CC BY
109
УДК 551.511.61:541.182.3:543.2 В.Ф. Рапута
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
A.Н. Романов
ИВЭП СО РАН, Новосибирск
B.В. Коковкин
ИНХ СО РАН, Новосибирск
C.В. Морозов
НИОХ СО РАН, Новосибирск К.О. Шутова УГМС, Барнаул
СОПРЯЖЁННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА Г. БАРНАУЛА
Приведены результаты экспериментальных исследований загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова вблизи стационарных постов Гидрометеослужбы г. Барнаула. Установлены качественные и количественные закономерности между содержанием ряда измеренных компонентов примеси в атмосфере и снеге, включающих сажу, бенз(а)пирен, окислы азота, формальдегид, нитраты. Показана возможность создания взаимно дополнительных систем мониторинга и получения на её основе более детальной оценки состояния длительного загрязнения атмосферы города.
V.F. Raputa, A.N. Romanov, V.V. Kokovkin, S.VMorozov, K.O. Shutova ICM&MG SB RAS, IW&EP SB RAS, NIIC SB RAS, NIOC SB RAS, Novosibirsk, MHMS, Barnaul
SIMULTANEOUS INVESTIGATION OF ATMOSPHERE AND SNOW COVER LONG-TERM CONTAMINATION FOR THE CITY OF BARNAUL
The results of atmosphere and snow cover contamination condition at Barnaul Hydrometeoservice net stationary posts are presented. Qualitative and quantitative regularities between measured content of impurity component series in atmosphere and snow cover including soot, benzo(a)pyrene, suspended substances, nitrogen and sulfur oxides are obtained. A possibility of creation of mutually complement monitoring system and estimation on its basis more detailed long term city atmosphere contamination condition is discussed.
Введение
Значимыми источниками загрязнения атмосферы г. Барнаула являются крупные промышленные предприятия, преимущественно расположенные на обрывистом высоком берегу р. Обь и дугой охватывающие город с северо-
запада на восток и с юга на юго-запад. Автотранспорт является основным источником загрязнения и его суммарный выброс составляет более 60 %. К доминирующим загрязняющим примесям следует отнести пыль, сажу, окислы углерода, серы, азота, формальдегид, полиароматические углеводороды (ПАУ). Для оценки уровня загрязнения атмосферы города создана сеть стационарных постов наблюдений [1].
Снежный покров является естественным природным планшетом-накопителем аэрозольных примесей. Изучение пространственной динамики распределения загрязняющих веществ в снеге позволяет выявить источники выбросов аэрозольных примесей, дифференцировать зоны воздействия и дальности распространения, выполнить оценку суммарного выброса и характеристик дисперсного состава [2]. Особый интерес снежный покров представляет при изучении процессов длительного загрязнения (месяц, сезон).
Целью данной работы является выявление качественных и количественных взаимосвязей между концентрациями определённых примесей на основании сопряженных исследований загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на постах г. Барнаула.
1. Мониторинг загрязнения атмосферы и снежного покрова города
Наблюдения производятся на 5 стационарных постах (ПНЗ) государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды, расположенных в различных районах города. Отбор и анализ проб обеспечивает комплексная лаборатория мониторинга загрязнения окружающей среды ГУ «Алтайский ЦГМС». Схема расположения ПНЗ представлена на рис. 1. Посты подразделяются на «городские фоновые», в жилых районах (пост 18), «промышленные», вблизи предприятий (посты 3 и 6) и «авто», вблизи автомагистралей с интенсивным движением транспорта (посты 1, 13). Это деление является условным, так как застройка города и размещение предприятий не позволяют сделать четкого разделения.
Рис. 1. Схема размещения стационарных ПНЗ на территории г. Барнаула
Для Барнаула характерно повышенное содержание в воздухе диоксида азота, формальдегида, сажи, бенз(а)пирена. В 2007-2008 годах уровень загрязнения атмосферы города оценивался как очень высокий и г. Барнаул включался в приоритетный список городов России с наибольшим уровнем
загрязнения атмосферного воздуха. В 2009 году уровень загрязнения города стал оцениваться как высокий и это связано с особыми метеорологическими условиями года, способствующими рассеиванию вредных примесей. В 2010 году рост средних и максимальных концентраций взвешенных веществ, формальдегида, бенз(а)пирена обусловил рост уровня загрязнения и оценку «очень высокий».
Превышение предельно-допустимых концентрации по взвешенным веществам в течение года отмечено во всех районах города. Наибольшей запыленностью отличаются Железнодорожный, Октябрьский и Центральный районы, где среднегодовая концентрация примеси превысила ПДК в 1,2-1,4 раза. Средняя за год концентрация сажи в целом по городу не превышает ПДК, однако во всех районах города регистрировались случаи превышения санитарной нормы. Именно для сажи в Ленинском районе города зарегистрирована максимальная концентрация примеси, достигшая 5,3 ПДК (ПНЗ № 18). Наибольшей повторяемостью проб, превышающих величину норматива, отличается Центральный район (ПНЗ № 6), здесь 9,9 % проб превышали ПДК. Концентрации бенз(а)пирена, продукта любого процесса горения достигают максимума в январе-феврале и в 2010 году максимум составил 8,6 ПДК, средняя за год концентрация в целом по городу превысила стандарт ВОЗ в 3,3 раза. Концентрации формальдегида возрастают в теплый период года - в месяцы с интенсивной солнечной радиацией, превышая ПДК в 6-8 раз. Средняя за год по городу концентрация примеси составила 3,7 ПДК. В разовых пробах в течение года регистрировались превышения ПДК по диоксиду азота. Средняя за год концентрация в районах города составляет 1,11,7 ПДК, а по городу - 1,3 ПДК. Среднегодовое содержание других примесей в атмосферном воздухе (диоксида серы, оксида азота и углерода, фенола, сероводорода) не превышает ПДК.
Отбор проб снега производился в конце зимних сезонов 2009 и 2010 гг. вблизи стационарных ПНЗ г. Барнаула. После топления проб использовали две схемы пробоподготовки в зависимости от природы определяемых (неорганических или органических) компонентов. Перед определением неорганических компонентов растопленную пробу фильтровали через фильтр «синяя лента» и мембранный фильтр с диаметром пор 0 0,45 мкм. Полученные осадки сушили на воздухе. Анализу подвергали и осадки, и фильтрат. В фильтрате определяли следующие параметры макрокомпонентного состава: содержание натрия, калия, кальция, магния, хлоридов, нитратов, нитритов и сульфатов, фторидов и др., - с использованием методов атомной абсорбции в пламенном варианте и капиллярного электрофореза. Осадок, полученный после высушивания, взвешивали.
Органические компоненты (ПАУ) определяли после их трехкратного экстракционного концентрирования в предварительно перегнанный хлористый метилен из всего объема нефильтрованной пробы. После сбора экстрактов их осушали безводным сульфатом натрия. Далее растворитель упаривали на ротационном испарителе при температуре 35 °С до сухого осадка и полученный осадок растворяли в небольшом объеме ацетона (1 - 5 мл). Полученный раствор
анализировали на содержание ПАУ с использованием метода хромато-масс-спектрометрии.
Погрешности определения как макро-, так и микроэлементов находились в пределах, регулируемых ГОСТ.
2. Параметры для сравнения загрязнения атмосферного воздуха и снега
Для прямого сравнения результатов измерений в воздухе и снеге были
выбраны соответственно следующие параметры: бенз(а)пирен в обеих средах; сажа воздуха сопоставлялась с бенз(а)пиреном и суммой ПАУ в снеге. К сожалению, бенз(а)пирен в г. Барнауле измеряется только на двух ПНЗ. Поэтому для расширения объёма выборок сравнения в данной работе была использована сажа, содержание которой в атмосфере измеряется на всех ПНЗ и которая является известным индикатором присутствия бенз(а)пирена (ПАУ) в воздухе
[3].
Другими неочевидными параметрами для сравнения в рассматриваемых средах нами были выбраны: диоксид азота и формальдегид, с одной
стороны, и нитраты, с другой. Из литературных данных известно, что диоксид азота является газовым предшественником нитратов в аэрозольных выпадениях в снег. Что касается формальдегида, то его связь с нитратами, видимо, обусловлена тем, что преимущественными источниками их выбросов является автотранспорт. Расчёт среднезимних концентраций примесей, измеряемых в атмосфере, проводился за период времени с середины ноября по середину марта, что примерно соответствует периоду залегания устойчивого снежного покрова в городе.
3. Результаты и обсуждение
Результаты экспериментальных исследований приводятся в виде диаграмм отношений (К) соответствующих параметров в снеге и воздухе, на которых по вертикальной оси представлена величина отношений сопоставляемых параметров, на горизонтальной оси указаны порядковые номера ПНЗ.
Нитрат-анионы / диоксид азота, формальдегид. Сопоставление изменения концентраций диоксида азота и формальдегида в атмосферном воздухе, а также нитрат-анионов в снежном покрове на ПНЗ дало вполне удовлетворительное согласие (рис. 2) для обоих зимних сезонов.
1 а 6 13 18
Рис. 2. Отношение концентраций нитрат-ионов в снеге (мг/л) к концентрациям
-5
диоксида азота и формальдегида в воздухе (мг/м ) за зимние сезоны 2008/09 гг.,
2009/10 гг. для ПНЗ г. Барнаула
Сумма ПАУ / сажа; бенз(а)пирен / сажа. На рис. 3 представлены отношения концентраций суммы ПАУ и бенз(а)пирена в снеге к концентрации сажи в воздухе за зимние сезоны 2008/09 г.г. и 2009/10 г.г. Из приведённых диаграмм видно, что значения отношений концентраций сравниваемых примесей на рис. 3 от поста к посту для зимнего сезона 2009/10 г.г. достаточно близки друг к другу. Сравнение отношений концентраций рассматриваемых примесей для зимнего сезона 2008/09 г.г. показывает значительный разброс в данных, что может быть связано с не вполне корректным выбором мест отбора снега в окрестностях постов. Также нельзя исключать вклада систематических погрешностей при анализе химического состава как проб воздуха, так и снега.
Рис. 3. Отношения концентраций суммы ПАУ и бенз(а)пирена в снежном
-5
покрове (нг/л) к саже в атмосферном воздухе (мг/м ) на постах г. Барнаула для зимних сезонов: а) 2008/09 гг.; б) 2009/10 гг.
Результаты экспериментальных исследований и численного анализа данных наблюдений загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на стационарных постах Гидрометеослужбы г. Барнаула позволили установить качественные и количественные закономерности между концентрациями ряда компонентов примеси, таких как сажа и бенз(а)пирен (ПАУ); диоксид азота, формальдегид и нитрат-анионы; диоксид серы и сульфаты; взвешенные вещества и осадок. Наиболее высокий уровень согласия получен между уровнями концентраций нитратов в снеге и диоксидом азота, а также формальдегидом. Следует отметить, что высокая степень согласия в данных достигнута при выполнении следующих условий: отбор проб проведён непосредственно у поста с ненарушенным снежным покровом, устранены систематических погрешности собственно как при пробоподготовке, так и химическом анализе проб снега и воздуха.
Результаты этих исследований могут быть использованы для взаимного контроля данных наблюдений в снеге и приземном слое воздуха города, существенно дополнить в зимнее время стационарную сеть наблюдений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 4.4, ИП СО РАН № 84.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безуглая, Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. / Э.Ю. Безуглая / Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 200 с.
2. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова. / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман / Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
3. Ровинский, Ф.Я. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов. / Ф.Я. Ровинский, Т.А. Теплицкая, Т.А. Алексеева / Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 224 с.
© В.Ф. Рапута, А.Н. Романов, В.В. Коковкин, С.В. Морозов, К.О. Шутова,
2011
