Динамика загрязнения снежного покрова Барнаула за 2002-2006 гг

УДК 535.536

Т.В. Андрухова, К.В. Петренко, И.П. Чефранов Динамика загрязнения снежного покрова Барнаула за 2002-2006 гг.

В настоящее время одной из самых сложных проблем экологии является ухудшение состояния воздушного бассейна городов и близлежащих населенных пунктов. Из-за выбросов промышленных предприятий и транспорта в воздухе, в снеге и почве накапливаются различные химические элементы. Так, в Барнауле, являющемся крупным промышленным центром, актуальны исследования элементного состава аэрозольных загрязнений, в основном техногенного происхождения. Эти исследования проводятся для выявления находящихся в приземном слое атмосферы химических элементов и их концентраций.

В мониторинге загрязнения окружающей среды часто используются так называемые природные планшеты, поэтому интерес представляет изучение состава снежного покрова как накопителя различных химических элементов [1; 2].

Для полной оценки степени загрязнения воздуха аэрозольными частицами, а также для комплексного изучения аэрозоля необходимо знать его микроструктуру и концентрацию содержащихся в нем химических элементов.

Целью работы является определение отдельных химических элементов в снеге Барнаула за 2002-2006 гг.

В зимний период (ноябрь-февраль) с 2002 по 2006 г. был исследован элементный состав аэрозольных загрязнений снегового покрова, взято более 250 снеговых проб для определения характерной динамики концентраций химических элементов, содержащихся в снеге. Проводился качественный и количественный атомноэмиссионный спектральный анализ пыли [3], полученной в результате вытапливания снеговых проб. Пробы снега, отобранные до начала снеготаяния (конец марта - начало апреля каждого года) дают интегральный состав аэрозолей, а отобранные помесячно с ноября по март характеризуют их изменчивость в течение зимнего сезона. Отбор снега произвели в 8 точках на территории Барнаула, а также в 10 точках в экспериментальном районе. Исследование снегового покрова можно разделить на четыре основных этапа: 1) отбор снеговых проб; 2) подготовка исследуемых образцов; 3) исследование отобранных проб; 4) обработка и интерпретация результатов.

Отбор проб снега производился специальным устройством - снегозаборником - в форме трубы, сделанной из химически неактивного материала, площадью сечения 0,0095 м2, для городских точек один раз за холодный период, а для экспериментального района каждый месяц на протяжении всего периода (ноябрь-февраль). Обработка проб для определения комплекса загрязняющих веществ осуществлялась путем фильтрования через бумажный фильтр типа «синяя лента». При этом выполнялись все требования, предъявляемые к этому процессу [1]. Отбор снеговых проб проводился не только в черте города, но и за его пределами - в районе оз. Красилово (60 км от Барнаула). Измерения в районе оз. Красилово рассматривались как фоновые. Надежность элементного анализа аэрозоля во многом зависит от пробоотбора и пробоподготовки. Собранные пробы хранились в химически неактивной таре при температуре 5-15 0С до момента исследования. Осадок, представлявший основной интерес, оседал на фильтре и высушивался в чистом изолированном сосуде при температуре 18-20 0С.

При использовании бумажных фильтров в атомно-эмиссионном спектральном анализе требуется много сложных операций для удаления их органической основы и получения зольного остатка. Поэтому изготовлялась навеска, состоящая из спектрально-чистого графита и зольного остатка в объемном соотношении 1:3, что дало наилучший результат горения пробы в ИВС-28, а следовательно, повышение качества данных. Если учесть потери интересующих нас веществ на этапе озоления и разбавления графитовым порошком, то ошибка определения количества элемента составляет ~15-18%. Для изучения состава городского аэрозоля методом эмиссионного спектрального анализа была собрана и отлажена установка, блок-схема которой представлена на рисунке 1.

Для регистрации полученного при помощи ИВС-28 спектра использовался дифракционный спектрограф ДФС-452, предназначенный для проведения спектрографических работ при исследовании спектров испускания, требующих высокой дисперсии в широком спектральном диапазоне. Спектрограф работает с генератором

83

ственного атомно-эмиссионного спектрального анализа обнаружены следующие элементы: А1, Са, Со, Сг, Си, Ее, ^ Mg, Мп, Мо, ЫЬ, N1, Р, РЬ, Б, Б1, Бп, Т1, V, ', Еп, Ег. Это говорит о том, что собранная установка позволяет различать вышеуказанные элементы. Для исследования концентраций использовалось только шесть элементов - Ее, Си, РЬ, Б1, А1, Мп. Выбор этих элементов обусловлен фактом их вредного влияния на организм человека [4; 5], наличием промышленных предприятий на территории Барнаула, а также интенсивного автомобильного движения. В таблице представлены концентрации элементов, измеренные в 2002-2006 гг. Забор проб проводился 28 числа каждого месяца.

Для того чтобы проследить динамику изменения концентраций элементов за зимний период, были построены графики изменения концентрации элементов для точек, которые расположены в экспериментальном микрорайоне города. Графики показывают динамику концентрации определенных элементов в точке забора. Для примера на рисунках 2 и 3 представлены результаты динамики концентраций отдельных элементов за 2002-2006 гг.

Так, зависимости на рисунке 2 показывают, что концентрации трех элементов достигают своего максимума к середине февраля. Это связано с тем, что в феврале из-за сильного падения

Средняя концентрация элементов в пробах, собранных в опорных пунктах Барнаула за 2002-2006 гг., %

Место Период Fe Си РЬ Si А1 Мп

Демидовская площадь 2002-2003 2,9161 0,3101 7,3137 - -

2003-2004 1,5885 - 0.21X8 - - -

2004-2005 2,2124 0,7832 - 11,8711 0,1614 0,1238

2005-2006 6,1946 0,8495 - 8,9270 0,0752 0,2442

ХБК 2002-2003 2,5454 0,2011 - 1,1194 - -

2003-2004 3,9465 - - - -

2004-2005 4,8334 0,3328 - 1,1743 0,1234 0,1563

2005-2006 5,1466 1,1792 - 6,4333 0,0815 0,2218

Перекресток ул. Матросова и ул. Гущина 2002-2003 2,3119 0,5016 0,3343 10,0997 - -

2003-2004 1,6311 0,1318 - - - -

2004—2005 2,9126 0,5965 - 9,3003 0,0665 0,1310

2005-2006 4,3632 2,3116 - 4,7440 0,0987 0,1804

Перекресток ул. Балтийская и ул. Попова 2002-2003 2,1443 0,1212 - 3,5375 - -

2003-2004 3,3282 - - - - -

2004-2005 3,4345 0,8354 - 5,6425 0,0769 0,1210

2005-2006 5,4523 0,5582 - 7,8879 0,0922 0,0839

Старый базар 2002-2003 3,1103 - 8,6216 - -

2003-2004 4,1025 0,2490 - - -

2004-2005 6,2903 4,0821 - 19,1144 0,1961 0,3422

2005-2006 8,8713 6,1280 12,5359 0,1514 0,7343

Перекресток ул. Солнечная Поляна и ул. Г. Исакова 2002-2003 0,8522 0,0203 8,8037 - -

2003-2004 0,8631 0,3192 0,2019 - - -

2004-2005 1,1218 0,1179 4,4091 0,0649 0,0431

2005-2006 2,2319 1,7912 9,1424 0,0511 0,0508

ФОН - оз. Красилово 2002-2005 0,0041 0,0033 0.0002 - 0,0110 0,0144

84

3

Рис. 1. Блок-схема аппаратно-программного комплекса для изучения элементного состава веществ:

1 - блок питания и управления ИВС-28;

2 - модифицированный источник возбуждения спектров ИВС-28; 3 - трехлинзовый конденсор;

4 - спектрограф ДФС-452 высокой разрешающей способности; 5 - многоэлементный фотоприемник

типа ИВС и рассчитан для работы в лабораторных условиях. Обратная линейная дисперсия спектрографа с решеткой 600 штрихов/мм в первом порядке составляет 1,6 нм/мм. Точность определения положения центра спектральной линии составляет 0,2 Е. Для калибровки ДФС-452 использовались эталонные образцы БР04Ц7С5 по ГОСТ 613-79. В результате каче-

Рис. 2. Динамика концентраций Cu, Fe, Si, Mn в пробе №1 за 2004-2005 гг. в экспериментальном районе

температуры (от -18 до -34 0С) используется больше автомобильного топлива с присадками различных металлов, включая Сё, Ее и Си. Низкая скорость ветра в это время года не может в полной мере обеспечить перенос накопившегося в воздухе аэрозоля за пределы города.

На графике (рис. 3) наблюдается существенное увеличение концентрации выброса железа за период 2002-2006 гг., что можно объяснить увеличением парка автотранспорта и повышением расхода автомобильного топлива в холодный период года и соответствующим увеличением выбросов.

Для анализа зависимости между концентрацией элементов и метеоусловиями были построены графики для каждого периода исследований. На рисунке 4 представлен график за ноябрь-декабрь 2005 г. и январь-февраль 2006 г. Проведенный анализ зависимостей концентраций исследуемых химических элементов от метеорологических параметров окружающей сре-

и

Hi.lS

2002-2003 2003-2004 2004-2005 2005-2006

период, год

Рис. 3. Динамика концентраций железа в пробе «Демидовская пл.» в процентном соотношении к массе пробы за 2002-2005 гг.

ды подтверждает теорию о зависимостях между концентрацией химических элементов в атмосфере, а в конечном счете, в снеговом покрове, и состоянием атмосферы (влажностью, давлением и т.д.). У становлено, что в течение зимнего периода концентрации элементов понижаются в начале января, но уже к февралю выходят на

85

Рис. 4. График анализа зависимости концентраций исследуемых элементов в экспериментальном районе от метеорологических параметров за 2005-2006 гг.: Рср - среднее давление; Qср - средняя влажность;

V - средняя скорость ветра; Т - средняя температура; ' - общее количество осадков

уровень ноября и даже превосходят его. При постоянном выбросе от предприятий, ТЭЦ и автотранспорта основными факторами, влияющими на концентрацию элементов в снеговом покрове, являются ветер, влажность, осадки и давление.

В результате исследований выяснено, что концентрация железа в снеговом покрове пре-

вышает значения ПДК веществ в водных объектах и составляет в среднем 0,82 мг/л, а концентрации меди (0,38 мг/л) и алюминия (0,29 мг/л) близки к значению ПДК. Исследование динамики концентраций аэрозольных загрязнений в снеговом покрове города показало высокий темп роста концентраций химических элементов.

Литература

1. Бояркина А.П. Аэрозоли в природных планшетах Сибири / А.П. Бояркина, В.В. Бойковский, Н.В. Васильев и др. - Томск, 1993.

2. Атмосфера : справочник / под ред. Ю.С. Седу-нова. - Л., 1991.

3. Терек Т. Эмиссионный спектральный анализ /

Т. Терек, И. Мика, Э. Гегуш. - М., 1982. - Т. 1-2.

4. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л., 1991.

5. Безуглая Э.Ю. Чем дышит промышленный город / Э.Ю. Безуглая, Г.Л. Расторгуева, И.В. Смирнов. - Л., 1991.