Экологический мониторинг состава почвы в зоне размещения высоковольтной ЛЭП

172 Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №4(44).

УДК 618.19; 615.2

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТАВА ПОЧВЫ В ЗОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛЭП1

© 2006 В.Н. Довбыш^ М.Ю. Маслов^ О.Ю. Сарокваша4

В статье рассматриваются вопросы, связанные с анализом влияния электромагнитного поля высоковольтной ЛЭП на состав микрофлоры почвы в зоне ее размещения. Приводятся некоторые результаты исследований в районе прохождения ЛЭП-110 кВ вблизи поселка Безенчук Самарской области.

Использование в возрастающих масштабах человеком электромагнитной энергии привело к тому, что в окружающей среде активно проявляется один из видов энергетического загрязнения, а именно электромагнитный [1].

С интенсивным развитием современного информационного общества резко возрастает потребление электрической энергии. Значительно увеличилось количество источников и объектов энергоснабжения, которые в условиях регионов объединены в рамках единой энергетической инфраструктуры [3]. Технологии передачи и распределения электрической энергии не связаны с преднамеренным процессом излучения, однако сопровождаются электромагнитным загрязнением окружающей среды.

Очевидно, что с точки зрения экологических проблем, электромагнитные поля (ЭМП) промышленной частоты весьма существенны, так как они часто располагаются непосредственно в природных экосистемах и занимают значительные территории. Так, например, протяженность воздушных линий электропередач напряжением 6-1150 кВ в нашей стране составляет более 4,5 млн км.

Существует множество доказательств ощутимого влияния ЭМП ЛЭП на компоненты различных природных экосистем [3]. В настоящей работе проводится анализ такого влияния на состав микрофлоры почвы на основе результатов расчетного прогнозирования ЭМП.

Линия электропередач является источником как электрического, так и магнитного полей. Уровни поля под линией существенно зависят от высоты подвеса, расстояния между проводами, напряжения в линии, наличия растительного покрова, рельефа местности под линией. Линии постоянного уровня вытянуты вдоль высоковольтной линии, замыкаясь на ней и на поверхности Земли. На форму силовых линий электрического поля оказывают влияние особенности рельефа местности

1 [Представлена кандидат в доктора химических наук Ю.П. Пурыгиным.

2 Довбыш Владимир Николаевич, управление росприроднадзора по Самарской области, 443010, Россия, г. Самара, ул. Красноармейская, 21.

3 Маслов Михаил Юрьевич, кафедра электродинамики и антенн Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики, 443099, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 77.

4 Сарокваша Оксана Юрьевна, кафедра биохимии Самарского государственного университета, 443011, Россия, г. Сaмaрa, ул. Акад. Павлова, 1.

(см. рис. 1). Максимальные уровни соответствуют точкам проекции наибольшего провисания, а в поперечном сечении поле имеет максимумы под проводами. При удалении от проводов напряженность поля резко падает и на расстоянии в несколько десятков метров.

Рис. 1. Распределение силовых линий электрического поля

Все ЛЭП, с точки зрения расчета электромагнитного поля, могут рассматриваться как многопроводные направляющие системы с расстоянием между проводами, заведомо существенно меньшим по сравнению с расстоянием до точки наблюдения. Так как при частоте электрического тока f = 50 Гц выполняется условие квазистационарности, т.е. длина волны значительно больше общей длины рассматриваемых проводников, то распределение амплитуды тока во всей цепи в каждый момент времени можно считать равномерным. Электрическое и магнитное поля в условиях задачи данного типа можно рассматривать как независимые друг от друга функции и полагать, что электромагнитные волны не излучаются.

При вычислении электрического поля участок протяженной ЛЭП необходимо представить ее как систему распределенных вдоль отрезка прямой параллельных заряженных нитей, несущих некоторый эквивалентный заряд, определяемый из погонных параметров и класса напряжения линии [2]. При вычислении магнитного поля линию следует рассматривать как систему параллельных линейных токов. При этом делается допущение о том, что нагрузка линии равномерно распределена между фазами, и ток в нулевом проводе отсутствует [2].

Рассмотрим модель прямолинейного участка цепи электроснабжения с точки зрения вычисления электрического поля.

Поскольку напряжение в сети не зависит от нагрузки, электрическое поле также оказывается независимым от потребляемого тока.

ЛЭП, конфигурация проводов которой соответствует типовой опоре, размещенная в декартовой системе координат, показана на рис. 2. Нахождение электрического поля с учетом названных допущений и ограничений сводится к решению двумерной квазистатической задачи. Влияние подстилающей поверхности учтено введением зеркального изображения проводников (см. рис. 2). Эквивалентные электрические заряды, соответствующие проводникам линии определяются следующим образом:

цх = Сх иф1, д2 = С2иф1  в]А, д3 = С3 иф1  в~]А = С3 ифI  в]2А,

где иф —класс напряжения ЛЭП, А= 120° — фазовый сдвиг, ] — мнимая единица, С\ погонная емкость электрической системы ”провод-Земля”, I — длина анализируемого прямолинейного участка ЛЭП.

Рис. 2. К расчету электрического поля ЛЭП

Погонная емкость системы ”провод-Земля” С,, для г-го провода ЛЭП определяется методом зеркального изображения. При этом вполне допустимо пренебречь влиянием соседних проводов и опор линии [2].

Искомое электрическое поле определяется геометрическим суммированием полей, создаваемых каждым из проводников в отдельности:

Е =£

=1

Выражение, стоящее под знаком суммы определяет частичное электрическое поле, создаваемое г-й системой ”провод-зеркальное изображение”; N — число проводов, соответствующее типу опоры ЛЭП.

Первичное поле, г-го провода над поверхностью Земли определяется выражением:

£, =

4Я£0^2 4Я£0Я2

где 7?; = д/(х - ^)2 + (й; - го)2, го— высота точки наблюдения. Выражение (1) с учетом (2) принимает вид:

иФ1  ел‘-1)А

Е‘ = 2Й- --------------------------

41п —- \(х - 4)2 + (й; - го)2] а 1 J

Аналогичным образом находится вторичное поле или поле зеркального изображения провода над поверхностью Земли:

Е' = Ч‘ 7

4ле0^/2

где Щ = л](х- ф)2 + (й; + го)2, или аналогично (3):

иф1  е-'(г_1)д 41п — [(х - ф)2 + (йг- + го)2]

Еі = 2йт ---------------------Т

—і (х-^2 1 'ь 1 - ч21

а 1

Модуль вектора, стоящего под знаком суммы в (1), находится при помощи известной теоремы косинусов:

Щ + Ё’ | = л]

где у — угол, образованный векторами Е и Е', который легко определяется из рис. 2:

Я Я 4й2

2соз\|/= —+ —----------

У Щ и ЪЩ у *

С учетом принятых ранее обозначений, (6) может быть представлено в виде:

\р. + ?>\ = Цф1-^-Г>А ±.±_

I г 41п — Щ К' ЗД2

а

Геометрическое суммирование в (1) осуществляется исходя из особенностей конфигурации и взаимного расположения проводов, соответствующих данному типу опоры ЛЭП [2].

Результирующее магнитное поле ЛЭП находится геометрическим суммированием частичных полей аналогично (1):

N

N

Н = 2

=1

где магнитное поле реального провода или его зеркального изображения находится по формуле (9), при подстановке вместо Я, соответственно, , или Щ. Ток в -м проводе, при подстановке в (10) находится следующим образом:

I = I • екг-1)А.

Выражение (10) записано в предположении о том, что ЛЭП нагружена сбалансированно, и ток в нулевом проводе равен нулю; амплитуда тока I определяется

по сезонному графику загрузки ЛЭП. Типичный график сезонной загрузки ЛЭП

показан на рис. 3.

M-II ЛЭП-110 кВ

Рис. 3. График загрузки ЛЭП-110кВ

Напряженность магнитного поля, создаваемого проводом и его зеркальным изображением, соответственно равна:

I . eKi-1)A

НI =-----. =у,

2 л yj(x - d;)2 + (hi - го)2

I. ej(i-1)Д

Щ =------ =Y,

2л; V^-^F+T^T+zo)2

где Y = ^ (cos ai - cos 0.2) — коэффициент, учитывающий конечную длину провода.

Модуль вектора, стоящего под знаком суммы в (10), аналогично (2) определяется выражением:

/

2л

ІЛ? + (Я')2

2

008 у*

Я2(я;)2

На рис. 4-7 показаны расчетные распределения электрического и магнитного полей ЛЭП-110 кВ при загрузке, соответствующей режимам, отображенным на рис. 3. При расчетах предполагается, что ЛЭП расположена на типовой опоре, У-35-1 [2], изображенной на рис. 2. Геометрические параметры опоры: Н1 = Н3 = = 10 м, Н2 = 13 м, й1 = й2 = 2.8 м, йз = 3.5 м.

На рис. 4 приведены результаты расчета электрического поля в толще земли по глубине на расстояниях 0, 1, 2, 5 и 10м от оси ЛЭП. Нулевая отметка соответствует поверхности земли.

Рис. 4. Распределение электрического поля по глубине на различных расстояниях от оси ЛЭП

На рис. 5 показаны результаты расчета магнитного поля на оси ЛЭП для различных режимов токовой нагрузки, соответствующих графику на рис. 3.

На рис. 6 и 7 показаны распределения электрического и магнитного полей на поверхности Земли в поперечном ЛЭП направлении.

Поскольку электрические и магнитные поля ЛЭП меняются слабо на глубине обитания исследуемых микроорганизмов (см. рис. 4, 5), для анализа воспользуемся результатами расчета ЭМП на нулевой отметке.

С точки зрения воздействия ЭМП на биоту почвы, необходимо подчеркнуть, что значительная часть представителей фауны, в отличие от человека, обладает прямыми рецепторами ЭМП и использует естественные ЭМП для поддержания нормальной жизнедеятельности. По мнению авторов, такие виды являются наиболее уязвимыми в ситуации электромагнитного загрязнения. Электромагнитное воздействие осуществляется на всех уровнях организации: молекулярном, клеточном, тканевом, органном, организменном, популяционно-видовом, биогеоценотиче-ском, биосферном [5]. Работа биологических систем организована по иерархическому принципу. Воздействие на целый организм осуществляется посредствам воздействия на клеточном и молекулярном уровнях [6]. Любая живая система, как

Н. А/м

Рис. 5. Распределение магнитного поля по глубине при различных режимах работы ЛЭП

\

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Рис. 6. Распределение электрического поля ЛЭП в поперечном направлении на поверхности Земли

Н,

0.1

0.01

103

10^

ю5

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Рис. 7. Распределение магнитного поля ЛЭП в поперечном направлении на поверхности Земли

бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других важнейших органических веществ [4]. Поэтому представляет интерес исследование микрофлоры почвы в зоне электромагнитного влияния ЛЭП.

В данной работе группы микроорганизмов рассматриваются в качестве индикаторов электромагнитных полей. Как параметр биоиндикации исследовалась численность нитрификаторов, грибов и общая численность микроорганизмов почвы. В исследовании были изучены пробы почвы с полей озимой пшеницы в период всхода. Электромагнитное воздействие изучали на примере ЭМИ ЛЭП-110 кВ в районе села Переполовенка города Безенчук Самарской области. Исследуемые пробы были расположены от источника излучения соответственно на 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150 и 180 метров. Контрольные экземпляры брали на расстоянии 1500 метров от ЛЭП. В каждой точке удаления относительно ЛЭП исследовали 5 образцов почвы.

Полученные в ходе исследования результаты подвергали статистической обработке стандартным способом с помощью критерия Стьюдента [3]. Измерения исследуемых показателей считали статистически значимыми при р < 0,05.

Наши исследования свидетельствуют об изменении численности микроорганизмов под влиянием электромагнитных излучений ЛЭП-110. Непосредственно в 0 точке (под ЛЭП-110) численность исследуемых групп микроорганизмов повышается незначительно. При удалении от ЛЭП-110 на 10-20 метров численность некоторых групп микроорганизмов повышается. При большем удалении от ЛЭП-110 на 30 метров численность повышается. Максимальное увеличение численности микроорганизмов наблюдается на расстоянии 50 метров от ЛЭП-110. При дальнейшем удалении от ЛЭП-110 на 60, 70 м и т.д. численность исследуемых объектов повышается относительно контроля; по отношению к максимальной точке числен-

ности микроорганизмов (т. 50) численность исследуемых групп снижается прямо пропорционально удалению от ЛЭП-110. Изменение численности различных групп микроорганизмов относительно удаления от ЛЭП-110 имеет волнообразную зависимость.

Зависимость общей численности микрорганизмов от удаленности ЛЭП-110 кВ

я

I 140

М

К

§

£ 120 н

Он

о о

§* 100 -

80 -

г

я

со

60 -

20 -

осенний период

весенний период  летний период

10 20 30

40 50 60 70 ВО 90 100 150 180 240 1500

Удаленность ЛЭП-110 кВ

Рис. 8. Зависимость общей численности микроорганизмов от расположения ЛЭП-110 кВ

В районе расположения опоры ЛЭП (0-40 м ) располагается техническая зона, с чем связаны перепады численности исследуемых микроорганизмов в пробах.

Варьирование численности грибов проб, почвы взятых в районе прохождения ЛЭП-110, имеет приблизительно аналогичную тенденцию. Численность различных групп микроорганизмов при воздействии ЛЭП-110 постепенно увеличивается с 30 метров удаления от линии. Максимальное увеличение численности микроорганизмов относительно контроля наблюдается на расстоянии 50 метров от ЛЭП-110. При дальнейшем удалении от ЛЭП-110 численность грибов постепенно снижается, приближаясь по значению к контролю. Минимальное изменение численности микроорганизмов наблюдалось непосредственно под ЛЭП. На расстоянии 100 метров от ЛЭП численность исследуемых параметров достигает контроля, и при дальнейшем удалении от ЛЭП численность грибов не изменяется. На рис. 8-10 показаны результаты исследований.

В основе множества процессов почвообразования лежит биохимическая деятельность микроорганизмов. По мнению С.Н. Виноградского ’’плотность микроорганизмов пропорциональна их активности”. А чем они активнее, тем интенсивнее протекает круговорот веществ в экосистеме, тем выше ее биологическая продуктивность и, возможно, экологическая устойчивость. Особенно это важно для агроэкосистем. Именно нарушение микробных сообществ может стать причиной разрушения всей экосистемы. Поэтому представляется важным своевременное обнаружение не изменений тех или иных параметров, а изменений состояния почвенной

Зависимость численности грибов почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ

200 -і 180-

160-

п

5 140

н

Удаленность ЛЭП-110 кВ

Рис. 9. Зависимость грибов от расположения ЛЭП-110 кВ

микробиоты, влекущих за собой негативные последствия. Роль каждой группы микроорганизмов в жизни почвы своеобразна и многогранна. По мнению многих исследователей, микробиота почвы очень чутко реагирует на различные изменения почвенных условий, поэтому можно обоснованно утверждать, что микробиологические показатели в наибольшей степени подходят для ранней диагностики техногенного повреждения педосферы.

Литература

[1] Сподобаев, Ю.М. Основы электромагнитной экологии / Ю.М. Сподобаев, В.П. Кубанов. М.: Радио и связь, 2000. 239 с.

[2] Электромагнитные поля в окружающей среде. Расчет электромагнитных полей распределительных и оконечных устройств сетей энергоснабжения: метод. указания. Самара, 2005. 57 с.

[3] Дубров, А.П. Геомагнитное поле и жизнь / А.П. Дубров. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 176 с.

[4] Пресман, А.С. Электромагнитные поля в биосфере / А.С.Пресман. М.: Знание, 1971. 63 с.

[5] Захаров, В.Б. Биология. Общие закономерности / В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. М.: Школа-Пресс, 1996. 13-16с.

[6] Фролов, Ю.П. Управление биологическими системами. Молекулярный уровень. Самара: Изд-во ’’Самарский Университет”, 1999. 28 с.

[7] Управление биологическими системами. Организменный уровень /

Ю.П. Фролов [и др.] Самара: Изд-во ’Самарский университет”, 2001.

318с .

осенний период

весенний период  летний период

[8] Акоев, И.Г. Биологические эффекты электромагнитных полей. Вопросы их использования и нормирования: сб. науч. тр. / И.Г. Акоев. Пущино, 1988. 129-135 с.

[9] Григорьев, О.А. Проблема экологических нормативов в условиях электромагнитного загрязнения окружающей среды / О.А. Григорьев, А.В. Меркулов // Электромагнитные поля и здоровье человека. Фундаментальные и прикладные исследования. М, 2002.

[10] Кулагина, А.В. Специальные аспекты проблемы оценки влияния на население электромагнитных полей неионизирующей природы / А.В. Кулагина, В.Г. Петин // Электромагнитные поля и здоровье человека. Фундаментальные и прикладные исследования. М, 2002.

Поступила в редакцию 5/V/2006; в окончательном варианте — 5/V/2006.

ECOLOGICAL MONITORING OF STRUCTURE OF GROUND IN THE ZONE OF ACCOMMODATION OF HIGH-VOLTAGE POWER LINE

© 2006 V.N.Dovbishf M.Y. Maslov6 O.Y. Sarokvasha7

In the paper the problems related to analysis of effect of an electromagnetic field of high-voltage power line on the structure of microflora of soil in a zone of its accommodation are considered. Results for area of 110 kV power line near Bezenchuk town of the Samara region are given.

Paper received 5/V/2006. Paper accepted 5/V/2006.

5Dovbish Vladimir Nicolaevich, Russian Natural Inspectorate of Samara Region, Samara, 443010, Russia.

6Maslov Michail Yrievich, Volga Region State Academy of Telecommunication and Information Science, Samara, 443099, Russia.

7Sarokvasha Oksana Yurievna (sarokvashaSmail.ru), Dept. of Biochemistry, Samara State University, Samara, 443011, Russia.