CC BY
30
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
АНАЛИЗ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Обсуждаются результаты мониторинга загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами и химическими элементами в окрестностях г. Москвы. На основе модели реконструкции полей регионального переноса примесей проводится численный анализ данных наблюдений. С использованием акустических измерений повторяемости направлений ветра за пятилетний период времени в слое воздуха 40-500 м над Москвой выполнена оценка пространственных выпадений цинка.
Ключевые слова: атмосфера, снежный покров, загрязнение, тяжёлые металлы, модель, оценка.
THE ANALYSIS OF AEROSOL POLLUTION OF SNOW COVER IN THE MOSCOW REGION
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Tatyana V. Yaroslavtseva
Novosibirsk scientific research institute of hygiene of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, Parhomenko, 7, researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
We discuss the results of the monitoring of snow cover pollution by heavy metals and chemical elements in the vicinity of Moscow. Based on the model of reconstruction of regional pollution fields numerical analysis of observational data is held. By using acoustic measurement of repeatability of wind directions for the five years in the air layer of 40-500 m above Moscow the spatial fallouts of zinc was estimated.
Key words: atmosphere, snow cover, pollution, heavy metals, model, estimation.
Введение. Аэрозольные выпадения примесей в окрестностях городов являются значимым источником поступления соединений тяжёлых металлов и химических элементов в почвы сельскохозяйственного назначения [1]. Уровень загрязнения и качество сельхозпродукции в окрестностях крупного города зависят от интенсивности и химического состава атмосферных выпадений примесей. Причём антропогенные загрязнения могут влиять на растения непосред-
ственно при воздушном поступлении. Атмосферный перенос химических загрязнений за пределы города может изменять и состав поверхностных вод. Особенно это может проявляться в период весеннего снеготаяния, когда большой объём снеготалых вод поступает в водоёмы. По содержанию химических соединений в снеговом покрове можно оценивать степень загрязнения атмосферного воздуха [2, 3].
Материалы и методы. Для численного анализа полей загрязнения снежного покрова в окрестностях г. Москвы использовались результаты мониторинговых исследований, проводившихся в 2009, 2012 и 2013гг. на 20 участках почвы Московской области [4]. Схема отбора снеговых проб представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема отбора проб снега в 20 районах Московской области
В табл. представлены максимальные содержания цинка (мкг/л) в водорастворимой форме в снеговых пробах за рассматриваемые зимние сезоны. В таблице приведены также данные о расстояниях до точек отбора проб снега и зимняя повторяемость выноса примесей от центра Москвы за период времени с 2004 по 2008 год [5].
Таблица
Содержание цинка (мкг/л) в водорастворимой форме в снеговых водах на территории Московской области
Номер точки Концентрация, мкг/л Расстояние от центра города, км Повторяемость выноса, %
1 22 24,1 3,2
2 46 96,5 3,2
3 83 43,8 5,7
4 124 66,1 8,7
5 33 50,6 2,4
6 76 84,6 3,2
7 62 35,7 4,8
8 79 108,3 4,8
9 81 70,9 2,7
10 72 37,5 3,9
11 52 67,9 3,9
12 140 79,9 5,2
13 90 100,4 5,2
14 84 97,6 5,2
15 16 137,3 5,2
16 74 83,9 8,7
17 102 65,8 12,6
18 28 102,6 3,9
19 12 78,1 4,8
20 68 106,9 7,7
Модель оценивания региональных выпадений примеси от площадного источника. Описание полей концентраций примесей в атмосфере на значительных удалениях от источника допускает значительные упрощения. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что, в зимнее время, начиная с расстояний порядка 5-7 км от источника, расположенного в пограничном слое атмосферы, распределение концентрации примеси выравнивается по высоте. Для таких расстояний влияние ряда параметров становиться не существенным. К ним следует отнести высоту источника, скорость оседания аэрозольных частиц, коэффициент вертикального турбулентного обмена и т.д. В этом случае для оценивания регионального загрязнения территорий площадным источником 5 следует использовать достаточно компактное и вполне адекватное описание [6]:
<24,у1=0-Р
arctg
у-
+ 180 е
х
8 = М/2шН , М = г| б/^/г1,
(1)
(2)
где М-суммарное поступление примеси с территории Я, т(с^г]) - эмиссия примеси из точки (¿Г, г/), принадлежащей 5 5 Р{(р) - роза ветров за рассматриваемый промежуток времени на высотах пограничного слоя атмосферы, и и Н - средняя скорость ветра и высота слоя перемешивания. Предполагается, что точка (х,у) удалена от на расстояние более 7-10 км. Функция же т(77) 5 как правило, неизвестна.
Анализ зависимости (1) показывает, что для определения функции
О х, у достаточно оценить неизвестные параметры 0, /I, //, используя, например, данные наблюдений. Ситуация может быть еще упрощена, если задано на территории города положение эффективного центра выбросов примеси.
В этом случае А - х0, ¡л = у0 5 где (х(),у()) - координаты эффективного источника.
Результаты и обсуждение. Регрессионная зависимость (3) позволяет выполнить восстановление полей выпадений цинка в направленных от центра города маршрутах отбора проб, используя для оценивания неизвестного параметра 0 одну из точек наблюдений на выбранном маршруте. В качестве пробных маршрутов могут быть выбраны, например, следующие: южный (точки № 10, 11, 18), юго-восточный (точки № 3, 12-15), северный (точки №№ 17, 20). На рис. 2 представлены результаты численного восстановления концентраций цинка в выбранных направлениях.
0 50 100 150 0 50 100 150 200 0 50 100 150
Рис. 2. Измеренная и восстановленная концентрация цинка (мкг/л) в южном (а), юго-восточном (б) и северном (в) направлении. о, • - опорные и контрольные
точки измерений
В целом, существует определённое согласие между измеренными и восстановленными концентрациями цинка в снеготалой воде. Это позволяет сделать вывод о возможности оценивания пространственной картины региональных выпадений цинка в окрестностях Москвы, используя модель (1). На рис. 3 представлены результаты сопоставления измеренных концентраций цинка к вычисленным во по всем 20-ти точкам наблюдений. Данные о повторяемости выноса примеси в направлении от центра города к пунктам наблюдений взяты в работе [6]. Оценивание параметра 0 проводилось по измерению концентрации цинка в точке № 10 (опорной точке). Остальные точки измерений использова-
лись для контроля уровня согласия восстановленных в них концентраций с экспериментальными данными.
Рис. 3. Отношения измеренных к восстановленным по модели (1) концентраций цинка в точках отбора проб снега на территории Московской области
Заключение. Результаты проведённого численного анализа данных мониторинга загрязнения снежного покрова Московской области показали существование количественных закономерностей формирования полей аэрозольных выпадений цинка. Основной выброс примеси производится г. Москвой, как площадным источником. Для численного восстановления полей выпадений могут быть использована регрессионная зависимость (1). Следует отметить, что для проведения оценивания полей выпадений требуется весьма ограниченное количество опорных точек наблюдений.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокачева В.Г., Усачев В.Ф. Снежный покров как индикатор кумулятивного загрязнения в сфере влияния городов и дорог // Метеорология и гидрология. 2013. № 3. С. 94-106.
2. Боев В.М., Верещагин Н.Н., Дунаев В.Н. Определение атмосферных загрязнений по результатам исследования снегового покрова // Гигиена и санитария. 2003, № 5. С. 69-11.
3. Степанова Н.В., Хамитова Р.Я., Петрова Р.С. Оценка загрязнения городской территории по содержанию тяжёлых металлов в снежном покрове // Гигиена и санитария. 2003, № 2. С. 18-21.
4. Ермаков А.А., Карпова Е.А., Малышева А.Г., Михайлова Р.И., Рыжова И.Н. Мониторинг содержания тяжёлых металлов и элементов в снеговом покрове почвы сельскохозяйственного назначения // Гигиена и санитария. 2015. № 5. С. 31-36.
5. Локощенко М.А. Направление ветра в Москве // Метеорология и гидрология. 2015. № 10. С. 5-15.
6. Рапута В.Ф., Олькин С.Е., Резникова И.К. Методы численного анализа данных наблюдений регионального загрязнения территорий площадным источником // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21, № 6. С. 558-562.
© В. Ф. Рапута, Т. В. Ярославцева, 2016
