CC BY
203
УДК 502.3(470.1)
ТРУБИЦИНА Ольга Петровна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник центра экологических исследований Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 12 научных публикаций
АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И ОСАДКОВ СЕВЕРА РУССКОЙ РАВНИНЫ ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА
В работе приводится обобщение исследования состояния атмосферного воздуха и осадков севера Русской равнины за период 1982-2003 гг.: выявлены тенденции изменения выбросов загрязняющих веществ в сравнении с данными мониторинга атмосферного воздуха, определено пространственное распределение проявлений закисле-ния осадков по частоте обнаружения в современный период, рассчитаны нагрузки выпадений серы для лесных и водных экосистем в сопоставлении их с критическими нагрузками для данного региона.
Состояние воздуха, промышленные предприятия, серные и азотные соединения, кислотные атмосферные выпадения
На обширной территории севера Русской равнины располагаются агломерации, где сосредоточены крупные целлюлозно-бумажные, металлургические, химические, нефтегазодобывающие и перерабатывающие предприятия. Эти отрасли хозяйства являются одними из наиболее экологически грязных. Их выбросы и сбросы негативно воздействуют на хрупкую природу Севера. В связи с этим представляется актуальным анализ состояния атмосферного воздуха и осадков, которые находятся под техногенным воздействием этих предприятий.
Изучению химического состава атмосферных осадков в нашей стране посвящено большое число работ. В разные годы в отдельных районах России были проведены эпизодические измерения химического состава осадков. Регулярные наблюдения были организованы впервые Главной геофизической обсерваторией
им. А.И. Воейкова (ГГО) под руководством Е.С. Селезневой и В.М. Дроздовой в 1957 г.
С середины 1980-х гг. территориальные подразделения Росгидромета под руководством Ю.А. Израэля, И.М. Назарова, Ш.Д. Фридмана, В.Н. Василенко [1, 2] начали проведение по всей стране мониторинга загрязнения снежного покрова с целью определения нагрузок загрязняющих веществ на природные экосистемы.
На международном уровне действует созданная в 1977 году система ЕМЕП (совместная программа наблюдения и оценки распространения загрязняющих воздух веществ на большие расстояния в Европе). Рабочей группой ЕМЕП определяются уровни критических нагрузок атмосферных выпадений на лесные и водные экосистемы Европы [3].
Результаты мониторинга снежного покрова и трансграничного загрязнения атмосферного
воздуха в обобщённом виде ежегодно публикуются в обзорах загрязнения природной среды в Российской Федерации (Росгидромет). В Северном УГМС мониторинг загрязнения снежного покрова проводится с 1982 года. Накоплен массив данных, который позволяет сделать детальный региональный анализ загрязнения осадков и снежного покрова кислотообразующими соединениями на севере Русской равнины.
Север Русской равнины является крупнейшей в Европейской части России топливноэнергетической базой со значительными запасами лесных и водных ресурсов, чёрных и цветных металлов, химического сырья, строительных материалов, которые активно используются в производственных целях. От стационарных источников предприятий выбрасываются в атмосферный воздух загрязняющие вещества.
В промышленных зонах севера Русской равнины распределение отраслей промышленности выглядит следующим образом:
1) в северо-западной зоне доминирует целлюлозно-бумажная промышленность, предприятия теплоэнергетики, машиностроения, металлообработки (Архангельск, Северодвинск, Но-водвинск, Онега);
2) в юго-восточной и юго-западной зонах преобладают предприятия металлургии, теплоэнергетики, химической, лесообрабатывающей промышленности (Череповец, Вологда, Сокол, Сыктывкар, Ухта);
3) в северо-восточной зоне наиболее развита нефтедобывающая, теплоэнергетическая, угольная промышленность, предприятия стройиндустрии (Нарьян-Мар, Воркута).
Динамика выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников оценивалась по данным статистической отчётности для городов севера Русской равнины. Так, например, в городах Архангельской области увеличение общего объёма выбросов загрязняющих веществ за период 1988-1991 гг. сменяется тенденцией к их уменьшению до 2003 г. Только треть общего объёма снижения выбросов в атмосферу была обусловлена выполнением природоохранных мероприятий, а остальные две
трети вызваны, в основном, спадом промышленного производства [4, 5]. Сходные тенденции характерны для всех городов севера Русской равнины.
Таким образом, за период 1992-2003 гг. в целом выявляется тенденция снижения выбросов от стационарных источников в атмосферу.
Анализируя за этот период динамику выбросов в промышленных центрах Архангельской области, необходимо отметить, что наибольшие значения объёмов выбросов характерны для городов Архангельской агломерации. На территории Вологодской области и Республики Коми наибольший вклад в общие выбросы от стационарных источников вносят выбросы предприятий Череповца и Воркуты. В целом во всех промышленных центрах за 1992-2003 гг. прослеживается тенденция понижения общих выбросов, особенно начиная с 1994 года.
За период 1992-2003 гг. изменился процентный состав основных загрязняющих компонентов в воздухе. Так, в Архангельской области доля сернистого ангидрида увеличилась на 19% и составила почти '/г от общего объёма выбросов. Это увеличение доли произошло на фоне уменьшения общих объёмов выбросов стационарных источников от 505,8 тыс. т/год в 1992 г. до 223,6 тыс. т/год в 2003 г. Однако общий объём уменьшился на 282,2 тыс. т/год, а объём сернистого ангидрида на 30,7 тыс. т/год (от 133,6 тыс. т/год в 1992 г. до 102,9 тыс. т/год в 2003 г.). Также за период 1992-2003 гг. выросла доля оксидов азота на 4%. Однако на уровне с уменьшением суммарных объёмов выбросов их абсолютные показатели сократились от 36 тыс. т/год до 24 тыс. т/год. Углеводороды в общей структуре выбросов загрязняющих веществ стали занимать незначительное место, их доля уменьшилась на 16%.
Так, доминантными загрязняющими компонентами воздуха в настоящее время являются серные соединения, которые вместе с увеличением доли оксидов азота могут обусловить появление кислотных атмосферных выпадений в исследуемом регионе.
Анализ динамики выбросов кислотообразующих соединений от стационарных источников
городов исследуемои территории показал, что выбросы по SO2 и NOх в целом не имеют чётко выраженной тенденции по сравнению с тенденцией общих выбросов, за исключением уменьшения выбросов SO2 и NOх в городах Вологодской области (Череповец) и Республики Коми (Воркута).
Таким образом, в начале XXI века на фоне уменьшения общего объёма выбросов произошло увеличение доли серных и азотных соединений в атмосферном воздухе в основном городов Архангельской агломерации. Относительно стабильный большой объём SO2 и NOх выбрасывают стационарные источники промышленных центров Вологодской области (Череповец) и Республики Коми (Воркута).
В работе выполнено сопоставление данных
о выбросах с данными мониторинга загрязне-
ния атмосферного воздуха. В пробах воздуха на сети мониторинга определяется содержание твёрдых веществ, сернистого ангидрида, оксида азота, оксида углерода, углеводородов. Кроме того, дополнительно контролируются специфические вещества, связанные с особенностями промышленного производства. Такими веществами для рассматриваемой территории являются метилмеркаптан, формальдегид, бен-запирен, сероуглерод [3, 4].
Анализ индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) шестнадцатилетнего периода наблюдений (1988-2003 гг.) на территории севера Русской равнины (рис. 1) показывает, что очень высокий уровень загрязнения за весь исследуемый период времени наблюдался в г. Череповце, достигнув максимума в 2003 году (ИЗА=19,8).
А
<
53
Б
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Годы
Годы
Рис. 1. Динамика ИЗА в городах Архангельской области (А), Вологодской области и Республики Коми (Б) в период 1988-2003 гг.
Условные обозначения: 1 - Архангельск, 2 - Северодвинск, 3 - Новодвинск, 4 - Коряжма, 5 - Вологда, 6 - Череповец, 7 - Сыктывкар, 8 - Ухта, 9 - Воркута.
В городах Архангельской области с целлюлозно-бумажной промышленностью в период 1990-1998 гг. ИЗА>14, что также указывает на очень высокий уровень загрязнения воздуха. Уменьшение ИЗА в Архангельске, Новодвин-ске и Коряжме в 1999 году связано с пересмотром для метилмеркаптана среднесуточных и максимально-разовых ПДК в сторону увеличения от 9х10-6 мг/м3 до 1х10-4 мг/м3, что нарушает достоверность исследуемого ряда наблюдений. Абсолютные показатели (среднегодовые концентрации) метилмеркаптана за период 1998-2003 гг. уменьшились в Новодвинске и Коряжме от 105х10-6 мг/м3 и 142х10-6 мг/м3 до 78х10-6 мг/м3 и 63х10-6 мг/м3 соответственно, а в Архангельске увеличились от 55х10-6 мг/м3 до 70х10-6 мг/м3. Однако, несмотря на изменения ПДК для метилмеркаптана, уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах Архангельской области вырос к 2003 году (ИЗА=10), что говорит о высоком уровне загрязнения воздуха по данным мониторинга.
Низкая степень загрязнения имеет место в г. Северодвинске в 1994-1998 гг., г. Вологде -в 1996-2002 гг. В г. Ухте практически весь исследуемый период времени наблюдается повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха, в г. Сыктывкаре - высокий. В 2003 году во всех анализируемых городах, кроме г. Череповца, отмечается высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха. Несмотря на снижение общих объёмов выбросов (почти в 2 раза) по данным формы 2ТП-воздух, уровень загрязнения атмосферного воздуха по данным мониторинга практически не меняется, за исключением городов Архангельской области с целлюлозно-бумажной промышленностью.
В воздухе городов с целлюлозно-бумажной промышленностью были зарегистрированы случаи экстремально высокого загрязнения (ЭВЗ) сероводородом, сероуглеродом, формальдегидом, бензапиреном, а также метилмеркаптаном (50-180 ПДК), которые уменьшились с 72 случаев в 1990 году до 13 в 1997 году, а затем в 1998 г. увеличились до 20. Все случаи ЭВЗ наблюдались в периоды, неблагоприятные для рассеивания, и обусловлены недостаточной эф-
фективностью мер по сокращению выбросов на комбинатах. В период 1999-2003 гг. ЭВЗ не были отмечены. Однако выявлены случаи высокого загрязнения воздуха (ВЗВ) (равно и больше 10 ПДК). Так, ЭВЗ и ВЗВ имеют место на севере Русской равнины в районе Архангельской промышленной агломерации [5].
Наиболее надёжным индикатором состояния атмосферного воздуха является снежный покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени. Широкому применению съёмки на севере Русской равнины способствует то, что данная территория находится в зоне устойчивого снежного покрова.
Данные о содержании веществ в снежном покрове являются материалами для оценки как глобального, так и регионального загрязнения атмосферы в зимний период на больших территориях страны и выявления ареала распространения загрязняющих веществ от промышленных центров.
Анализ данных снегомерной съёмки на 42 станциях севера Русской равнины за период 1982-2003 гг. показывает, что для данной территории преобладающим классом значений рН снежного покрова является диапазон 6,0-6,4 (27%). Однако суммарная частота классов кислотных значений (рН<5,6) составляет 24,1% с доминированием класса слабокислых осадков (рН=5,2-5,6 (15,5%) (рис. 2).
Анализируя среднегодовые значения рН в пробах атмосферных осадков на 13 станциях в основном промышленных центров севера Русской равнины за период 1990-2003 гг., необходимо отметить преобладание класса значений рН в диапазоне 5,2-5,6 (23,2%). Суммарная частота закисленных выпадений составляет 45,1%. Атмосферные осадки с рН>7,2 отсутствуют.
Результаты учёта количества осадков отдельных месяцев при осреднении годовых значений рН, т.е. расчётов взвешенных средних значений, являются наиболее достоверными. Однако, по сравнению со среднегодовыми рН, взвешенные среднегодовые не сильно разнятся. Также преобладающим классом значений
рН осадков является диапазон 5,2-5,6 (20,7%, что на 2,5% меньше среднегодового показателя). При этом возрастает частота класса рН диапазона 4,8-5,2 (на 3,1%), незначительно уменьшается процентное соотношение в диапазонах 4,4-4,8 (на 1,2%), 4,0-4,4 (на 0,6%). В целом суммарная частота кислотных взвешенных среднегодовых выпадений составляет 43,9%.
Таким образом, в снежном покрове почти четверть (24,1%) исследуемых проб за период 1982-2003 гг. являются закисленными, в то время как в атмосферных осадках севера Русской равнины за период 1990-2003 гг. закислен-ные выпадения встречаются почти в половине случаев (45,1% без учёта количества осадков, 43,9% с учётом количества осадков).
Оценка выпадений кислотообразующих соединений серы и азота проводится в ГУ ИГКЭ Росгидромета и РАН по данным сети монито-
ринга снежного покрова (620 станций). По расчётной сетке 10х10 км строятся карты распределения значений нагрузок атмосферных выпадений серы, нитратного азота и суммы выпадений нитратного и аммонийного азота в масштабе 1: 3 000 000 для всех экономических районов России (за исключением Северо-Кавказского).
Согласно результатам определений баланса выпадений, более чем в половине отдельно взятых административных подразделений ЕТР и Урала от 50 до 90% массы выпадений в регионах обусловлено трансграничным переносом и переносом от отдельных регионов страны. На ЕТР для большей части административных подразделений (около 80% случаев) выпадения серы и нитратного азота от собственных источников составляют 10-25% от их суммарного выброса. Доля выпадений, обусловленная собственными источниками, в общем балансе выпадений на территории подразделений обыч-
30
5? 25
И
о. 20
С!
о
Ч 15
Ы
«
о 10
н
Я
ЙҐ 5
0
_е0,9з— 4,0 - 4,4
_Е1,4Э_
30
|б,3|
&///Ж
1
щт
жШ
15,5
ІШ
ж
ШШ,
¡¡Ш 22,2
■
я
'ШШ
¡211
11 Ж
Шт
ШШ
щт
I17!
-0,3 =
4,4 -4,8 4,8 -5,2 5,2 - 5,6 5,6 - 6,0 6,0 - 6,4 6,4 - 6,8 6,8 - 7,2 7,2 - 7,6 7,6 - 8,0
Класс значений pH
25
20
15
10
0,6
¡5,5
17,1
Ж
20,7
Г
В
17,7
Р
- ■
15,9 16,5
Ш в ,
У///Щ
6,1|
'////Л
0
о
за
4,0-4,4 4,4-4,8 4,8 - 5,2 5,2-5,6 5,6 - 6,0 6,0 - 6,4 6,4 - 6,8 6,8 - 7,2 7,2 - 7,6 7,6 - 8,0
Класс значений pH
Рис. 2. Распределение значений pH в снежном покрове на 42 станциях севера Русской равнины 1982-2003 гг. (А), в атмосферных осадках на 14 станциях за 1990-2003 гг. (Б), %
но не превышает 30%. Остальная часть выпадений обусловлена дальним атмосферным переносом от других регионов страны, а также трансграничным переносом.
Согласно данным мониторинга Росгидромета (1996 г.), высокие уровни выпадения серы 550-750 кг/км2 в год и суммы соединений азота 370-720 кг/км2 в год в виде значительных по площади ареалов (первые тысячи км2) наблюдаются в густонаселённых и промышленных регионах страны: в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Чернозёмном, Уральском экономических районах. Локальные ареалы (площадью до 1 тыс. км2) с интенсивностью выпадений серы 1500-300 кг/км2 в год фиксируются в ближнем следе металлургических, нефтеперерабатывающих предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов. Максимальные уровни нитратного азота в локальных ареалах 300-600 кг/км2 в год отмечаются в Череповце, Санкт-Петербурге, Москве, Нижнем Новгороде, Самаре и Тольятти, Уфе и Стерли-тамаке, Магнитогорске, Троицке, Челябинске, Екатеринбурге, Асбесте, Перми, Нижнем Тагиле, Качканаре, Сургуте, Омске, Новосибирске, Барнауле, Новокузнецке, Иркутске.
Значения регионального фона нагрузок атмосферных выпадений соединений серы и азота на большом (сто и более км) удалении от крупных промышленных источников выбросов в центре Европейской части России для серы колеблются на уровне от 400-600 кг/км2 в год, на севере они составляют не более 250 кг/км2 в год. Для нитратного азота значения регионального фона изменяются от 100 кг/км2 в год в центре ЕТР до 50 кг/км2 в год на севере.
На площади Европейской части России уровень критических нагрузок по выпадениям серы превышается на локальных участках на Кольском полуострове, в Ленинградской, Московской, Рязанской областях. По сумме выпадений азота уровень критических нагрузок в 280-700 кг/км2 в год превышается примерно на половине площади ЕТР: в Северо-Западном, Северном и Центральном районах. В целом на исследованной площади ЕТР (3,2 млн. км2) уровни критических нагрузок по азоту превышены на
площади 2,3 млн. км2, а по сере - на площади 1,7 млн. км2.
В атмосферном воздухе севера Русской равнины кислотообразующими соединениями являются сульфаты и хлориды. Нитраты имеют подчинённое значение. Их преимущественное пространственное положение распределяется следующим образом: хлориды в наибольшей степени определяют пониженный уровень рН в прибрежной зоне, а в остальной доминируют сульфаты [6].
Территория севера Русской равнины относится к Северному экономическому району. Согласно картам нагрузок атмосферных выпадений серы и нитратного азота для данного района, приведённые к осредненным метеоусловиям по методике, изложенной в работах сотрудников Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН В.Н. Василенко, И.М. Назарова, Ш.Д. Фридмана, распределение кислотообразующих соединений на исследуемой территории за период 1998-2002 гг. следующее: нагрузка атмосферных выпадений серы (в ед. серы) в наибольшей степени приходится на Череповец (1000 кг/км2 в год), Архангельскую агломерацию (600 кг/км2 в год), Воркуту (300-400 кг/км2 в год). В то же время выпадения нитратного азота также приурочены к Череповцу (300-400 кг/км2 в год), Архангельской агломерации (100-200 кг/км2 в год), Воркуте (100-150 кг/км2 в год).
Таким образом, наибольшие нагрузки кислотообразующих соединений характерны для трёх промышленных зон севера Русской равнины: северо-западной (Архангельская агломерация), юго-западной (Череповец), северо-восточной (Воркута).
Под критическими нагрузками ряд исследователей (ГР. НейеН^, В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман) понимают максимальные значения выпадений кислотообразующих компонентов, которые не приводят к вредным воздействиям на структуры и функции экосистем в долговременном плане. На основе карты критических нагрузок атмосферных выпадений серы, построенной рабочей группой ЕМЕП, и данных сети мониторинга снежного покрова
Северного управления гидрометеослужбы была составлена карта-схема превышения уровней критических нагрузок атмосферных выпадений серы по квадратам сетки ЕМЕП. Для каждого квадрата были осреднены значения фактических среднегодовых нагрузок.
Превышение уровней критических нагрузок атмосферных выпадений серы для лесных и водных экосистем наблюдается при условии: Факт.нагрузка
^ Карта-схема, демонстри-
> 1
Критич. нагрузка
рующая отношения наблюдаемых фактических нагрузок к критическим, представлена на рис. 3. Анализ карты-схемы показал, что данные отношения почти во всех случаях меньше единицы. Исключение составляют прибрежные участки
территорий, где эти отношения больше единицы, что свидетельствует о значительной роли здесь природных поступлений серы.
Результаты данного исследования не противоречат в целом данным ГУ ИГКЭ Росгидромета и РАН. Однако необходимы дальнейшие исследования с целью выявления причин превышения фактических нагрузок над критическими, разработанными ЕМЕП, на побережье Северного Ледовитого океана.
Заключение. За период 1988-2003 гг. выявлена тенденция снижения (примерно в 2 раза) выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников в городах севера Русской равнины. Сопоставление данных статистической отчётности о выбросах загрязняю-
Шифр станций:
3 - Бабаево,
4 - Бугрино,
5 - Белозерск,
6 - Верхняя Т ойма,
8 - Вологда,
9 - Дв. Березник,
12 - Ираель,
13 - Канин Нос,
14 - Каргополь,
15 - Кожим Рудник,
17 - Котлас,
18 - Коноша,
19 - Мезень,
20 - М. Микулкин,
21 - Нарьян-Мар,
22 - Окунев Нос,
23 - Онега,
24 - Петрунь,
26 - Сура,
27 - Сыктывкар,
28 - Тотьма,
29 - Тр.-Печорск,
32 - Усть-Уса,
33 - Усть-Цильма,
34 - Усть-Щугор,
35 - Ухта,
36 - Хорей-Вер,
37 - Череповец,
38 - Шангалы,
39 - Шенкурск,
40 - Шойна,
41 - Яренск,
42 - Амдерма.
Рис. 3. Карта-схема отношений фактических нагрузок атмосферных выпадений серы к критическим для лесных и водных экосистем
щих веществ в городах показало, что нет их адекватного соответствия тенденциям изменения качества атмосферного воздуха в городах севера Русской равнины. Несмотря на значительное снижение выбросов, уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах с учётом токсичности загрязняющих веществ остается высоким.
Сопоставление рассчитанных нагрузок выпадений серы с критическими нагрузками ЕМЕП для данного региона показало, что для большей части территории севера Русской равнины отсутствует превышение критических нагрузок. В прибрежных районах может наблюдаться превышение критических нагрузок, что, вероятно, связано с природными процессами.
Список литературы
1. Василенко В. Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг нагрузок кислотных выпадений // Метеорология и гидрология. N° 9. 1992. С. 46-50.
2. Израэль Ю.А., Назаров И.М., Прессман А.Я, Ровинский Ф.Я., Рябошапко А.Г., Филиппова Л.М. Кислотные дожди. Л., 1989.
3. Трубицина О.П. Состояние атмосферного воздуха и осадков на севере Русской равнины по данным мониторинга // Автореферат дис. ... канд. геогр. н. Архангельск, 2007.
4. Трубицина О.П. Глобально-региональные кислотные выпадения // Экология Северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения: материалы международной конференции. Архангельск, 2002. Т. 1. С. 399-403.
5. Трубицина О.П. Кислотные выпадения на севере Архангельской городской агломерации // Экология-2003: тезисы международной молодежной конференции. Архангельск, 2003. С. 74-75.
6. Шварцман Ю.Г., Трубицина О.П. Геоэкологическое состояние атмосферного воздуха на севере Русской равнины // Вестник Поморского университета. 2006. №9 1(9). С. 45-48.
Trubitsina Olga
ANALYSIS OF THE ATMOSPHERIC AIR AND PRECIPITATION GEOECOLOGICAL CONDITION IN THE NORTH OF THE RUSSIAN PLAIN ACCORDING TO MONITORING
Generalization of the research data concerning the atmospheric air and precipitation condition in the North of Russian Plain for the period 1982-2003 is carried out: tendencies of changes in pollutant emissions in comparison with the atmospheric air monitoring data are revealed, spatial distribution of precipitation acidification by the detection frequency in the contemporary period is determined, loads of sulfur fallout for forest and water ecosystems in comparison with the critical loads for the given region are calculated.
Рецензент - КоробовВ.Б., доктор географических наук, начальник Архангельского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями
