СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ ТЕРРИТОРИИ
METHOD OF ASSESSMENT OF TERRITORY ATMOSPHERE ENVIRONMENTAL CONDITION

Изобретение относится к способам определения загрязненности воздуха при санитарно-гигиеническом контроле воздуха и может быть использовано для оценки экологического состояния атмосферы различных территорий, в том числе для их ранжирования по этому критерию.
Известен способ определения степени загрязнения атмосферы, включающий контроль реакции индикатора загрязнения, в зависимости от которой осуществляют зонирование территорий или их участков по степени загрязнения ( №2213361, G01W 1/00, G01N 33/00, 2002). При этом используют метод фитоиндикации, предусматривающий использование биоиндикатора, в качестве которого используют березу повислую, при этом определяют степень загрязнения серосодержащими соединениями, при этом показателем является количество накопленной экзогенной серы в ее листьях. Количество экзогенной серы в листьях определяют по разнице между количеством общей серы в месте определения и количеством серы в них на участке контроля. На основании полученных данных проводят экологическое зонирование территорий.
К недостаткам известного решения относится выявление ограниченного перечня загрязнений. Кроме того, не обеспечивается выявление крупности загрязнений и недостаточна достоверность выявления тонких взвесей, которые «уходят» в массу фильтрующего материала.
Известен способ экологического зонирования территорий, включающий программную обработку получаемых с орбитальных комплексов спектрозональных снимков территории, включающих контрольные промышленные площадки. Использование для оценки экологической ситуации результирующего вектора техногенных нагрузок состояния пяти сред - атмосферного воздуха, почвы, воды, геологической среды и растительности, обеспечивает интегральную оценку состояния системы атмосфера - подстилающая поверхность. Преобразование аналоговых значений спектральной яркости объектов в цифровые матрицы с последующей обработкой данных в соответствии с алгоритмом, учитывающим корреляцию хроматических коэффициентов, и с привязкой изображения к географическим координатам позволяет давать документально достоверную количественную оценку зонирования ( №2132606, A01G 15/00, G01W 1/00, 1998).
К недостаткам известного решения относится сложность выявления атмосферной компоненты в фиксируемом результате и косвенная (по своей сути) оценка экологического состояния территории. Кроме того, отсутствует возможность выявления крупности присутствующих взвесей, которая определяет их опасность (с точки зрения имеющихся в литературе данных, можно считать наиболее опасными частицы размером от 50-100 нм и до 1 мкм).
Известен способ оценки экологического состояния атмосферы территории, включающий отбор, предпочтительно одновременный, проб атмосферных осадков на контролируемой территории по меньшей мере в двух точках и измерение параметров природных взвесей в отобранных пробах с проведением их гранулометрического анализа (см. RU №100263, G01N 15/02, 2010). При этом обеспечивается возможность оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.
К недостаткам известного решения относится отсутствие возможности выполнения сравнительной оценки экологической опасности воздушной среды территории или ее отдельных районов, поскольку конечным результатом известного решения является набор сведений о гранулометрическом составе атмосферной взвеси, который тем шире, чем большее количество замерных точек было задействовано на конкретной территории.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности сравнительной оценки экологической опасности воздушной среды территорий или их отдельных районов в рамках территории.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности зонирования районов территории или территорий по экологической опасности воздушной среды. Кроме того, выявление названной оценки территории после получения результатов обработки проб занимает малое время.
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow>
Для решения поставленной задачи способ оценки экологического состояния атмосферы территории, включающий отбор, предпочтительно одновременный, проб атмосферных осадков на контролируемой территории по меньшей мере в двух точках и измерение параметров природных взвесей в отобранных пробах с проведением их гранулометрического анализа, отличается тем, что гранулометрический анализ взвесей дополняют их минералогическим анализом, причем по результатам гранулометрического анализа, выполненного по каждой замерной точке, определяют содержание взвесей как минимум пяти классов крупности, первый из которых менее 1 мкм, второй от 1 до 10 мкм, третий от 10 до 50 мкм, четвертый от 50 до 100 мкм и пятый свыше 100 мкм, после этого вычисляют показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории, для чего используют выражение:
t
n
где p - показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории; t - размерный класс; а - содержание взвеси конкретного размерного класса, зафиксированное на замерной точке, % массы; n - количество замерных точек, далее с использованием показателя содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории дают оценку экологического состояния атмосферы территории, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности менее 30%, а доля частиц 3 класса менее 50%, то экологическое состояние территории оценивается 1 баллом, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности превышает 30% или доля частиц 3 класса превышает 50%, то экологическое состояние территории оценивается 3 баллами, кроме того, если по результатам минералогического анализа в пробе выявляют техногенные частицы, например сажу, и/или металлы, и/или оксиды металлов, и/или волокнистых минералов, и/или стеклянных частиц, в количестве более 50% от массы пробы, результат оценки экологического состояния атмосферы территории на основе гранулометрического анализа взвесей умножают на 2, при этом территорию относят к экологически неблагополучным, если ее оценка в баллах превышает 6, при этом территорию относят к относительно благополучным, если ее оценка в баллах находится в пределах от 4 до 6, при этом территорию относят к экологически благополучным, если ее оценка в баллах менее 4.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «…гранулометрический анализ взвесей дополняют их минералогическим анализом» позволяют выявить как состав взвесей, так и их происхождение, что дает возможность уточнить опасность взвесей для человеческого организма.
Признаки «…по результатам гранулометрического анализа, выполненного по каждой замерной точке, определяют содержание взвесей как минимум пяти классов крупности» позволяют оценить долю фракций, наиболее опасных для организма, в объеме пробы и по этому фактору сделать оценку экологического благополучия территории.
Признаки, указывающие на фракционный состав классов крупности взвесей «…первый из которых менее 1 мкм, второй от 1 до 10 мкм, третий от 10 до 50 мкм, четвертый от 50 до 100 мкм и пятый свыше 100 мкм», позволяет оценить содержание в пробе, соответственно, наиболее опасных фракций, опасных фракций, фракций средней опасности и относительно безопасных фракций (два последних диапазона крупности).
Признаки, указывающие, что после определения содержания взвесей в названных классах крупности в пробах, взятых на каждой замерной станции (точке), «вычисляют показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории», позволяют интегрально учесть все данные замеров, полученных на территории, что послужит основой для ранжирования территории по степени ее экологического благополучия.
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow>
Признаки, указывающие, что для вычисления показателя содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории «используют выражение:
t
n
где p - показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории; t - размерный класс; а - содержание взвеси конкретного размерного класса, зафиксированное на замерной точке, % массы; n - количество замерных точек», конкретизируют порядок математической обработки информационного массива, полученного по результатам замеров.
Признаки, указывающие, что «с использованием показателя содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории дают оценку экологического состояния атмосферы территории, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности менее 30%, а доля частиц 3 класса менее 50%, то экологическое состояние территории оценивается 1 баллом, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности превышает 30% или доля частиц 3 класса превышает 50%, то экологическое состояние территории оценивается 3 баллами», обеспечивают получение критериев для предварительной оценки экологического благополучия территории на основе количественных показателей содержания названных фракций взвесей.
Признаки, указывающие, что «если по результатам минералогического анализа в пробе выявляют техногенные частицы... в количестве более 50% от массы пробы, результат оценки экологического состояния атмосферы территории на основе гранулометрического анализа взвесей умножают на 2», позволяют уточнить предварительную оценку экологического благополучия территории и выполнить ее окончательную оценку.
Признаки, указывающие, что к техногенным частицам относят «сажу, и/или металлы, и/или оксиды металлов, и/или волокнистых минералов, и/или стеклянных частиц», определяют возможные примеры таких материалов.
Признаки, указывающие, что «территорию относят к экологически неблагополучным, если ее оценка в баллах превышает 6, при этом территорию относят к относительно благополучным, если ее оценка в баллах находится в пределах от 4 до 6, при этом территорию относят к экологически благополучным, если ее оценка в баллах менее 4», позволяют ранжировать территорию по одному из трех классов - либо как экологически неблагополучную, либо как экологически относительно благополучную, либо как экологически благополучную.
Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, при этом совокупность ее признаков обеспечивает возможность оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.
На фиг.1 показана таблица 1 «Распределение частиц в снеге по фракциям на станциях отбора проб»;
На фиг.2 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-1;
На фиг.3 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-2;
На фиг.4 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-3;
На фиг.5 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-4;
На фиг.6 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-5;
На фиг.7 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 1-6;
На фиг.8 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-1;
На фиг.9 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-2;
На фиг.10 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-3;
На фиг.11 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-4;
На фиг.12 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-5;
На фиг.13 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси из станции 2-6;
На фиг.14 показано распределение частиц взвесей по основным размерным фракциям и их доля (в %) в пробах взвеси по городу в целом;
На фиг.15 показана таблица 2 «Физические параметры частиц взвеси, содержавшихся в снеге в различных районах г. Хабаровска».
На территории, подлежащей контролю и зонированию, размещают замерные точки (станции). Оборудуют эти замерные станции средствами сбора осадков, выполненных по типу дождемеров (плювиометров) - приборов, используемых для измерения количества осадков (дождя и снега). При работе со снегом возможен прямой отбор пробы из свежевыпавшего снега в герметично закрывающиеся контейнеры.
Пробы снега собирают в трехлитровые контейнеры из верхнего слоя только что выпавшего снега (используют полипропиленовые контейнеры, предназначенные для хранения пищевых продуктов). После того, как снег в контейнерах растаивал, жидкость взбалтывали, затем из каждой пробы набирали 60 мл в кювету измерительного прибора, в качестве которого использовали лазерный анализатор частиц, в данном случае типа Fritch Analysette 22 Nano Tec (Fritch).
Этот прибор имеет диапазон измерений от 0,01 мкм до 2000 мкм. Принцип действия прибора базируется на лазерной дифракции (метод, основанный на зависимости угла рассеяния света от их размеров - чем больше размер, тем меньше рассеяние). Сквозь кювету с исследуемым образцом проходит лазерный луч, интенсивность рассеянного света снимается с фоточувствительного детектора. Расчеты ведутся по теории Фраунгофера. В качестве альтернативного метода для исследования частиц, размеры которых сравнимы с длиной волны лазера, используется метод Ми. Для расширения возможности определения размеров частиц вплоть до нанодиапазона требуется детектирование рассеянного назад света. Чтобы использовать для измерения также обратное рассеяние, используется второй лазерный пучок. Он дополнительно облучает помещенную непосредственно перед детектором пробу через микроотверстие в центре детектора последовательно сзади и тем самым расширяет диапазон измерений до нижнего предела измерений порядка 0,01 мкм. Для целей заявленного решения используют блок мокрого диспергирования прибора.
Далее каждую пробу анализировали на измерительном приборе,  определяли форму частиц и устанавливали их распределение по размерным фракциям.
Для выполнения минералогического анализа частиц, выявленных в жидких пробах, воду выпаривали. Сухой остаток изучали под электронным микроскопом, часть его растворяли в кислоте и анализировали на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu 6800 (Япония), а также на масс-спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Element XR (Thermo, США).
10
Для получения сухих проб непосредственно из воздуха применялись пробоотборник LSV 3.1 (Derenda, Германия) с фильтром MGG (micro-glass fibre paper) диаметром 47 мм (Munktell, Германия) с использованием оголовника РМ и пробоотборник ПУ-3Э/12 с фильтрами типа АФА (перхлорвинил).
Микрофотографирование и определение вещественного состава отдельных частиц выполнено на сканирующих электронных микроскопах: Zeiss EVO 40XVP с энергодисперсионной приставкой INCA Energy и Hitachi S3400 с энергодисперсионной приставкой Thermo Scientific.
По результатам гранулометрического анализа, выполненного по каждой замерной точке, определяют содержание взвесей как минимум пяти классов крупности, первый из которых менее 1 мкм, второй от 1 до 10 мкм, третий от 10 до 50 мкм, четвертый от 50 до 100 мкм и пятый свыше 100 мкм.
2
3
Стоит обратить внимание на то, что частицы наиболее мелкого размерного состава обладают огромной удельной площадью поверхности (до 14421,33 см/см в районе 2-1) и могут сорбировать на себе токсические вещества.
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow>
Вычисление показателя содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории, осуществляют по выражению:
t
n
где p -показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории; t - размерный класс; а - содержание взвеси конкретного размерного класса, зафиксированное на замерной точке, % массы; n - количество замерных точек, далее с использованием показателя содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории дают оценку экологического состояния атмосферы территории, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности менее 30%, а доля частиц 3 класса менее 50%, то экологическое состояние территории оценивается 1 баллом, при этом если суммарная доля частиц 1 и 2 класса крупности превышает 30% или доля частиц 3 класса превышает 50%, то экологическое состояние территории оценивается 3 баллами, кроме того, если по результатам минералогического анализа в пробе выявляют техногенные частицы, например сажу, и/или металлы, и/или оксиды металлов, и/или волокнистых минералов, и/или стеклянных частиц, в количестве более 50% от массы пробы, результат оценки экологического состояния атмосферы территории на основе гранулометрического анализа взвесей умножают на 2, при этом территорию относят к экологически неблагополучным, если ее оценка в баллах превышает 6, при этом территорию относят к относительно благополучным, если ее оценка в баллах находится в пределах от 4 до 6, при этом территорию относят к экологически благополучным, если ее оценка в баллах менее 4.
В качестве примера реализации способа приведен комплекс работ, выполненный в г. Хабаровске. Пробы снега собирались в момент снегопада зимой 2011 г. на шести станциях в г. Хабаровске, различающихся экологическими условиями. Среди них наиболее экологически напряженными являются станции, находящиеся в Центральном районе (там максимально скопление автотранспорта), район железнодорожного вокзала и нефтеперерабатывающего завода. Все территории с высоким уровнем техногенного воздействия расположены в черте города.
Станция отбора №1 парк «Динамо» расположена в Центральном районе г. Хабаровска (ул. Карла Маркса, 62), парк расположен в зоне негативного техногенного воздействия в квадрате, образованном пересечением четырех магистралей, в зоне с максимальной проходимостью населения.
Станция отбора №2 находится в районе Хабаровского нефтеперерабатывающего завода (ул.Металлистов, 17).
В Краснофлотском районе г. Хабаровска отбор проб снега осуществлялся в районе детского санатория Амурский (ст.№3). Оказываемое техногенное воздействие на данную территорию минимально, т.к. она удалена от источников загрязнения и автотранспортное движение в ней минимально.
Станция отбора №4 расположена по ул. Ухтомского в районе железнодорожного вокзала г. Хабаровска.
Станция отбора №5 находилась в зоне воздействия ТЭЦ-3, расположенной пригороде Хабаровска.
Станция отбора №6 также была определена в районе парка «Динамо» в зоне «Покоя» с минимальной посещаемостью населения.
Отбор проб проводился по указанным точкам дважды: 23.12.2011 г. (станции 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6) и 25.12.2011 г. (станции 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6).
Метеоусловия в период отбора проб приведены в табл.1.
Таблица 1
Основные метеопараметры в течение дня отбора (min, max)
Дата
Т, °С(min, max)
Ро, мм  рт.ст. (min, max)
Относительная влажность, % (min, max)
Направление ветра, румбы (смена один раз в 3 часа)
Средняя скорость ветра за период 2 мин на высоте 10-12 м над землей, м/с (min, max)
23.12
-17,2;
756,4;
80; 84
ЗCЗ, З, З, ЗСЗ, З, ЗСЗ; ШТЛ; С
0; 4
-19,7
758
Снег непрерывный слабый
Общая облачность - 100%
25.12
-11,1;
753,4;
81; 87
ЗСЗ; ЗСЗ; З; ЗСЗ; З; ЗЮЗ; ЗЮЗ; ЗЮЗ
2; 4
-19,1
757,1
Снег непрерывный от слабого до умеренного
Общая облачность - 100%
Данные по станции 1-1, характеризуются наличием 3 фракций (см. фиг.2).
Данные по станции 1-2 характеризуются наличием 4 фракций (см. фиг.3).
Данные по станции 1-3 характеризуются наличием 2 фракций(см. фиг.4).
Данные по станции 1-4, характеризуются наличием 3 фракций (см. фиг.5).
Данные по станции 1-5, характеризуются наличием 8 фракций (см. фиг.6).
Данные по станции 1-6, характеризуются наличием 5 фракций (см. фиг.7).
Данные по станции 2-1, характеризуются наличием 1 фракции (см. фиг.8).
Данные по станции 2-2, характеризуются наличием 3 фракций (см. фиг.9).
Данные по станции 2-3, характеризуются наличием 5 фракций (см. фиг.10).
Данные по станции 2-4, характеризуются наличием 8 фракций (см. фиг.11).
Данные по станции 2-5, характеризуются наличием 4 фракций (см. фиг.12).
Данные по станции 2-6, характеризуются наличием 2 фракций (см. фиг.13).
Результаты обработки замеров (доля содержания частиц взвесей в снеге по фракциям на станциях отбора проб) приведены в таблице (см. фиг.1).
Как можно видеть, частицы с диаметром менее 10 мкм в достаточно значимом количестве встречаются в районах: 1.3, 1.4, 2.1, 2.2 и 2.5.
Наибольшее количество мелких частиц, взвешенных в атмосферном воздухе, выявлено в районах 2.1. В данных районах в воздухе содержатся самые опасные для здоровья человека фракции. Это можно объяснить повышенным грузопотоком транспорта на перегоне ул.Карла Маркса и высоким количеством пробок на дороге.
На станциях отбора проб 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.2, 2.4 и 2.5 были отмечены довольно высокое содержание взвесей с размером от 10 до 50 мкм.
Наиболее крупные частицы взвесей (до 1 мм) встречались в образцах из районов 1.6, 2.6 (парк «Динамо»), 2.3 (детский санаторий), 2.4 (железнодорожный вокзал), ранжированных как наиболее благоприятные районы для проживания.
Более детальные физические характеристики частиц взвеси, обнаруженных в снеге, которые также получены с помощью лазерного анализатора, приведены в (табл.2 - см. фиг.15).
2
3
Обращает внимание, что частицы наиболее мелкого размерного состава обладают огромной удельной площадью поверхности (до 14421,33 см/см в районе 2-1) и могут сорбировать на себе токсические вещества.
t
Полученные данные по названным замерным станциям позволили провести первичное эколого-гигиеническое районирование г. Хабаровска по содержанию микрочастиц атмосферных взвесей, при этом результат (p - показатель содержания взвесей каждого класса на контролируемой территории) получали следующим образом:
1
Р=12/1+8+2=0,9%;
2
Р=12/2+9+(77/3)18+7+(3/1)100+31+3+5+29=20,25%;
и т.д. (данные по каждой выделяемой фракции из семи, приведены на фиг.14).
Стоит также отметить, что одно из самых интересных наблюдений - это сохранение общих тенденций в одних и тех же станциях отбора в разные временные точки. Например, в пробах со станций 1-6 (23.12.2011) и 2-6 (25.12.2011) сохраняется преобладающий диапазон разброса (88% частиц от 60 до 600 мкм на станции 1-6 и 100% частиц от 90 до 900 мкм на станции 2-6), но изменяется число и соотношение фракций.
Хотя необходимо указать и станции, в которых пробы, собранные в разные дни (23.12.2011 и 25.12.2011), отличаются достаточно сильно (например, 1-3 и 2-3). Становится понятным, что при установлении гранулометрических характеристик в тех или иных районах можно говорить лишь о преобладающих размерах или фракциях, поскольку на данные показатели влияет огромное количество факторов, как постоянных (климат, направление ветра, сезонность), так и временных (техногенных: строительство дорог, появление новых предприятий с большим выбросом и природных: пыльные бури и тайфуны).