CC BY
98
ОЦЕНКА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРОДА КРАСНОЯРСКА ПО СНЕГОВОМУ ПОКРОВУ
Снеговой покров, твёрдый осадок, химические элементы, оценка, загрязнение, состояние, атмосферный воздух.
Оценка атмосферного воздуха крупных промышленных агломераций в Сибири вообще и в городе Красноярске в частности является объектом пристального внимания и изучения. Красноярск располагается в долине реки Енисей, который делит город на две части, в окружении возвышенностей, что определяет особый режим циркуляции атмосферы: незамерзающая река, близкое расположение к городу Красноярского водохранилища, что создает повышенную влажность, благоприятную для образования летних и зимних смогов.
Красноярск является крупным индустриальным городом, на территории которого сосредоточено много производств разного профиля: алюминиевая и цветная металлургия, ряд машиностроительных, приборостроительных и др. центров; город отапливается тремя ТЭЦ, на которых сжигается ископаемое топливо (уголь); используются продукты нефтехимического производства: газ, бензин, дизельное топливо для автотранспорта, битумы для изготовления асфальта и т. д. Красноярск на период 2010 г. занимал тринадцатое место в списке самых грязных городов России.
Наиболее доступным и информативным объектом для изучения оценки атмосферного воздуха является снеговой покров. В условиях длительного зимнего времени он накапливает и сохраняет атмосферные загрязнения и рассматривается как депонирующая среда для пылевых выпадений. Химические элементы, поступающие в атмосферный воздух с выбросами большого количества промышленных предприятий, включаются во все виды миграций и биологический круговорот. С геохимической точки зрения изменение химических свойств окружающей среды, в первую очередь воздуха, не связанное с естественными природными процессами, является загрязнением. Прослеживается косвенная связь между повышенным содержанием некоторых элементов в воздухе, в почве и заболеваемостью населения города. Для населения это оборачивается ослаблением иммунных систем и ростом общей неспецифической заболеваемостью.
Снегогеохимическая съемка (опробование) является одним из методов эколого-гео-химических исследований окружающей среды. Метод используется для определения загрязнения атмосферы пылью за счет: трансрегиональных ветровых переносов и дымовых выбросов местных промышленных предприятий. В марте 2010 г. на территории города в соответствии с отработанной методикой [Алексеенко, 2000; Геохимия..., 1990; Мирошников и др., 2003] взята 41 проба снега по следующей схеме (рис.1).
Исследуемая территория условно разделена на шесть зон: п. Удачный (I); Академгородок — Ветлужанка (II); Центральный район (III); Зеленая Роща: жилая застройка
(IV), промышленные зоны - КРАМЗ -ТЭЦЗ (V); правобережье Красфарма - ТЭЦ2 (VI). Пробы отобраны в безветренных местах на всю мощность снегового покрова в период максимального накопления влагозапаса в нем.
В лаборатории «Геоэкологии» КГПУ им. Астафьева снеговые пробы были подготовлены для атомно-эмиссионного спектрального анализа следующим образом. При отборе снеговых проб тщательно замеряется площадь шурфа и фиксируется время (в сутках) от начала снегостава. Опробование снега предполагает раздельный анализ снеговой воды, полученной при оттаивании, и твердого осадка, который состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового покрова. Оттаивание проведено
I — п. Удачный; II — Академгородок — Ветлужанка; III — Центральный; IV — Зелёная роща;
V - ТЭЦЗ; правобережье - VI - Красфарма - ТЭЦ 2
при комнатной температуре с дальнейшим фильтрованием и просушиванием твердого осадка. Твердый осадок на фильтре взвесили и вычли вес фильтра. По результатам взвешивания твердого осадка рассчитана пылевая нагрузка по формуле [Геохимия..., 1990]:
Рп = РЛв, (1)
где Рп - пылевая нагрузка, г/м2 • сут.; Рт0 - вес твердого осадка на фильтре, г; £ — время снегостава, сут; в - площадь, с которой взята проба, м2.
Масса пыли в снеговой пробе служит основой для определения пылевой нагрузки. Атомно-эмиссионным спектральным анализом в пробах определено содержание следующих химических элементов (Аэ, Ag, В, Ва, Ве, В1, V, \¥, Ге, У, Се, Сс1, Со, Сг, Си, Ьа, Мп, Мо, №, Эп, РЬ, Эг, БЬ, Т1, Р, II, Ъп, Ъс) в ООО ЦГИ «Прогноз». Для каждого элемента рассчитан коэффициент концентрации (Кс), который является показателем, во сколько раз содержание элемента в пробе выше его содержания в фоновой пробе по формуле:
Кс = Са/Сф, (2)
где Са - содержание химического элемента в пробе, %; Сф - содержание элемента в фоновой пробе (Торгашинской хребет), %.
По коэффициентам концентрации вычислен суммарный показатель геохимического загрязнения снега по формуле:
гс = тДс-(п-1), (3)
где Кс — коэффициент концентрации элемента, п — количество элементов.
По суммарному показателю загрязнения определен уровень геохимического загрязнения снегового покрова.
Средняя пылевая нагрузка по отдельным районам города варьирует (кг/км2 • сут.) от 104 до 468 и локализуется в виде отдельных пятен с их преобладанием в левобережной части в пределах районов Северный — Зеленая Роща (IV) — КРАМЗ— ТЭЦЗ
(V) (табл. 1, рис. 2).
Запыление этих районов можно объяснить рельефом местности. При господствующих юго-западных (43 %) и западных (28 %) ветрах на их пути встречаются барьеры в виде возвышенностей с абс. отм.: 505 м (Николаевская сопка), 368 м (Дрокинская гора), 316 м (г. Бадалык) и т. д. И даже малое количество ветров противоположного направления несет на город практически все выбросы алюминиевого производства и выбросы ТЭЦЗ. В целом же ореол аэротехногенного пылевого загрязнения вытянут в виде эллипса, центром которого выступает г. Красноярск, вытянутого вдоль долины реки Енисей и захватывающего прилегающие к нему территории [Мирошников и др., 2003].
Таблица 1
Уровни загрязнения снегового покрова по пылевой нагрузке
№ п/п Район г. Красноярска Ко- личество проб Пылевая нагрузка, Рп, кг / км2 • сут. Уровни загрязнения снегового покрова
1 п. Удачный (I) 4 155 Допустимый
2 Ветлужанка — Северо-Западный (II) 8 106 Допустимый
3 Центр (III) 6 412 Опасный
4 Северный — Зеленая Роща (IV) 6 468 Высокий опасный
5 КРАМЗ - ТЭЦЗ (V) 6 185 Допустимый
6 Красфарма - ТЭЦ2 (VI) 11 104 Допустимый
Уровень загрязнения снегового покрова по пылевой нагрузке в отдельных районах города варьирует от допустимого до высокого опасного; уровень загрязнения территории города по средней пылевой нагрузке оценивается как средний умеренно опасный 216 кг/км2 • сут. Количество пыли в снеговом покрове является показателем состояния атмосферного воздуха. В безветренные дни это прекрасно наблюдается в виде дымки или смогов.
Рис. 2. Уровни пылевого загрязнения, снегового покрова (Рп, кг/км2в сут):
1 — средний умеренно опасный (менее 250); 2 — опасный (250—450); 3 — высокий опасный (450—850)
Геохимическая нагрузка снегового покрова, или геохимическое загрязнение атмосферного воздуха, рассмотрена вначале для каждого элемента, а затем в виде суммарной нагрузки. Для каждого элемента в изолиниях показан его коэффициент концентрации, вычисленный по формуле (2) (рис. 3).
Обращает внимание, что некоторые элементы присутствуют во всех пробах и превышают фон в десятки и сотни раз: Ве, V, Со, Си, Мо, №, 14, Сг, и элементы, которые встречаются локально, только в некоторых пробах, например: В, В1, Сс1, Ъи, БЬ и др. Можно рассматривать, что каждый из этих элементов формирует соответствующую положительную техногенную геохимическую аномалию.
Поскольку техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, то и геохимическое загрязнения снегового покрова по городу, следовательно, и загрязнение воздуха, можно отразить в виде формулы (цифра возле элемента показывает его коэффициент концентрации, т. е. во сколько раз выше фона):
У252№ю (Т1,Со)7№,Ве)6Мо5Си4(Ге,8п,Са,Мп)з(А§,Ва,РЬ,8г,гг,гп)2.
Ва
[о\
Со
Мо
Ьа
8г
12 ] 5
3
6
Рис. 3. Коэффициенты концентраций химических элементов в снеговом покрове
г. Красноярска (2009 г.):
1 - Кс 2,0-4,9; 2 - 5,0-9,9; 3 - 10,0-19,9; 4 - 20,0-99,9; 5 - 100,0-999,9; 6 - более 1000
Более ранние исследования химического состава пыли Красноярска показывают подобную геохимическую ассоциацию элементов, за исключением Ga, который не попал в список определяемых элементов в ООО ЦГИ «Прогноз», но является индикатором алюминиевого производства [Озерский, 2008]:
Ga8,4Zn6,oAg6,7B6,2Sr4,oCu3,6Ba3,iPb2,2Nii,6Coi,6.
По набору элементов и коэффициентов концентраций некоторых элементов можно судить о тенденции увеличения геохимической нагрузки во времени.
По выявленному набору элементов в снеговом покрове можно судить об их промышленном источнике. Обычно производными Fe, Мп, Сг являются машиностроительная отрасль, металлургические процессы и др. В воздушном пространстве г.Красноярска не фиксируется Сг, а преобладают Fe, Мп. Элементы Ti, V, W, Mo, Ni, Со по промышленному использованию рассматриваются как легирующие тугоплавкие металлы, и все они без исключения фиксируются в снеговом покрове. Обращает внимание, что V встречен во всех пробах без исключения, но в пробах, взятых в районе КРАМЗ — ТЭЦЗ, его превышение составляет 252 раза. К этому можно добавить, что поскольку V в больших количествах содержится в нефтях, то он, соответственно, присутствует и в продуктах нефтехимических производств и является индикатором их использования. Например, при сжигании мазутов в ТЭЦ образуется оксид ванадия, который с дымовыми газами отравляет окружающую среду [Минабаев, 2010]. Повсюду широко используются: асфальтены, битумы, дизельное топливо и др. Появление в снеговом покрове группы элементов Си, Pb, Zn, Sn, Bi, Sb обязано, прежде всего, цветной металлургии, алюминиевому производству, приборостроению, a Be, Zr, Ва, Ag, Cd и др. цементной промышленности, радиозаводу и др. [Милютин, 2004]. Обзор иностранной литературы подтверждает, что источниками загрязнения окружающей среды являются нефтеперерабатывающие заводы (Cd, V), металлургические комбинаты (Ni, Со), верфи (As, Pb, Cd), транспорт, электроэнергетики (Pb) и отходы жизнедеятельности человека (Zn, Си) [Salonen, 2007]; Ni — индикатор сжигании угля, транспортных выбросов; Cd, Pb — керамической, лакокрасочной, пластмассовой промышленностей, типографской краски, различных пигментов и др. [Soriano, 2012].
Количество химических элементов, выпадающих из атмосферы в расчете на 1 кг почвы в г. Красноярске в сравнении с литературными данными приведено ниже (табл. 2).
Таблица 2
Среднее содержание элементов в твердофазных выпадениях из атмосферы
Элемент Количество элемента в пыли, приходящееся на кг почвы, мг/кг (г. Красноярск, 2009) Среднее содержание элемента в твердофазных выпадениях из атмосферы, мг/кг
г. Красноярск, 2009 Фоновое содержание элемента в земной коре [Геохимия..., 1990]
Барий 33,1 1280,0 350
Бериллий 0,08 зд 2,3
Бор 0,77 30,0 29,3
Ванадий 17,42 672,0 151
Висмут 0,03 1,0 0,55
Вольфрам 0,08 3,0 22,8
Железо 870,0 34000,0 -
Иттрий 0,46 17,7 27,5
Кадмий 0,04 1,6 2,52
Окончание табл. 2
Элемент Количество элемента в пыли, приходящееся на кг почвы, мг/кг (г. Красноярск, 2009) Среднее содержание элемента в твердофазных выпадениях из атмосферы, мг/кг
г. Красноярск, 2009 Фоновое содержание элемента в земной коре [Геохимия..., 1990]
Кобальт 0,38 15,0 19,1
Лантан 0,93 36,0 15,7
Марганец 25,62 988,0 1170,0
Медь 1,08 42,0 155,0
Молибден 0,07 2,7 4,7
Мышьяк 0,65 25,0 -
Никель 2,25 87,0 132,6
Ниобий 0,65 25,0 19,2
Олово 0,09 3,6 10,4
Ртуть 0,06 3,0 1,2
Свинец 2,57 99,0 129,0
Серебро 0,03 1,14 0,31
Стронций 58,19 2245,0 83,1
Сурьма 0,15 5,9 15,4
Титан 73,02 2817,0 3800,0
Уран 3,89 150,0 -
Фосфор 9,51 370,0 -
Хром 0,92 35,0 173,0
Церий 1,0 38,0 -
Цинк 4,61 180,0 500,0
Цирконий 1,79 69,0 329,0
Принимая литературные данные за норму (европейская часть России), можно сказать, что в Красноярске эту норму существенно превышает количество Ва, Ве, В, V, В1, Ьа, №>, Ag, 8г.
При геохимических исследованиях окружающей среды наряду с отдельными химическими элементами проводится анализ ассоциаций химических элементов. Количественной мерой ассоциации является суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций и вычисленный по формуле (3) (табл. 3).
Таблица 3
Уровни загрязнения снегового покрова по геохимической нагрузке
№ п/п Район г. Красноярска (см. рис. 1) Количество проб Суммарный показатель геохимического загрязнения снега, Zc Уровни загрязнения снегового покрова
1 п. Удачный (I) 4 101 Средний умеренно опасный
2 Ветлужанка — Северо-Западный (II) 8 69 Средний умеренно опасный
3 Центр (III) 6 94 Средний умеренно опасный
4 Северный — Зеленая Роща (IV) 6 136 Высокий опасный
5 КРАМЗ - ТЭЦЗ (V) 6 2322 Очень высокий чрезвычайно опасный
6 Красфарма - ТЭЦ2 (VI) 11 44 Допустимый
В среднем по городу суммарный показатель геохимического загрязнения снега равен 351, что соответствует уровню очень высокому чрезвычайно опасному (Ъс более 256), в отдельных пробах Ъс варьирует от 44 до 2322 (район КРАМЗ — ТЭЦЗ) (рис. 4), в котором основную долю в это загрязнение вносит V [Геохимия..., 1990].
В постоянном взаимодействии с атмосферой находится почва. Силами ФГУ ГП «Красноярскгеолсъемка» в 1993—1995 гг. проведено опробование почв (1200 проб) на площади 500 км2, охватывающей город и прилегающие окрестности. По результатам исследования составлена карта, на которой показано около 47 участков, в пределах которых установлено присутствие одного или нескольких элементов в концентрациях, значительно превышающих фон: РЬ, Сс1, Аз, 11$?. Ъп, Си, Со, Сг, №, В, Мо, БЬ, Мп, Ва, Бг, V, \У и др. Суммарный показатель загрязнения почв, соответствующий умеренно
Рис.4. Уровни загрязнения, снегового покрова по суммарному показателю с):
1 — средний умеренно опасный {Ъс от 64 до 128); 2 — высокий опасный (& от 128 до 256);
3 — очень высокий чрезвычайно опасный ^с более 256).
опасному и высокому опасному уровню, приходится на Солнечный — Зеленая Роща — КРАМЗ - ТЭЦЗ [Минаков, Черненко, 2001]. Эти выводы полностью совпадают с выводами, сделанными по снегогеохимическому опробованию.
В городе Красноярске функционируют три ТЭЦ. Сжигание угля, как правило, приводит к загрязнению ландшафтов многими элементами. Они поступают как с дымом через атмосферу, так и при развеивании золы из золоотстойников. Исследования показывают, что ТЭЦ, сжигающая 500 т угля в сутки, за год выбрасывает в атмосферу только с дымом: Аэ — 20 т; Г — 13 т; V — 37 т; Ве — 1т; РЬ — 21 т; № — 10 т [Озерский, 2008]. При этом максимально проявляются их токсичные свойства, т. е. загрязняющие вещества через атмосферу попадают в легкие, а из них непосредственно в кровь животных организмов, включая человека [Алексеенко, 2000; Геохимия..., 1990].
Проведенные исследования показали, что промышленные выбросы являются фактором загрязнения атмосферного воздуха в пределах г. Красноярска и более опасны по их геохимическому составу, чем по пылевой нагрузке. Загрязнение районов в силу их расположения и наличия промышленных объектов крайне неравномерное. Большую роль в распределении поллютантов играют не только природные физико-геогра-фические факторы: рельеф, циркуляция воздушных потоков и погодные условия, но и вид застройки, наличие промышленных источников. Наиболее загрязнены районы, находящиеся на правом берегу р. Енисей на низких речных террасах (VI) с наибольшем количеством источников загрязнения, по сравнению с расположенными на левом берегу (I — п. Удачный; II — Академгородок — Ветлужанка). Самыми загрязненными (можно сказать, «эпицентром» загрязнения) являются районы IV — Зеленая Роща
(КРАМЗ); V — ТЭЦЗ. Эти районы находятся с подветренной стороны, воздушные массы, несущие выбросы промышленных источников других районов, смешиваются с выбросами промышленных источников КРАМЗ и ТЭЦЗ, увеличивая химическую нагрузку и определяя более разнообразный спектр загрязнений. Большую роль в распределении воздушных загрязнений играет также и рельеф городской среды. По расположению — это возвышенная равнина (высокая терраса реки Енисей). По характеру застройки (высотная застройка является механическим барьером переноса химических элементов) район Зелёной рощи является депонирующим атмосферные загрязнения. Значит, основной вклад в загрязнение окружающей среды вносят: алюминиевое производство, сжигание топлива и использование продуктов нефтехимического производства.
Исследования по содержанию химических элементов в городских средах проводятся во всем мире, они показывают, что городские почвы в общем содержат высокие концентрации Pb, Си, Zn, Hg, V, Ni и Мп, которые превышают фон в 3—10 раз. Суммарное воздействие всех элементов считается наиболее опасным по сравнению с высоким содержанием одного элемента [Salonen, 2007]. Химические элементы, относимые к группе тяжелых металлов, отмечаются в городских почвах, и все в больших количествах выбрасываются в окружающую среду в результате антропогенной деятельности. Каждое решение о применении нормативных актов, связанных с улучшением качества атмосферного воздуха или почв, должно быть основано на достоверных и сопоставимых данных. Должны быть эколого-геохимические карты с указанием районов, в которых необходимо принимать меры по уменьшению снижения содержания соответствующих химических элементов с целью снижения рисков здоровья населения. Для местных органов власти, принимающих решения, нужна исчерпывающая информация по состоянию окружающей среды, необходимая для районирования территории, пригодной для планирования использования или очистки почв. Максимально допустимые концентрации тяжелых металлов в почве во многих странах регулируются законом [Ro-mis, 2007].
Территория города Красноярска по результатам геохимических исследований снегового покрова соответствует зоне чрезвычайной экологической ситуации. Приоритетными загрязнителями снеговых осадков в зонах промышленных районов Красноярска являются: свинец, цинк, медь, марганец, олово, серебро, молибден, стронций, барий. В Ленинском районе — цинк, свинец, медь, фосфор, серебро, литий, олово, никель, кобальт и хром. В Центральном (пойменной зоне) — фосфор, серебро, цинк и кадмий.
В г. Красноярске выделяются площадные зоны по уровню загрязнения по суммарному геохимическому показателю (Zc): 1 — средний умеренно опасный (Zc от 64 до 128) практически на всей территории города; 2 — высокий опасный (Zc от 128 до 256) приходится на Октябрьский район (традиционно считающийся более экологически благополучным) и часть Железнодорожного района; 3 — очень высокий чрезвычайно опасный (Zc более 256) — на левобережье в промышленной зоне Советского района, обусловлен Be, V, Cd, Bi, W и др.
На фоне комплексной загрязненности атмосферы города проявляются общие тенденции положительной корреляции химического загрязнения окружающей среды и состояния здоровья городских жителей.
Библиографический список
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: учебник. М.: Логос, 2000. 627 с.
2. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает и др. М.: Недра, 1990. 334 с.
3. МинаковА.Н., Черненко Н.Я. Особенности загрязнения почвенного покрова города Красноярска тяжёлыми металлами и фтором // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Красноярск: КНИИГиМС, 2001. Вып. 3. С. 104—107.
4. Минибаев Н.Р. Особенности микроэлементного состава нефтей и битумов Татарстана // Проблемы геологии и освоения недр: труды XIV Международного симпозиума имени академика М.А. Усова. Томск: ТПУ. 2010. Т. 1. С. 520-522.
5. Милютин А.Г. Геология. М.: Высшая школа, 2004. 412 с.
6. Мирошников А.Е., Стримжа Т.П., Кочнева Н.А. и др. Оценка территориального экологического равновесия Центральной Сибири. Красноярск, 2003. 191 с.
7. Озерский А.Ю. Основы геохимии окружающей среды. Красноярск:ИПК СФУ, 2008. 316 с.
8. Romic М., Hendel Т., Romic D., Hisnjak S. Representing soil pollution by heavy metals using continuous limitation scores, Computers geosciences. 2007. 33 (10). P. 1316—1326.
9. Salonen V., Korkka-Niemi K. Influence of parent sediments on the consentration of heavy metals in urban and suburban soil in Turku, Finland // Applied geochemical. 2007. 22. P. 906—918.
10. Soriano A., Pallaras S., Pardo F., Vicente A. B., Sanfeliu Т., Bech J. Deposition of heavy metals from particulate settleable matter in soils of an industrialised area // Journal of Geochemical Exploration. 2012. 113. P. 36-44.
