CC BY
75
МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ОКРЕСТНОСТЯХ НОВОСИБИРСКОГО ОЛОВОКОМБИНАТА
Василий Васильевич Коковкин
Институт неорганической химии Сибирского отделения РАН, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, старший научный сотрудник, тел. (383) 316-56-32, e-mail: basil@niic.nsc.ru
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Ольга Васильевна Шуваева
Институт неорганической химии Сибирского отделения РАН, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, ведущий научный сотрудник, тел. (383) 330-12-59, e-mail: olga@niic.nsc.ru
Обсуждаются результаты полевых, химико-аналитических и численных исследований современного влияния выбросов Новосибирского оловокомбината на загрязнение окружающих территорий. С использованием данных наблюдений и модельных описаний процессов распространения аэрозольной примеси в приземном слое атмосферы численно восстановлены поля выпадений тяжёлых металлов. С целью идентификации источника выполнен попарный корреляционный анализ между определяемыми компонентами элементного состава выпадений. Проводится сопоставление текущего состояния загрязнения с исследованиями предыдущих лет.
Ключевые слова: моделирование, мониторинг, загрязнение, тяжёлые металлы, снежный покров.
MONITORING HEAVY METALS CONTAMINATION OF SNOW COVER IN NOVOSIBIRSK TIN PLANT ENVIRONS
Vasily V. Kokovkin
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirs, 3 Academician Lavrentiev avenue, senior researcher, tel. (383)316-56-32, e-mail: basil@niic.nsc.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirs, 6 Academician Lavrentiev avenue, leading researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Olga V. Shuvaeva
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirs, 3 Academician Lavrentiev avenue, senior researcher, tel. (383)316-56-32, e-mail: olga@niic.nsc.ru
The results of field, chemical analytical and numerical investigations of contemporary influence of Novosibirsk tin plant pollution on the environs contamination are discussed. Using monitoring data and aerosol admixture distribution process models for atmospheric surface layer, heavy metals fallout fields are numerically reconstructed. With the aim of pollution source identification,
paired correlation analysis between fallout components of elemental composition was made. Contemporary contamination state is compared to that of in the previous periods.
Key words: modeling, monitoring, contamination, heavy metals, snow cover.
Введение
Новосибирский оловокомбинат (НОК) находится на левом берегу р. Обь в промзоне Кировского района г. Новосибирска. Деятельность предприятия направлена на производство товарного олова, сплавов, припоев и бабитов на его основе. Токсичными веществами, выделяющимися в воздушную среду во взвешенном состоянии при производстве олова, являются мышьяк, свинец, цинк, окислы серы. Выброс в атмосферу загрязняющих веществ с промплощад-ки НОК происходит в основном через стометровую трубу с диаметром устья 3,7 м. Скорость выхода из трубы газопылевой смеси может достигать 5 -6 м/с, а температура 80-90 оС.
Исследования закономерностей распространения в атмосфере и выпадения на земную поверхность аэрозольных примесей представляют значительный интерес для решения многих практических задач. Движение в атмосфере облака аэрозольных частиц определяется в основном: действием силы тяжести в сочетании с силами сопротивления со стороны воздуха, полем ветра и турбулентной диффузией. Следует также отметить, что по мере увеличения скорости осаждения частиц происходит убывание коэффициентов турбулентного обмена. При скоростях оседания порядка 0.5 - 1 м/с вполне пригодна для использования кинематическая схема выпадения частиц на поверхность земли. При описании распространения более мелких фракций аэрозольных примесей следует также учитывать эффекты турбулентного перемешивания в атмосфере [1].
При проведении численного анализа и интерпретации данных экспериментальных исследований выпадения полидисперсных примесей требуется информация о функции распределения спектра размеров частиц, которая, как правило, отсутствует. В этом случае возникает необходимость учёта дополнительных априорных сведений о возможных описаниях функции распределения спектра размеров и постановках соответствующих обратных задач переноса примеси в приземном и пограничном слоях атмосферы [2].
1. Экспериментальные исследования
Г еохимическими и санитарно-гигиеническими исследованиями были установлены количественные связи между содержанием металлов в атмосферном воздухе и выпадением в окрестностях промышленных источников, что фиксируется в виде аномалий в снежном покрове, депонирующих загрязнение и легко доступных для изучения по любой заранее заданной сети точек отбора проб. В снежном покрове в окрестностях промышленных предприятий установлены ареолы аномальных концентраций веществ, которые входят в состав выброса или составляют продукты их трансформации. Интенсивность и конфигурация поля концентрации определяется величиной выброса, длительностью периода накопления, размещением источников, повторяемостью направлений ветра и т.д.
Текущее состояние загрязнения окрестностей НОК оценивали по составу снежного покрова как естественного природного планшета-накопителя. Отбор проб снежного покрова проводился в конце зимнего 2011/12 г.г. по радиальным относительно 100 метровой трубы маршрутам в направлениях преобладающего сноса примеси. Согласно климатическим данным в зимнее время доминируют северное и северо-восточное направления [3]. Точки отбора проб размещались на удалениях от трубы в диапазоне расстояний от 0,3 до 2 км со сгущением в области ожидаемого максимума выпадений.
Химический анализ проб на Лб, Би, РЬ, 7и, Бе, Си, Сё и др. металлы проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой после соответствующей пробоподготовки. Анализировали фильтат и грубодисперсный осадок (размер частиц более 2-5 мкм).
При пробоподготовке, заключающейся в топлении проб, происходит растворение части аэрозольных компонентов в воде и, таким образом, изменение состава фракций. Тем не менее, получаемые данные достаточно информативны для характеристики источника загрязнения. Что касается восстановления состава аэрозольных фракций, то этот вопрос требует специального обсуждения.
2. Модель оценивания поля аэрозольных выпадений
Предварительный анализ полученных экспериментальных данных наблюдений аэрозольных выпадений примесей в окрестностях НОК показывает, что изменение их концентраций по мере удаления от трубы является весьма существенным. Это позволяет сделать предположение о значительных скоростях оседания аэрозольных частиц.
В рассматриваемом диапазоне расстояний достаточно использовать моно-дисперсную модель оценивания полей длительных аэрозольных выпадений. Для восстановления по данным наблюдений плотности Ци(Г,ф) использовалось следующее регрессионное соотношение [2]
- в дм,(г,(р,в) = вы-Р((р+Ш°)-г 3™-е г , (1)
где и скорость оседания аэрозольных частиц, Й Й й - неизвестные
1и5 25 Эи
параметры, подлежащие оцениванию, Р(ф) - приземная роза ветров.
Для определения параметров й , $2, й в регрессии (1) необходимо
проведение наблюдений не менее, чем в трех точках местности. Параметр ^ в
некотором смысле является внешним параметром и его предварительную оценку можно выполнить отдельно, исходя из геометрической высоты источника и динамических и тепловых характеристик, выбрасываемой газовоздушной смеси [1].
3. Численное моделирование
На рис. 1 изображены восстановленные на основе зависимости (1) концентрации ряда тяжёлых металлов в зоне интенсивного влияния выбросов НОК.
Рис. 1. Восстановленные в снеге концентрации мышьяка, олова, свинца и кадмия с использованием модели (1) на маршруте пробоотбора (непрерывная кривая), о и • - опорные и контрольные экспериментальные точки
Анализ рис. 1 показывает, что предложенная модель вполне адекватно описывает поля аэрозольных выпадений мышьяка, олова и других элементов на снежный покров в окрестностях НОК. В рассматриваемом диапазоне расстояний достаточно использовать монодисперсное приближение. Скорости оседания частиц, содержащих тяжёлые металлы, являются значительными, что приводит к относительно высокому загрязнению территории непосредственно прилегающей к промплощадке.
Между элементами химического состава проведен попарный корреляционный анализ. Между такими элементами как Аб, Би, РЬ, 7п, Сё, Ка, Си, Мп, N1, Сг, Со коэффициенты корреляции оказались более 0,8. Дополнительно к установленной выше пространственной динамике это служит подтверждением единого источника выбросов - трубы НОК. Напротив, для таких элементов как Са, Mg, Бг, К коэффициенты корреляции менее 0,5, что указывает на значимые влияние других источников этих примесей.
Рис. 2. Графики попарной корреляции Аб-Би и 8п-7п
Отмечено, что в сравнении с данными предыдущих лет [4] наблюдается некоторое снижение выбросов мышьяка, также наблюдается изменение элементного состава выбросов.
Заключение
В рамках монодисперсной модели оседания аэрозольных частиц примеси в атмосфере от точечного источника проведён численный анализ данных наблюдений в диапазоне расстояний до 2 км от высотной трубы НОК. Апробация модели показала вполне удовлетворительное согласие с данными экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова в зоне влияния источника выброса аэрозольных фракций примеси. Выбор модели оценивания существенной степени определялся априорными сведениями о характеристиках дисперсного состава примеси и рассматриваемым диапазоном расстояний. Анализ показал, что наиболее значительные выпадения тяжёлых металлов происходит в ближних окрестностях 100 метровой трубы НОК в составе крупных фракций частиц.
Дальнейшее использование дополнительной априорной информации о возможном спектре размеров аэрозольных частиц позволит восстанавливать в рамках единой модели оценивания поля выпадений в дальней зоне от источника. В связи с более высокой заболеваемостью населения в зоне интенсивного влияния выбросов НОК необходимо проведение как дополнительных натурных, химико-аналитических исследований, так и численного моделирования процессов распространения газообразных алкилпроизводных тяжёлых металлов от трубы комбината.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 4.9-3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 279 с.
2. Рапута В.Ф. Модели реконструкции полей длительных выпадений аэрозольных примесей // Оптика атмосферы и океана. 2007. - Т. 20. - № 6. - С. 506-511.
3. Климат Новосибирска. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 221 с.
4. Рапута В.Ф., Шуваева О.В., Коковкин В.В., Шурухин С.Г., Воробьева О.А. Анализ аэрозольных выпадений в районе Новосибирского оловокомбината // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. - Т. 10. - С.691-697.
© В.В. Коковкин, В. Ф. Рапута, О.В. Шуваева, 2013
