИЕ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КАЧЕСТВО ВОДЫ МАЛЫХ РЕК ПЕСЧАНКА И ТАВРОВКА

В ходе полевых исследований было выявлено нарушение режима биогенных элементов в реках Песчанка и Тавровка, протекающих в пределах урбанизированной территории (г. Воронеж). Инвентаризация источников воздействия позволила выявить наиболее вероятные потенциальные источники ухудшения качества воды в рассматриваемых малых водотоках. Для уточнения механизмов поступления биогенных элементов в реки из основных антропогенных источников были построены регрессионные модели, отражающие зависимость содержания поллютантов от количественных параметров внешних источников и внутренних условий в водотоке

Ключевые слова: качество воды, малые водотоки, антропогенное загрязнение, регрессионные модели

Малые водотоки урбанизированной территории, подверженные высокой антропогенной нагрузке, являются очень уязвимыми к негативным внешним воздействиям, что проявляется в ухудшении качества их вод, нарушении естественного гидрологического режима и других негативных последствиях [1-5]. В ходе наблюдений на реках Песчанка и Тавровка в 2015-2017 гг. было выявлено устойчивое нарушение режима биогенных элементов [2]. Инвентаризация источников воздействия, сосредоточенных на водосборах малых рек, позволила выявить среди них доминирующие [4]. Для проверки адекватности намеченных механизмов антропогенного воздействия на водные объекты построены регрессионные модели. Полученные в ходе полевых наблюдений ряды данных позволили сформировать выборки, которые имеют свои особенности. Основной из них является малое количество наблюдений (17 на Тавровке и 19 на Песчанке). Меньшее количество наблюдений на р. Тавровка обусловлено исключением из ряда наблюдений значений, полученных для периода весеннего половодья, так как они слишком велики, и в ходе статистической обработки данных было установлено, что это артефакты. Как отмечается в [3], надежно установить слабые связи можно только при большой численности наблюдений (около 100 и больше), а в малых выборках с достаточной степенью надежности можно выявить только тесные связи. Это обусловливает особенности полученных моделей и их ограничения, в том числе риск воздействия случайных погрешностей на результаты моделирования. Кроме того, малый объем выборки обусловливает возможность анализа влияния только одного-двух факторов на рассматриваемый показатель [3]. В связи с этим из всего многообразия источников и механизмов антропогенного воздействия на водотоки (рис. 1, 2) были выбраны только основные.

Рис. 1. Механизмы поступления поллютантов в р. Песчанка

101

Рис. 2. Механизмы поступления поллютантов в р. Тавровка

Поскольку основным источником антропогенного воздействия на р. Песчанка является эмиссионная нагрузка, в качестве одного из входов в модель выбраны среднемесячные значения индекса загрязненности атмосферы (ИЗА). В качестве преобладающего источника воздействия на р. Тавровка предполагается загрязненный поверхностный сток с водосбора, который формируется только при выпадении осадков. Поэтому одним из наиболее значимых входов в модель выступает количество осадков, выпавшее в течение недели, до отбора проб (именно на количество осадков, выпавших за этот временной интервал, отмечается наиболее явный отклик в содержании поллютантов). К сожалению, данные о пространственновременном распределении удобрений на водосборе отсутствуют, что делает невозможным их непосредственный учет в модели. Как было выявлено в ходе оценки антропогенной нагрузки на исследуемые водные объекты, наибольший вклад в нагрузку на р. Песчанка вносит катион аммония, а на р. Тавровка – фосфаты [2]. Поэтому при моделировании антропогенного воздействия наибольшее внимание было уделено именно этим компонентам. Модели построены для устьевых частей обеих рек как замыкающих створов, в которых суммируется все хозяйственное влияние, оказываемое на водосбор.

Перед началом моделирования все входящие параметры были проверены на соответствие нормальному закону распределения при помощи критерия Колмогорова-Смирнова (в пакете STATISTICA 13). Было выявлено, что все исследуемые параметры подчиняются нормальному закону распределения, и это обусловило выбор в пользу параметрических моделей. В качестве независимых переменных при построении нелинейной регрессионной модели были выбраны среднемесячные значения ИЗА – как главный внешний показатель антропогенного воздействия, и содержание растворенного в воде кислорода – как главный внутренний фактор преобразования соединений азота в водном объекте.

Модель строилась в пакете STATISTICA 13 при помощи Advanced models > Nonlinear estimation. Заданное уравнение регрессии имеет вид:

y = constant + param1*x1+ param2*log(x2), (1)

где y – содержание катиона аммония; x1 – среднемесячные значения ИЗА; x2 – содержание растворенного в воде кислорода.

В качестве метода оптимизации был выбран метод Левенберга–Марквардта.

Значения константы и параметров, оцененные при помощи модели следующие: constant = 21,48; param1 = -0,22; param2= -3,1. Коэффициент детерминации полученной модели равен примерно 0,82 (то есть вариация независимых переменных объясняет около 82 % вариации зависимой переменной), критерий Фишера равен 24,1, уровень значимости – 4*10-6. Это позволяет считать выявленную связь достоверной.

102

В программе STATISTICA также построена нелинейная регрессионная модель для фосфатов в устьевой части р. Тавровка. В качестве входных параметров были выбраны содержание растворенного кислорода как один из наиболее важных факторов преобразования и обезвреживания веществ в водотоке, а также количество осадков как внешний фактор, позволяющий косвенно судить о величине антропогенной нагрузки (об объеме поступления удобрений с полей при их смыве осадками). Механизм построения модели аналогичен таковому для р. Песчанка (Advanced models > Nonlinear estimation), однако уравнение регрессии имеет иной вид:

где y – содержание фосфатов; x1 – количество осадков, выпавшее в течение недели до даты отбора; x2 – содержание растворенного кислорода.

В качестве метода оптимизации был также выбран метод Левенберга–Марквардта. Значения параметров уравнения, оцененные при помощи модели следующие: constant

= 3,7; param1 = -0,41; param2 = 0,25. Для обеих независимых переменных выбрана логнормальная зависимость, т.к. они имеют явно выраженную левостороннюю асимметрию. Коэффициент детерминации модели равен 0,63, критерий Фишера (F) – 7,96, значимость F – 0,002. Эта модель является статистически достоверной с высоким уровнем надежности. Однако значение коэффициента детерминации ниже 0,7 заставляет предположить, что в модели учтены не все факторы, оказывающие влияние на содержание основного поллютанта в водотоке. Одной из возможных причин невысокого коэффициента детерминации может также являться более сложная зависимость между рассматриваемыми параметрами, неучтенная в модели.

Выводы. Построенные регрессионные модели подтверждают предположение о влиянии основных источников антропогенного воздействия на содержание ведущих поллютантов в исследуемых малых водотоках. При этом связь между внешним фактором воздействия (загрязненность атмосферы) и содержанием катиона аммония в р. Песчанка удовлетворительно описывается линейной зависимостью. Содержание фосфатов в р. Тавровка зависит от влияния внешнего источника (смыв поллютантов осадками с поверхности водосбора) нелинейно. Это может быть связано с тем, что в р. Песчанка скорость отклика качества воды на изменение загрязненности атмосферы достаточно высока вследствие постоянного действия источника загрязнения, быстрого поступления поллютантов с поверхностным стоком, что вызвано обилием запечатанных территорий и ослабленной буферной способностью защитных зон, которые не могут эффективно сдерживать такую высокую нагрузку. В р. Тавровка, напротив, низкая доля запечатанных территорий и обилие зеленых зон препятствуют быстрому поступлению загрязненного стока в водный объект, и создают условия для трансформации поллютантов по пути от источника до водного объекта. Кроме того, при попадании соединений фосфора в водоток, происходит их утилизация живыми организмами, что усложняет характер отклика качества воды на воздействие внешнего источника загрязнения в каждом конкретном случае.

Интересно, что зависимость между содержанием основного поллютанта и концентрациями растворенного кислорода в обоих случаях не является линейной. Это может быть обусловлено, с одной стороны, сложностью внутриводных процессов в водотоках, а, с другой стороны, малый ряд наблюдений может искажать характер реальной зависимости между этими переменными. В последнем случае увеличение продолжительности периода наблюдений может привести к смене характера выявленной зависимости между этими показателями.

Полученные на сегодняшний день модели дают только общее представление о воздействии внешних источников на качество природных вод. Для снижения случайных погрешностей расчета, уточнения характера связи между внешними факторами и качеством воды обследованных водных объектов, а также для включения в модель неучтенных факторов необходимо увеличить продолжительность ряда наблюдений. Кроме того, задачей первостепенной важности является получение сведений о пространственно-временном распре-

103

делении удобрений на водосборе р. Тавровка и особенностях их поступления в водоток. Модель, построенную для р. Песчанка, можно углубить учетом количественных показателей пространственно-временного распределения поллютантов, поступающих в атмосферу от конкретных источников.

Решение этих перспективных задач моделирования антропогенной нагрузки на обследованные малые водотоки позволит получить более точные сведения о воздействии внешних факторов на качество природных вод. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению эффективности мероприятий по снижению антропогенного воздействия и реабилитации водных объектов, а также даст возможность дальнейшего прогнозирования отклика малых рек на внешние воздействия с возможностью их контроля.

Литература

1.Болгов М.В. Экспериментальные исследования водно-физических свойств городских почв Ростова Великого / М.В. Болгов, Т.Ю. Голубаш // Изв. РАН. Сер. Географ. – 2009.

–№ 3. – С. 107-117.

2.Дмитриева В.А. Антропогенное загрязнение малых водотоков Воронежской городской агломерации / Дмитриева В.А., Нефедова Е.Г. // Морские биологические исследования: достижения и перспективы: в 3-х томах: сборник материалов Всероссийской научнопрактической конференции с международным участием, приуроченной к 145-летию Севастопольской биологической станции (Севастополь, 19–24 сентября 2016 г.). – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2016. – Т. 3. – С. 73-76.

3.Елисеева И.И. Общая теория статистики: учебник / И.И. Елисеева, М.М. Юзбашев.

–5-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 656 с.

4.Нефедова Е.Г. Применение ГИС-технологий в рамках экологической диагностики состояния малых водотоков города Воронежа / Е.Г. Нефедова // ГИС-картографирование в регионах России: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции, 20 декабря 2016. – Воронеж, 2016. – С. 80-82.

5.Chelsea Nagy R., Graeme Lockaby B., Latif Kalin, Chris Anderson Effects of urbanization on stream hydrology and water quality: the Florida Gulf Coast // Hydrological processes No 26. – 2012. – DOI 10.1002/hyp.8336. – p. 2019-2030.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

Ye.G. Nefedova

NONLINEAR REGRESSION MODELING TO TEST OF HYMAN IMPACT TO WATER

QUALITY IN PESCHANKA AND TAVROVKA SMALL RIVERS

Transformation of biogenic elements natural cycle was revealed due to field observations of rivers Peschanka and Tavrovka that flows through urban area (Voronezh city). Stocktaking of pollution sources let us reveal the most possible sources of deterioration of water quality in observed small rivers. Regression models were built for testing mechanisms of biogenic elements inflow to rivers from the main anthropogenic sources. These models reflect relation between pollutants content and parameters of external sources and internal conditions of streams

Key words: water quality, small streams, anthropogenic pollution, regression models

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University»

104

УДК 551.582.2

И.И. Ульшин, А.В. Левченко ОСОБЕННОСТИ ГОДОВОГО ХОДА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В РАЙОНЕ ВОРОНЕЖА

Рассмотрены основные взгляды современных ученых на изменения климата и их причины. Показано изменение приземного температурного режима в последние десятилетия в районе Воронежа и в Центрально-Черноземном районе. Представлен годовой ход температуры воздуха, определены его гистерезисные свойства и количественные показатели происходящих погодно-климатических изменений

Ключевые слова: изменение климата, данные реанализа, годовой ход, гистерезисные свойства

Впоследние годы особую значимость приобрела одна из важнейших глобальных проблем, стоящих перед человечеством в XXI веке, – проблема изменения климата. Наряду с другими факторами повышенному вниманию со стороны СМИ способствовало недавнее заявление президента США о возможном выходе этой страны из Парижских соглашений по климату. В этой связи следует указать, что наряду с природными факторами заметное влияние на атмосферные и гидросферные процессы оказывает, как принято считать, хозяйственная деятельность человека, связанная, прежде всего, с выбросами, так называемых парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива. Следует заметить, что существует и иная точка зрения, согласно которой влияние человечества на климат сильно преувеличено, а наблюдаемое потепление представляет собой просто восходящую ветвь долгопериодических колебаний. С учетом вышесказанного целью настоящей работы является получение и анализ приземного годового хода температуры воздуха на Европейской территории России (ЕТР) на примере города Воронежа, а также количественная оценка произошедших и ожидаемых изменений и выявление гистерезисных свойств у годового распределения приземной температуры воздуха.

Рост средней температуры воздуха у поверхности земли, наблюдаемый в последние десятилетия и называемый в СМИ глобальным потеплением, сам по себе не вызывает сомнений. В качестве причин ученые называют как внешние по отношению к Земле факторы (циклическая природа солнечной активности, нестабильность параметров орбиты и оси вращения Земли и т.д.), так и внутренние факторы (движения литосферных плит и изменения рельефа; флуктуации атмосферных и океанических течений; изменение прозрачности атмосферы и еѐ состава в результате вулканической активности Земли; изменение отражательной способности поверхности Земли; изменение количества тепла в глубинах океана). Наконец, одной из важнейших причин климатических перемен большинство ученых называют рост содержания

ввоздухе парниковых газов. В Четвѐртом оценочном докладе МГЭИК констатирована 90 % вероятность того, что большая часть температурных изменений вызвана именно повышением концентрации этих газов, связанных с человеческой деятельностью [1].

Врезультате влияния указанных факторов отмечаются различные последствия, которые далеко не исчерпываются ростом температуры воздуха. Температурные вариации приводят к повышению уровня моря, к изменению количества и характера осадков, к увеличению площади пустынь, к отступлению ледников, смещению границ вечной мерзлоты и морских льдов. Кроме того, увеличивается частота и интенсивность климатических аномалий и экстремальных погодных явлений, становятся реальными угрозы снижения урожайности сельскохозяйственных культур, вымирания отдельных биологических видов и, в конечном итоге, продовольственной безопасности людей.

Следует заметить, что наблюдающееся потепление развивается по-разному в разных регионах Земного шара. К примеру, в силу различной теплоемкости суши и воды и затрат энергии на испарение с 80-х годов прошлого века температура над сушей выросла вдвое больше, чем над океаном [2]. Северное полушарие нагревается быстрее, чем южное, однако,

вотдельные годы прирост средней температуры обеспечивает в основном южное полушарие. В Арктике темпы потепления существенно превышают среднемировые нормы.

Для выявления особенностей температурного режима ЕТР был проведен анализ ре-

105

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