Локальные геохимические наблюдения пылеаэрозолей в пределах городской и пригородной зон

Вычислительные технологии

Том 11, часть 1, Специальный выпуск, 2006

ЛОКАЛЬНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ПЫЛЕАЭРОЗОЛЕЙ В ПРЕДЕЛАХ ГОРОДСКОЙ И ПРИГОРОДНОЙ ЗОН

А. В. Таловская, Е. Г. Язиков Томский политехнический университет, Россия e-mail: talovskaj@yandex.ru

Results of the detailed monitoring (2001-2006) of the dust-aerosols fallouts on the snow cover in the southern district of Tomsk and in Timiryazevo (suburb located in 4-5 kms from the town) are presented. Investigations are based on a study of the mineral composition of a solid residue of snow using a binocular stereoscopic microscope, radiography analysis and impulse cathodic luminescence method. Geochemical composition was studied with the help of neutron-activation analysis technique and f-radiography method. Using the obtained data the composition and the geochemical characteristics of solid residue of snow and the daily average dust loading were determined.

В настоящее время пылеаэрозоли, поступая в атмосферу во все возрастающем количестве в связи с хозяйственной деятельностью человека, являются не только заметным климатообразующим, но и мощным экологическим фактором в крупных регионах и городах. Атмосферные движения способствуют переносу загрязнений далеко за пределы промышленных центров. В связи с этим изучается химический состав аэрозольных частиц как на территории города, так и за его пределами. Особое внимание уделяется частицам тяжелых металлов, но, к сожалению, имеется только ряд работ по исследованию редких, редкоземельных и радиоактивных элементов в пылеаэрозольных выпадениях [1, 2].

Наличие на территории Томской области нефтехимического комбината, а также предприятия ядерно-топливного цикла — Сибирского химического комбината приводит к интенсивной деградации природной среды и формированию специфической геохимической обстановки [3]. Коллективом кафедры геоэкологии и геохимии ТЪмского политехнического университета ('ПIN ) наработан определенный опыт в проведении комплексных эколого-геохимических исследований различных сред.

Одной из наиболее информативных природных сред, позволяющих исследовать твердые атмосферные загрязнения, является снеговой нокров [4]. Для оценки твердофазных выпадений снегового покрова в южной части г. Томска (на примере района, где находятся учебные корпуса ТПУ) и пригороде (п. Тимирязеве) авторами в течение зимнего периода 2001-2006 гг. проводился комплексный мониторинг пылеаэрозольных выпадений. На территории южного округа города в зоне жилой застройки располагаются группа крупных промышленных предприятий по металлообработке и чугунолитейному производству, а также топливно-энергетический комплекс (ГРЭС-2),

© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2006.

Пробы отбирались методом шурфа на всю мощность снежного покрова, за исключением слоя в 5 см над почвой, с замером площади шурфа. Твердая нерастворимая фракция выделялась в ходе последовательных операций, таких как фильтрация, просушивание, просеивание и взвешивание. Полученный твердый осадок снега (ТОС) просеивался до фракции менее 1 мм. Все дальнейшие работы выполнялись с учетом методических рекомендаций, приводимых в работах В.Н, Василенко [4], методических рекомендаций ИМГРЭ [5] и руководства по контролю загрязнения атмосферы (РД 52,04,186-89) [6], Все пробы отбирались каждый месяц в течение зимнего периода.

Вещественный состав проб изучался с применением стереоскопического бинокулярного микроскопа, рентгеноструктурного анализа и с использованием катодной люминесценции. Все пробы исследованы с помощью инструментального нейтронно-активационного анализа (ПИЛЛ) на радиоактивные, редкие и редкоземельные элементы в ядерно-геохимической лаборатории ТПУ (аналитик Л.Ф. Суды ко). Методом Г-радиографии выявлено пространственное распределение изотопа урана в пылеаэрозольных выпадениях. По полученным данным рассчитывались величина среднесуточной пылевой нагрузки (Рп), коэффициент концентрации (Кс) и общая нагрузка, создаваемая поступлением химического

Р

земельных, редких и радиоактивных элементов рассчитывалась относительно геохимического кларка ноосферы.

Согласно результатам наблюдения, величина среднесуточной пылевой нагрузки в целом в зимний период 2001—2006 гг. для города изменялась от 20 до 100кг/км2 в сутки,

а для пригорода — от 10 до 60кг/км2 в сутки, эти данные соответствуют низкому уров-

2

Ю.Е, Саетом и др. [7], Однако при сравнении с фоновой нагрузкой для нечерноземной 2

в 1,5-5 раз — для пригородной, а на периоды 2002-2003 гг. и 2005-2006 гг. приходится максимальная пылевая нагрузка (табл. 1),

Таблица 1. Среднесуточная пылевая нагрузка и минерально-вещественный состав пылеаэрозолей в зимний период 2000-2006 гг.

Год Пылевая Содержание Содержание

опробования нагрузка, природных техногенных

кг/км2 • сут и биогенных частиц, % частиц, %

Городская зона

2000- -2001 73 30 70

2001- -2002 42 38 62

2002- -2003 113 24 76

2003- -2004 20 25 75

2004- -2005 20 24 76

2005- -2006 46 18 82

Е ригородная зона

2000- -2001 48 25 75

2002- -2003 58 20 80

2003- -2004 15 11 89

2004- -2005 13 30 70

2005- -2006 32 10 90

Импульсная катодная люминесценция позволила определить в пробах частицы природного происхождения, которые дают характерное свечение: кварц — голубое, полевой шпат - розовое, кальцит - желтое [8]. По результатам рентгеноструктурного анализа в пробах TOC преимущественно фиксируется кварц [9].

В пробах TOC с применением бинокулярного стереоскопического микроскопа определялось процентное соотношение частиц природного и техногенного происхождения, В пробах TOC городской зоны на природную составляющую (кварц, полевой шпат, слюда и др.) приходится 25, ,,35%, а на техногенные частицы (муллит, ферромагнезит, сажу, шлак и др.) — 65,,, 75 %, тогда как в пробах TOC пригородной зоны на природные частицы приходится 10,,, 25 %, а на техногенные — 75,,, 90 % (табл. 1), При этом в течение всего периода наблюдений в пунктах мониторинга основная доля загрязнений приходилась на техногенные частицы, характерные для теплоэнергетического комплекса (60. ..80%), — сажа, шлак, муллит. Данное соотношение не изменялось в течение всего периода наблюдения (2001-2006 гг.). Наибольшее содержание техногенной пыли приходилось на периоды 2002-2003 гг. и 2005-2006 гг.

По результатам III1Л Л отмечается, что динамика поступления редких, редкоземельных и радиоактивных элементов на снеговой покров весьма неоднородна как по годам, так и по месяцам. При этом пробы в пунктах мониторинга имеют повышенные концентрации

Таблица 2. Величина техногенной нагрузки Р0бщ на снеговой покров и содержание радиоактивных элементов в твердом осадке снега городской и пригородной зон

Период и, мг / кг Th, мг / кг Th/U Робщ, г/

и Th

Городская зона — по годам

2000-2001 5 10.3 2.1 0.08 0.2

2001-2002 0.7 5.5 7.9 0.03 0.2

2002-2003 5.4 10.9 2 0.3 0.6

2003-2004 3.3 5.4 1.6 0.1 0.2

2004-2005 4.6 8 1.7 0.09 0.2

2005-2006 4.1 7.9 2 0.2 0.4

Городская зона — по месяцам

Декабрь 38.9 9.7 0.2 3 0.7

Январь 12.7 10 0.8 0.6 0.5

Февраль 6.4 9.2 1.4 0.16 0.2

Март 3.4 8.9 2.6 0.1 0.2

Пригородная зона — по годам

2000-2001 2.2 7.7 2.7 0.1 0.3

2001-2002 5.2 7.3 1.4 0.2 0.3

2002-2003 4.7 11.1 2.4 0.1 0.3

2003-2004 4 6.7 1.7 0.06 0.1

2004-2005 5.9 10.3 1.7 0.08 0.1

2005-2006 5.2 10.7 2 0.2 0.5

Пригородная зона — по месяцам

Декабрь 5.2 7.3 1.4 0.2 0.4

Январь 7.3 8 1.1 0.2 0.2

Февраль 3.2 8.6 2.7 0.1 0.4

Март 0.4 11.1 25.8 0.02 0.4

Кларк ноосферы 1.9 7.6 - - -

лантана, церия, урана и тория относительно кларка ноосферы. Наибольшее содержание этих элементов отмечено в периоды 2002-2003 гг. и 2005-2006 гг., причем это характерно как для города, так и для пригородной зоны.

По величине торий-уранового отношения изучаемые территории можно дифференцировать на три типа природы радиоактивных элементов: урановая — менее 3, смешанная — 3-6 и ториевая — более 6 [1], В соответствии с этой дифференциацией мониторинговые территории можно отнести к урановой природе (табл. 2), что подтверждают данные о преобладании техногенной составляющей (преимущественно выбросы котельных, работающих на угле) в пробах ТОС, Исключение составляет период 2001-2002 гг. для города, где природа радиоактивных элементов ториевая.

По величине торий-уранового отношения и уровню накопления радиоактивных элементов в пылеаэрозольных выпадениях мониторинговые территории относятся к группе со средней техногенной нагрузкой (отношение ТЬ/и равно 2,5,,, 10) [10],

По отношению суммарных величин легких лантаноидов цериевой группы (Ьа+Се) к тяжелым иттриевой группы (УЬ 1.и) в 2002 г, зарегистрирована наибольшая величина легких лантаноидов (в 6-8 раз) по сравнению с другими годами наблюдения только для городской зоны, тогда как по месяцам для города и пригорода это отношение остается относительно постоянным (табл. 3),

Таблица 3. Отношение суммарных величин легких лантаноидов (Ьа+Се) к тяжелым (УЬ+Ьи) в твердом осадке снега городской и пригородной зонах

Период опробования Ьа, мг/кг Се, мг/кг Ьи, мг / кг УЬ, мг / кг Ьа+Се/УЬ+Ьи

Городская зона — по годам

2000-2001 41.4 69.9 0.42 2.8 34.6

2001-2002 32.3 55 0.05 0.3 249.4

2002-2003 41.6 79 0.49 3.3 31.8

2003-2004 26.1 43.4 0.35 1.8 32.3

2004-2005 30.8 62.5 0.23 2.4 1.8

2005-2006 34.7 64.3 0.38 2.4 35.6

Городская зона — по месяцам

Декабрь 42.1 80.8 0.24 3.4 33.7

Январь 38.8 71.5 0.42 3.4 28.8

Февраль 39 70 0.5 3.1 30.4

Март 32.2 66 0.33 2.3 37.3

Пригородная зона — по годам

2000-2001 22.7 56.9 0.3 1.9 36.2

2001-2002 22.5 53.9 0.3 1.7 38.2

2002-2003 40.4 77.7 0.5 3.1 32.8

2003-2004 29.4 48.9 0.4 2.8 24.4

2004-2005 35.4 70.7 0.3 2.7 35.4

2005-2006 34.5 76.6 0.4 2.8 34.7

Пригородная зона — по месяцам

Декабрь 22.5 53.9 0.26 1.7 39

Январь 36.7 59.1 0.4 3 28.2

Февраль 44 63 0.45 3.3 28.5

Март 39.2 81.1 0.43 3.5 30.6

По результатам геохимических рядов ассоциации элементов но убыванию коэффициента концентрации относительно кларка ноосферы в пробах ТОС городской зоны выявлены комплексные ассоциации редкоземельных, редких и радиоактивных элементов: (Ьа-Ш-и-Се) на протяжении всего периода исследования, тогда как с декабря 2002 I', но февраль 2003 I', установлена ассоциация радиоактивных и редкоземельных элементов (и-Ьа-Еи-Со), а в конце зимнего периода — редкоземельных и редких элементов (Ьа-Еи-Ш-Се), Для пригородной зоны но данным геохимических рядов выделяются преимущественно ассоциации редких, радиоактивных и редкоземельных элементов (Ш-и-Ьа-Се), тогда как с декабря 2002 г, по март 2003 г, ассоциации элементов различаются — для декабря характерна ассоциация редких и радиоактивных элементов (НТ-и-Ьа), в январе — радиоактивных и редкоземельных элементов (и-Ьа-Еп-Се), а с февраля но март — редкоземельных и редких элементов (Ьа-Се-Еи-Ш). Это можно объяснить тем, что, скорее всего, уран содержится в пробах в водорастворимой форме и но мере таяния снега поступает в почву.

Наиболее интересна динамика изменения техногенной нагрузки редкоземельных, редких и радиоактивных элементов на снеговой покров. Техногенная нагрузка имеет неоднородный характер но годам, причем наибольшие значения приходятся на 2002-2003 гг. и 2005-2006 гг. как на территории города, так в пригороде (рис. 1). По месяцам для города отмечается определенная закономерность, которая сопровождается уменьшением нагрузки от начала зимнего периода (декабрь) к моменту суммарного накопления загрязнений за весь зимний период (март) (рис. 2), тогда как для пригорода отмечается неоднородный геохимический спектр — нагрузка, создаваемая редкими элементами (Ш, Св, ГШ, Та) и ураном, уменьшается от начала зимнего периода декабря к марту; нагрузка, создаваемая редкоземельными элементами (Ьи, Ьа, Се, Эт, Ей, ¥Ь) и торием, максимальна в феврале но сравнению с другими месяцами; нагрузка, создаваемая тербием и скандием, остается относительно постоянной в течение периода наблюдений. Различие между городом и нри-

Городгкоя зона по годам

Ьи

УЪ

ЕЭ 2000-2001гт. П 2001-2002гг.

2002-2003гг.  20 03-20 04гг.

И 2004-2005гг.  2005-2006 гг.

.Пригородная зона по годам

УЪ

§3 2000-2001гг. Ш2001-2002гг.  2002-2003гг. П2003-2004гт. К) 2004-2005гт.  2005-2006 тт.

Рис. 1. Величина техногенной нагрузки на снеговой покров в городской и пригородной зонах но годам, г/(км2-сут.).

ГыроДСКня jntii ПО лтесяхрм (дркайрь ЗШ2 - март

2003)

Lu

Yb

декабрь  январь  февраль SI ыар-i

ПриГвридная злю по месяцам (декабре 2ПП2 - март 2ШЗ) Lu

УЪ

декабрь  январь ЕЭ февраль Н март

Рис. 2. Величина техногенной нагрузки на снеговой нокров в городской и пригородной зонах но месяцам, г/(км2 -сут.).

городом можно объяснить тем, что в технологическом процессе топливно-энергетического комплекса используются угли разных марок, самим технологическим процессом, а также тем, что на территории пригорода существуют еще и свои локальные источники поступления загрязнений.

На томских электростанциях используются угли Кузнецкого бассейна, которые, по данным Арбузова и др. [11|, содержат больше указанных элементов в золе угля, нежели в самом угле. В связи с этим источниками поступления редкоземельных, редких и радиоактивных элементов па территории города можно рассматривать предприятия топливно-энергетического комплекса (ГРЭС и ТЭЦ), а па территории пригорода — местные котельные, работающие в основном па угле, и дома с печным отоплением.

Таким образом, повышенные значения среднесуточной пылевой нагрузки, содержания техногенных частиц и техногенной нагрузки, создаваемой редкоземельными, редкими и радиоактивными элементами, в периоды 2002-2003 гг. и 2005-2006 гг. объясняются тем, что в холодное зимнее время общая нагрузка работы ТЭК увеличивалась па 30... 50 %. Повышенные значения отношения Th/U и суммарных величин легких лантаноидов (La+Ce) к тяжелым (Yb+Lu) для городской зоны в зимний период 2002 г. по сравнению с другими годами наблюдения можно объяснить тем, что, по данным метеослужбы, была теплая зима, что соответственно и повлияло па уменьшение использования угля в технологическом процессе топливно-энергетического комплекса.

Таким образом, изучение геохимических особенностей иылеаэрозолышх выпадений на территории города и пригорода позволит выявить динамику поступления природных и техногенных компонентов и определить источники их поступления.

Список литературы

[1] Язмков Е.Г., Рихванов Л.П. Содержание радиоактивных и редкоземельных элементов в аэрозольных выпадениях снегового покрова различных территорий Западной Сибири // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Матер. Междунар. конф., 22 24 мая 1996 г. Томск: Изд-во ТПУ, 1996. С. 312 316.

[2] Шатилов А.Ю. Вещественный состав h геохимическая характеристика атмосферных выпадений на территории Обского бассейна: Автореф. дис. ... канд. геол.-минер, наук. Томск, 2001. 22 с.

[3] Экологический мониторинг Северного промышленного узла г. Томска: проблемы и решения / Под ред. A.M. Адама. Томск: Изд-во ТГУ, 1994. 260 с.

[4] Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Ф. Фридман. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 185 с.

[5] Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982. 111 с.

[6] Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186 № 2932-83 от 24.10.83.89. М.: Госкомгидромет, 1991. 693 с.

[7] Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др. М.: Недра, 1990. 335 с.

[8] Таловская A.B. Мониторинг иылеаэрозольных выпадений территории южного округа Томска // Вест. Том. гос. ун-та. 2003. № 3 (V). С. 214-216.

[9] Таловская A.B. Состав и структура иылеаэрозольных частиц в аэрозольных выпадениях Томского региона // Высокоразбавленные системы: массоперенос, реакции и процессы: Тез. докл. нем.-рос. сем. 15-17 октября 2005 г. Томск: Изд-во ТПУ, 2005. С. 116-117.

[10] Язиков Е.Г., Рихванов Л.П., Шатилов А.Ю., Таловская A.B. Радиоактивные элементы в атмосферных выпадениях территории юга Западно-Сибирского региона // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Матер. II Международ, конф., 18-22 октября 2004 г. Томск: Изд-во "Тандем-Арт", 2004. С. 715-719.

[11] Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна / С.И. Арбузов, В.В. Ершов, A.A. Поцелуев, Л.П. Рихванов. Кемерово, 1999. 248 с.

Поступила в редакцию 19 октября 2006 г.