Анализ состояния длительного загрязнения атмосферы и снежного покрова г. Новосибирска

УДК 551.511.61

В.В. Коковкин, В.Ф. Рапута, А.Ю. Девятова, В.А. Чирков, О.Е. Казьмин ИНХ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, ИННГ СО РАН, УГМС, Новосибирск

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА Г. НОВОСИБИРСКА

Приведены результаты экспериментальных исследований загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова вблизи стационарных постов Гидрометеослужбы г. Новосибирска. Установлены качественные и количественные закономерности между содержанием ряда измеренных компонентов примеси в атмосфере и снеге, включающих сажу, бенз(а)пирен, взвешенные вещества, окислы азота, серы. Обсуждается возможность создания взаимно дополнительных систем мониторинга и получения на её основе более детальной оценки состояния длительного загрязнения атмосферы города.

V.V. Kokovkin, V.F. Raputa, A.Yu. Devyatova, V.A. Chirkov, O.E. Khazmin NIIC SB RAS, ICM&MG SB RAS, IPG&G SB RAS, MHMS, Novosibirsk

ANALYSIS OF ATMOSPHERE AND SNOW COVER LONG-TERM CONTAMINATION CONDITION FOR THE CITY OF NOVOSIBIRSK

The results of atmosphere and snow cover contamination experimental observations at Novosibirsk Hydrometeoservice net stationary posts are presented. Qualitative and quantitative regularities between measured content of impurity component series in atmosphere and snow including soot, benzo(a)pyrene, suspended substances, nitrogen and sulfur oxides are obtained. A possibility of creation of mutually complement monitoring system and estimation on its basis more detailed long term city atmosphere contamination is discussed.

Введение.

Источниками загрязнения атмосферного воздуха г. Новосибирска являются дымовые трубы промышленных предприятий, ТЭЦ, котельных, а также автомобильный транспорт. К доминирующим загрязняющим примесям следует отнести пыль, сажу, тяжёлые металлы, окислы углерода, серы, азота, формальдегид, полиароматические углеводороды (ПАУ). Для оценки уровня загрязнения атмосферы города создана сеть стационарных постов наблюдений [1]. В настоящее время в Новосибирске функционирует 10 постов, исходя из расчёта один пост на один район города.

Снежный покров является удобным индикатором аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха. Изучение пространственного распределения загрязнения в снеге позволяет ответить на многие вопросы: выявить источники выбросов аэрозольных примесей, дифференцировать зоны интенсивности воздействия и дальность распространения, оценить суммарный выброс и характеристики дисперсного состава примеси [2]. Особый интерес снежный покров представляет при изучении процессов длительного загрязнения (месяц, сезон).

Целью данной работы является выявление качественных и количественных взаимосвязей между концентрациями определённых

примесей на основании сопряженных исследований загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на постах г. Новосибирска.

1. Мониторинг загрязнения атмосферы и снежного покрова города.

Контроль качества атмосферного воздуха проводится по четырем основным параметрам (взвешенные вещества, диоксиды серы и азота, оксид углерода) и специфическим (оксид азота, хлористый водород, аммиак, фтористый водород, формальдегид, бенз(а)пирен и др.). Посты подразделяются на "региональные фоновые" (ПНЗ 47), "городские фоновые" в жилых районах (ПНЗ 24, 26), "промышленные" вблизи предприятий (ПНЗ 18, 19, 25) и "авто" вблизи автомагистралей или в районах с интенсивным движением транспорта (ПНЗ 1, 21, 49, 54). Это деление является в значительной степени условным, так как взаимное размещение жилых районов города, промышленных площадок предприятий, автомагистралей не позволяет сделать четкого разделения.

С

30 --

Рис. 1. Схема размещения стационарных ПНЗ на территории г. Новосибирска

Для Новосибирска характерно повышенное содержание в воздухе взвешенных веществ. Значительное влияние на повышенную запыленность воздуха города оказывают недостаточная благоустроенность территории, качество дорог, малое количество зеленных насаждений, а также метеорологические условия (скорость ветра, количество и интенсивность атмосферных осадков).

Основные источники выброса сажи в атмосферу города - это ТЭЦ и котельные, работающие на твердом и жидком топливе; печные трубы

частного сектора; автомобильный и железнодорожный транспорт. Повышенное содержание бенз(а)пирена в атмосфере отмечается в холодный период года, что связано с увеличением нагрузки на отопительную систему (возрастает количество сжигаемого топлива). Повышенное содержание бенз(а)пирена отмечается на автомагистральных постах, расположенных в Центральном и Заельцовском районах города.

Для атмосферы города характерно повышенное содержание оксидов азота, особенно диоксида азота. Источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются предприятия топливно-энергетического комплекса, котельные, дымовые трубы печей частного сектора, промышленные предприятия, автотранспорт, железнодорожный транспорт. Диоксид серы поступает в атмосферный воздух, как с выбросами от стационарных источников, так и с отработанными газами автотранспорта. Больше всего этой примеси содержится в выбросах автотранспорта, работающего на дизельном топливе.

Отбор проб снега производился в конце зимних сезонов 2008 и 2009 г.г. вблизи стационарных ПНЗ г. Новосибирска. Анализ снежных проб проводили в лаборатории после их топления по разным схемам в зависимости от природы определяемых компонентов. Неорганические компоненты определяли после топления проб как в осадках, так и фильтратах. Органические компоненты, в основном ПАУ, определяли после их экстракционного концентрирования в хлористый метилен из всего объема нефильтрованной пробы. После упаривания сухой остаток растворяли в ацетоне. Полученный раствор анализировали методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектором.

2. Параметры для сравнения загрязнения атмосферного воздуха и снега

Для прямого сравнения результатов измерений в воздухе и снеге были

выбраны соответственно следующие параметры: взвешенные вещества (пыль) и осадок; бенз(а)пирен в обеих средах; сажа воздуха сопоставлялась с бенз(а)пиреном и суммой ПАУ в снеге. К сожалению, бенз(а)пирен в г. Новосибирске измеряется только на трех ПНЗ. Поэтому для расширения объема выборок сравнения в данной работе была использована сажа, содержание которой в атмосфере измеряется на всех ПНЗ и которая является известным индикатором присутствия бенз(а)пирена (ПАУ) в воздухе [3].

Другими неочевидными параметрами для сравнения в рассматриваемых средах нами были выбраны: оксиды азота (N02, N0), с одной стороны, и нитраты, нитриты, с другой, а также оксид серы(1У) и сульфаты. Из литературных данных известно, что оксиды азота и серы являются газовыми предшественниками вышеперечисленных анионов в аэрозольных выпадениях в снег. Расчет среднезимних концентраций примесей, измеряемых в атмосфере, проводился за период времени с середины ноября по середину марта, что примерно соответствует периоду залегания устойчивого снежного покрова в городе.

3. Результаты и обсуждение

Результаты экспериментальных исследований приводятся в виде диаграмм, на которых по вертикальной оси представлена величина сопоставляемых параметров, на горизонтальной оси указаны порядковые номера ПНЗ. В случаях, когда между сравниваемыми величинами помимо качественного имеется и достаточно близкое количественное согласие, приводятся также диаграммы отношений (К) соответствующих параметров в снеге и воздухе.

Осадок в снеготалой пробе / взвешенные вещества в атмосфере. На рис. 2а представлена диаграмма отношений концентраций этих параметров по восьми ПНЗ за зимний сезон 2008-2009 г.г. Из диаграммы видно, что разброс отношений (К) довольно значительный и находится в интервале 0,3 до 1,5 единиц. Максимальное значение К достигается для ПНЗ 21, минимальное -для ПНЗ 47.

4 и--------------------------------------------------------------------------------------------- 25.00

номера постов

2008-2009 12007-2008

-5

Рис. 2. Отношение концентраций (К) взвешенных веществ в воздухе (мг/м ) к удельному осадку в снеге (мг/л) за зимний период 2008-2009 г.г. (а), а также

-5

диоксида азота в воздухе (мг/м ) к концентрации нитрат-ионов в снеге (мг/л) за зимние сезоны 2007-2009 гг. (б) для ПНЗ г. Новосибирска

Вместе с тем на рис. 2а можно выделить две группы постов, близких по значениям величины К. В первую группу следует включить ПНЗ 1, 19, 21, 25, а во вторую - ПНЗ 18, 24, 46, 47. Такое разделение между группами можно объяснить разнородностью территорий расположения ПНЗ.

Нитрат-анионы / оксид азота(П, IV). Сопоставление изменения концентраций оксидов азота в атмосферном воздухе, а также нитрат-анионов в снежном покрове на ПНЗ дало вполне удовлетворительное согласие (рис. 2б) для обоих зимних сезонов. Совместный анализ данных показал, что в зимнем сезоне 2008-2009 г.г. произошло резкое, более чем в 2 раза, уменьшение содержания как оксидов азота(1У) в воздухе, так и нитрат-ионов в снеге по сравнению с сезоном 2007-2008 г.г. Такое согласованное уменьшение измеряемых параметров в обеих средах на всех ПНЗ не является случайным. Оно связано как с изменением структуры, так и снижением мощности выбросов источников оксидов азота. Возможной причиной этого могут быть кризисные процессы в экономике, начавшиеся в 2008 г.

Сумма ПАУ / сажа; бенз(а)пирен / сажа. На рис. 3 представлены значения концентраций сажи в воздухе, а также суммы ПАУ и бенз(а)пирена в снеге за зимние сезоны 2007-2008 г.г. и 2008-2009 г.г. Из приведённых диаграмм видно, что значения рассматриваемых параметров от поста к посту меняются вполне согласованно. В целом, большим значениям суммы ПАУ и бенз(а)пирена в снеге соответствуют большие значения сажи в воздухе. Следует также отметить, что в среднем по постам содержание суммы ПАУ и бенз(а)пирена в снеге для обоих зимних сезонов было примерно одинаковым. Это означает, что структура и мощность источников ПАУ в г. Новосибирске практически не отличалась в рассматриваемые периоды времени.

Рис. 3. Содержание сажи в атмосферном воздухе (мг/м ), а также бенз(а)пирена и суммы ПАУ в снежном покрове (нг/л) на постах г. Новосибирска для зимних сезонов: а) 2007-2008 гг.; б) 2008-2009 гг.

Результаты экспериментальных исследований и численного анализа данных наблюдений загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на стационарных постах Гидрометеослужбы г. Новосибирска позволили установить качественные и количественные закономерности между концентрациями ряда компонентов примеси, таких как сажа и бенз(а)пирен (ПАУ); оксиды азота и нитрат/нитрит-анионы; диоксид серы и сульфаты; взвешенные вещества и осадок. Наиболее высокий уровень согласия получен между уровнями концентраций нитратов и нитритов в снеге и соответствующими окислами азота в атмосфере. Результаты этих исследований могут быть использованы для взаимного контроля данных наблюдений в снеге и приземном слое воздуха, существенно дополнить в зимнее время стационарную сеть наблюдений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16.4, ИП СО РАН № 84.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Безуглая, Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. / Э.Ю. Безуглая / Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 200 с.

2. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова. / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман / Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.

3. Ровинский, Ф.Я. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов. / Ф.Я. Ровинский, Т.А. Теплицкая, Т.А. Алексеева / Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 224 с.

© В.В. Коковкин, В.Ф. Рапута, А.Ю. Девятова, В.А. Чирков, О.Е. Казьмин, 2010