К вопросу о региональном и локальном уровне загрязнения атмосферы

Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189).

Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 5-10.

общие вопросы экологии и природопользования

С. М. Абдуллаев, И. В. Грачёва, Ю. А. Сапельцева, С. Г. Агеев

к вопросу о региональном и локальном уровне загрязнения атмосферы

Данные о химическом составе осадков в Уральском регионе (1970-2000) и снеговом покрове г. Касли (1992-1993) используются для оценки регионального и локального уровня загрязнения атмосферы. Показано, что в последние десятилетия в регионе наблюдается рост минерализации и рН атмосферных осадков, сопровождающийся изменением вклада отдельных макрокомпонент, а локальный уровень загрязнения снега г. Касли растворимыми компонентами является промежуточным между промышленными и сельскохозяйственными районами. Обсуждаются вопросы о связи минерализации и рН осадков.

Ключевые слова: загрязнение среды, химический состав атмосферных осадков, мониторинг загрязнения снежного покрова.

Южно-Уральский регион характеризуется высоким уровнем загрязнения воздушной среды, обусловленным развитием чёрной и цветной металлургии, горнодобывающей отрасли промышленности и энергетики. В то же время регулярный мониторинг загрязнения воздуха ведётся лишь в трёх городах области: Челябинске, Магнитогорске и Златоусте. В остальных промышленных городах наблюдения носят в лучшем случае эпизодический характер. В целом можно сказать о том, что сеть локального мониторинга области явно не достаточна, а региональный мониторинг загрязнения воздуха не ведётся. Одним из возможных способов оценки изменения уровня и пространственных масштабов локального загрязнения в городах является исследование химического состава снегового покрова. Однако в такого рода работах всегда возникают вопросы, касающиеся уровня фонового регионального загрязнения атмосферных осадков, дороговизны химических анализов, количественного сопоставления уровней загрязнения различных территорий, необходимого для оценки воздействия крупных объектов на среду, например, Южно-Уральской АЭС. Как будет показано ниже, частичным решением этой проблемы является оценка минерализации, кислотности и основных ионов в снеговом покрове и атмосферных осадках на отдельных метеостанциях.

Работа состоит из двух частей. В первой части на основе обработки данных мониторинга химического состава атмосферных осадков, выпадавших на Южном Урале и сопредельных территориях в 1970-1975 и 1993-2006 гг., обнаружена

зависимость показателей минерализации и кислотности осадков от природных условий и антропогенной нагрузки в пунктах наблюдений. Во второй части по данным мониторинга снегового покрова в г. Касли и Кыштым в 1992-1993 г. показано, что аналогичные зависимости наблюдаются в локальных масштабах.

химический состав осадков Уральского региона. Рассматриваемые нами метеостанции расположены как в крупных городах (Челябинск, Курган, Уфа) и районах интенсивного промышленного освоения (ст. Богданович, В. Дуброво, Невьянск, Краснотурьинск, Кудымкар и др.) с чётко выраженным техногенным влиянием на атмосферу, так и в удалённых от них районах преимущественно сельскохозяйственного освоения (ст. Мирный, Варна, Шатрово, Лебяжье, Памятная, Усть-Чёрная, Вая и др.).

Результаты исследования выявили три основных фактора пространственно-временной изменчивости химического состава атмосферных выпадений.

Во-первых, обнаружена взаимосвязь минерализации и кислотности атмосферных осадков с характером техногенного освоения исследуемого региона. Минерализация дождевых и снеговых осадков в зонах размещения крупных промышленных предприятий составляет в среднем 30-45 мг/л (рис. 1), что в 1,5-2 раза больше, чем в слабо освоенных районах (20-27 мг/л).

Подобная закономерность характерна и для концентраций основных анионов НСО3 , $04 , С1- и катионов Са2+ и Mg2+. В осадках промышленных районов средневзвешенное по массе

Рис. 1. Средневзвешенные значения минерализации и концентраций ионов в атмосферных осадках

содержание сульфат-ионов составляет 9,816,4 мг/л, гидрокарбонат-ионов — 7,7-11,5 мг/л, ионов кальция — 3,8-6,4 мг/л, ионов магния — 1,3-1,8 мг/л, то есть в 1,5-2 раза больше, чем в районах с преобладающим сельским хозяйством. Разница в соотношении хлорид-ионов также наблюдается, хотя выражена слабее.

Во-вторых, дифференцированный анализ химического состава твёрдых и жидких выпадений выявил следующую закономерность. Осадки холодного периода более минерализованы, нежели осадки тёплого периода (см. рис. 1). Таким образом, в процессах вымывания загрязняющих веществ из атмосферы важную роль играет фазовое состояние выпадающих осадков.

Кроме того, осадки в виде снега характеризуются высоким содержанием сульфат-ионов, определяя значительную долю ионов SO42 - в общей минерализации осадков именно в зимний период. Это обстоятельство, очевидно, объясняется увеличением серосодержащих выбросов топливно-энергетического комплекса вследствие сжигания топлива, что, в свою очередь, является результатом высокого потребления энергии в холодное время года.

В-третьих, при сопоставлении двух периодов — 1970-1975 и 1993-2001 гг.— обнаружена общая тенденция к повышению минерализации (в среднем на 7 мг/л) и изменению относительного содержания ионов (рис. 1, 2). Рост минерализации, как видим, обусловлен увеличением гидрокарбонатов в среднем на 3 мг/л и ионов кальция — на 1,5 мг/л. Как следствие, в 1990-х гг. значительно увеличилась доля гидрокарбонатов: с 21-26 до 24-40 %.

Содержание сульфат-ионов, напротив, снизилось. Это, очевидно, объясняется снижением выбросов серосодержащих загрязняющих веществ, что, в свою очередь, является результатом природоохранных мероприятий 1980-х гг. Причём снижение концентраций ионов SO4- отмечалось как в осадках, выпадавших в районах размещения крупных предприятий промышленности, так и в районах с меньшей техногенной нагрузкой. Таким образом, прослеживается влияние крупных источников выбросов на региональном уровне.

Результаты анализа кислотности выпадающих осадков также выявили взаимосвязь водородного показателя рН, подобно минерализации, со степенью техногенной нагрузки. Дождевые и снеговые осадки, выпадающие на метеостанциях, расположенных непосредственно в зоне влияния выбросов крупных промышленных предприятий, имеют более высокие значения и составляют порядка 5,8-6,0 единиц в 1970-1975 гг. и 6,4-6,5 единиц в 1993-2001 гг. В районах с меньшей техногенной нагрузкой значения рН находятся в пределах 5,7-5,9 единиц в 1970-х гг. и 6,2-6,3 единиц в 1990-х. Хотя осадки рассматриваемых нами периодов относятся к слабокислым, в 1990-х гг. величина рН приблизилась к верхней границе данной категории, что особенно заметно для осадков промышленных городов. Основной вклад в процесс «подщелачивания» осадков, очевидно, вносят анионы НСО3 и катионы Са2+, Mg2+, нейтрализующие кислотную составляющую, представленную главным образом анионами SO4 -.

1970-1975 гг.

1993-2001 гг.

Г идрокарбонаты II Нитраты Сульфаты

Другие ионы

Рис. 2. Относительный вклад основных ионов в минерализацию атмосферных осадков тёплого

и холодного (внизу) периодов 1970-1975 и 1993-2001 гг.: а) в районах интенсивного промышленного освоения; б) в слабо освоенных районах

Анализ химического состава атмосферных осадков, выпадавших на территории Южного Урала и сопредельных территорий, выявил значительную зависимость изменения показателя рН от их общей минерализации (коэффициент корреляции 0,61). С увеличением минерализации атмосферных выпадений происходит и рост величины рН (рис. 3).

О связи между уровнем рН и твёрдыми выбросами говорят следующие факты. Значения рН осадков в пунктах, расположенных непосредственно в черте крупных городов (Челябинск и Курган), в отдельные периоды значительно превышали региональный фон, характерный для ст. Памятная, входящей в сеть фонового мониторинга Глобальной службы атмосферы

Водородный показатель pH

Сумма ионов, мг/л

Рис. 3. Зависимость величины рН от минерализации атмосферных осадков по данным станций Уральского региона в 1993-2001 гг.

Всемирной метеорологической организации. Средневзвешенные значения рН в городах по сезонам года достигали 7-8 единиц.

В течение 1996-2006 гг. произошло увеличение концентраций ионов водорода в атмосферных осадках Кургана практически на два порядка. Уменьшение рН объяснимо сменой используемого топлива с угля на газ в теплоэнергетике [1]. Коэффициент корреляции между массой выбросов твёрдых частиц и значениями рН достигает 0,81 в холодный период и 0,67 в тёплый. В Челябинске с 2007 г. отмечено снижение щёлочности атмосферных осадков. Содержание Н+ повысилось на порядок, наметился переход осадков из категории щелочных в слабокислые. Кислотность атмосферных осадков Челябинска также определятся структурой выбросов промышленности [Там же].

Анализ загрязнения на локальном уровне. Для оценки загрязнения снегового покрова в г. Касли и Кыштым проведена обработка первичных данных химического анализа растворимых и нерастворимых компонентов проб снежного покрова, полученных посредством полевых изысканий НПП «Прогноз» в 1992-1993 гг. Здесь мы приводим только часть результатов, полученных в ходе разработки отчёта [2]. Среднее содержание пыли в снежном покрове города составляет 680-750 мг/л при минимальных значениях, характеризующих фон 40-80 мг/л и максимумов в 3000-4000 мг/л. На рис. 4 представлена концентрация запылённости снежного покрова в зимний период 1991-1992 и 1991-1993 гг.

Основной максимум запылённости со значениями более 1 г/л располагаются в центральной, административной части города, согласуясь также с положением машзавода и розой ветров. Здесь же проходят основные транспортные линии. Запылённостью более 0,5 г/л характеризуются ближайшие окрестности ДРСУ, улицы к юго-востоку от машзавода, участок к юго-востоку от базы промкомбината и к востоку от коллективного сада им. Первого мая. Минералогический анализ показывает, что эти пыли на 90 % состоят из естественных минералов.

Около 10 % массы пылей можно определённо отнести к техногенным образованиям — это преимущественно углистые образования и примазки, содержащие токсичные металлы и мышьяк. Анализ химического состава инфильтрата установил, что, несмотря на очевидную изменчивость источников загрязнения и метеороло-

гических условий распространения примесей, в течение около 2 лет среднее относительное содержание ряда элементов (М, ТС) в пылях (мкг/ кг) практически не меняется. Относительное содержание других элементов, таких как медь и цинк, испытывает значительные колебания, что свидетельствует о нестационарном характере их источников.

При диапазонах изменений от 16 до 260 мг/л в среднем минерализация (сумма ионов) снежного покрова составляет 48 мг/л, что говорит об относительно малом массопотоке растворимых аэрозолей в г. Касли по сравнению с нерастворимыми пылями (1:10-1:20). Поскольку это значение приблизительно равно среднему значению минерализации осадков в зонах промышленного освоения (47 мг/л, см. выше) и в два раза больше, чем в регионах преимущественно сельскохозяйственного освоения (27 мг/л), то можно было бы сделать вывод о том, что район г. Касли относится к районам высокого промышленного освоения. Однако следует учесть, что время экспозиции снега сухим выпадениям намного больше, чем проб осадков. Как показывает пространственное распределение суммы основных ионов (рис. 4), в локальных максимумах, приуроченных к объектам с наибольшими выбросами загрязняющих веществ (машзавод, промкомбинат, ул. Коммуны) и организующих полосу северо-западной ориентации, сухие выпадения могут превышать средние значения в два-три раза.

Аналогичные выводы можно сделать из анализа рН: в среднем по территории города фильтрат снега имеет более щелочную реакцию (6,48) нежели рН ~ 5,6 чистых атмосферных осадков и соответствуют средним значениям рН = 6,5 в снеге и дожде зон интенсивного промышленного освоения и несколько более щелочную, чем в сельскохозяйственных районах.

В то же время, как и для минерализации, наблюдаются значительные неоднородности распределения рН снега (рис. 5). Область со значениями рН больше 6,5 охватывает территорию, прилегающую к хлебозаводу,— ул. Орджоникидзе и Куйбышева, автовокзал, маш-завод, ул. Некрасова и 8 марта, ДРСУ, где локальные максимумы достигают 7,2-7,4 единиц. Очевидно, что эти локальные максимумы рН приурочены к областям повышенной минерализации (с коэффициентом корреляции более 0,5), подтверждая ранее сделанные предположения,

Рис. 4. Концентрация пыли (г/л, слева) и минерализация (мг/л, справа) в снежном покрове г. Касли

Рис. 5. Распределение рН (слева) и сульфат-ионов (мг/л, справа) в снежном покрове г. Касли

касающиеся геохимической обстановки городов Урала [1].

= 5,7 и северо-восточной и восточной окраине минимум рН = 5,9. Как видим из рис. 4, локаль-

С другой стороны, на окраинах города на- но высокие значения сульфат-ионов практиче-

блюдается область с рН ниже 6 единиц. В по- ски совпадают с максимумами рН, что свиде-

лосе пониженных значений минерализации на тельствует об одновременном выбросе боль-

юго-западе города наблюдается минимум рН шого количества подщелачивающих примесей

от промпредпритий (схожие результаты получены и для г. Кыштыма).

Аналогично, значения концентраций сульфат-иона 12 мг/л (см. рис. 5), несколько меньше, чем в среднем в осадках промышленных центров (14 мг/л), а содержание гидрокарбонатов, азотсодержащих солей и концентрации щелочных металлов приближается к соответствующим значениям для промышленных районов. С учётом разностей в длительности экспозиции снега и проб осадков можно утверждать, что степень антропогенного воздействия в г. Касли занимает промежуточное положение между районами интенсивного и слабого промышленного освоения. Предварительно можно сказать, что сухие выпадения растворимых компонент в зимний период в среднем составляют около 20 мг/л, то есть не менее половины выпадает с осадками. На фоне умеренных значений минерализации и слабого подщелачивания (рН = 6,5) выделяются отдельные их максимумы, приуроченные к основным источникам загрязнения.

Таким образом, обработка данных химического состава осадков в Уральском регионе и снеговом покрове г. Касли показала, что снеговая съёмка, дополненная данными об уровне регионального загрязнения, может использоваться для оценки уровня локального загрязнения атмосферы и локализации источников выбросов.

Показано, что в последние десятилетия на региональном уровне наблюдается рост минерализации и рН атмосферных осадков, сопровождающийся изменением вклада отдельных макрокомпонент. Очевидна связь между высокими значениями минерализации и рН осадков.

Предварительно можно говорить о том, что локальный уровень загрязнения снега г. Касли растворимыми компонентами является промежуточным между промышленными и сельскохозяйственными районами. В ближайшее время нами будет представлен дополнительный анализ ситуации в г. Кыштыме и Челябинске.

Список литературы

1. Абдуллаев, С. М. Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем / С. М. Абдуллаев, Е. Г. Кораблёва, Ю. А. Сапельцева, А. В. Егорова, В. А. Бабинцева, Е. А. Неверова // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2008. № 17. Экология. Вып. 3. С. 41-53.

2. Плохих, Н. А. Отчёт о результатах снеговой съёмки г. Касли в 1993 г. / Н. А. Плохих, И. В. Грачёва ; Челяб. обл. центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Челябинск, 1993. 64 с.