к. х.н., доцент КГТУ им. , к. б.н., зав. отделом биогеохимии Института экологии Академии наук Республики Татарстан
Оценка поступления металлов в воздушный бассейн г. Казани с выбросами стационарных и передвижных источников загрязнения
Атмосфера, как наиболее динамичная природная среда, характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровня содержания примесей. Поля концентраций отдельных ингредиентов непрерывно меняются. Аэральный поток металлов представляет собой основную приходную часть их бюджета на урбанизированных территориях [1-3]. В этой связи в качестве первостепенной задачи рассматривался анализ полей загрязнения металлами приземного слоя атмосферы г. Казани, формирующихся под действием стационарных и передвижных источников загрязнения.
В случае недостаточности данных систематических наблюдений рекомендуется использовать методы расчетного мониторинга, которые позволяют определять пространственно-временные характеристики загрязнения атмосферного воздуха на основе расчетов по математическим моделям переноса, рассеивания и трансформации атмосферных примесей, выбрасываемых из источников. Существенным преимуществом использования расчетного мониторинга, в отличие от экспериментально полученных данных, является принципиальная возможность детальной, а при необходимости вариантной характеристики уровней загрязнения атмосферного воздуха на перспективу с комплексным учетом намечаемых воздухоохранных мероприятий [4-6].
В расчетах следует учитывать основные факторы, формирующие загрязнение приземного слоя атмосферы. Известно, что поле загрязнения вблизи подстилающей поверхности формируется под влиянием трех основных факторов: техногенных параметров выбросов, физико-географических особенностей местности, метеорологических условий рассеивания примесей. Модель, используемая для расчета, должна быть проверена посредством сопоставления результатов, полученных расчетным путем и экспериментально [6-10].
На территории г. Казани Управлением по гидрометеорологии и мониторингу ОС Республики Татарстан (УГМС РТ) проводятся систематические наблюдения за качеством атмосферного воздуха на шести стационарных постах (ПНЗ), что делает невозможной адекватную интерполяцию данных по всей территории города. Исследование пространственной статистической структуры поля концентраций примесей позволяет выявить эпицентры загрязненности слоя атмосферы металлами от совокупности стационарных источников загрязнения на уровне дыхания человека.
Поскольку расчет поля загрязнения основан на использовании техногенных параметров выбросов, исходным источником информации о которых служат данные инвентаризации томов предельно допустимых выбросов. Изучение представленных в них характеристик источников атмосферного загрязнения металлами является первоочередной задачей.
Для оценки поступления металлов в атмосферный воздух от стационарных источников на территории г. Казани создан банк данных по материалам инвентаризации томов ПДВ для более чем 8000 источников выбросов 80 предприятий и автохозяйств по качественному, количественному составу выбросов, а также техногенным параметрам выбросов (высота источника, скорость выхода газовоздушной смеси из трубы, температура выброса).
Металлы поступают в атмосферу с выбросами большинства крупных предприятий г. Казани. В числе основных стационарных источников загрязнения атмосферного воздуха металлами заводы Радиоприбор, Электроприбор, , КГНПП им. Ленина, и др.. Изучение данных инвентаризации источников загрязнения атмосферы металлами (тома ПДВ) показывает преобладание неблагоприятных для рассеивания параметров выбросов.
Оценка параметров выбросов металлов, поступающих в воздушный бассейн г. Казани показывает, что они поступают в виде холодных выбросов (DT<50 С0) с небольшой скоростью (1<V< 15 м /с) на малых высотах (1<Н<25 м), что способствует аккумуляции металлов в приземном слое атмосферы и созданию высоких локальных концентраций.
Наибольшими по массе выбросов и по степени распространенности в выбросах промышленных предприятий города являются такие металлы как свинец, хром, никель и кадмий (преимущественно в виде неорганических соединений).
Анализ расчетов полей концентраций металлов позволяет выделить участки возможного появления аномальных концентраций примесей от совокупности источников загрязнения в городе, определить зоны повышенного загрязнения и эпицентры загрязненности.
Для расчета полей концентраций примесей нами разработана оригинальная методика, отвечающая требованиям и рекомендациям нормативного документа ОНД-86 [11]. Предлагаемая методика существенно дополняет методику, приведенную в нормативном документе, поскольку позволяет учитывать вклад направлений ветра, влияния комплекса метеоусловий на рассеивание, а также производить расчет не по усредненной, а по опасной скорости ветра для каждого источника выбросов.
На первом этапом работы основные источники загрязнения были нанесены на картографическую основу. Это позволило подтвердить факт неравномерного расположения промышленных предприятий по территории города.
Исходя из характера расположения предприятий, формирующих техногенные поля атмосферных выбросов, на территории города первоначально было выделено 6 крупных промышленных агломераций (зон).
Рис. 1. Расположение предприятий и промзон
При значительном количестве источников, поля выбросов которых взаимно накладываются друг на друга, невозможно изучать загрязнение воздуха от каждого из них. Для этого была проведена вторичная группировка источников на основании их территориальной близости и техногенных параметров. Источники объединялись в группы с последующей заменой на фиктивные источники суммарной мощности. Систематизация и анализ данных инвентаризации томов ПДВ и картографически представленного материала о местоположении источников позволили объединить стационарные источники загрязнения от 80 предприятий в 166 групп.
В узлах разбитой на сетку территории города (шаг 750 м) рассчитывались концентрации примеси от каждого из 166 групп источников загрязнения по качественному, количественному составу и параметрам выхода газовоздушной смеси из трубы. Расчет проводился для 15 металлов, присутствующих в выбросах стационарных источников загрязнения г. Казани.
Максимальная концентрация примеси qmi в ј -й точке складывается из концентраций этой примеси от каждого из 166 групп источников (расчет по ОНД-86). Но для оценки уровня загрязнения используют средние концентрации примесей, формирующиеся в результате действия метеорологических условий распространения примесей в приземном слое воздуха. Переход от максимальных к средним концентрациям примесей рекомендуется осуществлять с помощью комплексного показателя, учитывающего действие ряда метеопараметров [6-8].
Учет влияния комплекса метеорологических параметров проводился с помощью коэффициента самоочищения атмосферы (Кс) [12]. Коэффициент Кс является отношением метеорологических условий, способствующих накоплению примесей, (Рсл. - повторяемость слабых ветров, Рт - повторяемость туманов) к метеорологическим условиям, способствующим рассеиванию примесей (Р6- повторяемость ветра со скоростью > 6 м/с, Ро - повторяемость осадков > 0,5 мм).
,
Согласно [5-9], расчет средней концентрации примеси необходимо дополнять экспозицией повторяемости направлений ветра, рассчитываемой по формуле: 
где Dl - экспозиция повторяемости направлений ветров за год, Р - среднегодовая повторяемость направлений ветра по румбу (%), Р0 - равен 12,5 % (процент повторяемости направлений ветров одного румба при круговой розе ветров: Р0 = 100%:8= 12,5).
Для расчета Кс и Dl использованы средние многолетние значения (10 лет метеонаблюдений с периодичностью в месяц) годовых повторяемости скоростей ветра по градациям и годовые повторяемости направлений ветра по румбам, повторяемости осадков и туманов.
Переход от максимальных к средним концентрациям примесей осуществляется путем умножения на комплексный показатель, учитывающий влияние метеорологических условий и показатель, учитывающий направление ветра. Степень загрязнения в точке определялась по формуле:
где qmikl – максимальная концентрация в точке от k - го источника для i - го ингредиента, для l - го из восьми направлений ветра для опасной скорости ветра низких источников; D l – экспозиция повторяемости направления ветра по восьмирумбовой шкале по данным метеостанций «Казань-университет» и «Казань, опорная», в зависимости от территориальной близости источников загрязнения; Кс- коэффициент самоочищения атмосферы.
Значения концентраций примесей, нанесенные на картооснову, позволяют проводить изолинии концентраций в лучах каждого из 8 направлений ветра зеркально по отношению к розе ветров.
В результате расчетов построено поле загрязнения приземного слоя атмосферы металлами с изолиниями величин суммарной кратности превышения ПДКс. с. средними концентрациями примесей на территории города и определены зоны повышенного уровня загрязнения.
Поле концентраций металлов, нанесенное на картооснову территории г. Казани с изолиниями суммы концентраций в долях ПДК с шагом 1, представлено на рисунке 2. Анализ геохимического поля загрязнения металлами приземного слоя атмосферы указывает на существование значимого превышения концентраций металлов (2 ПДК) на большей части территории города. Этот факт согласуется с результатами анализа техногенных параметров выбросов, показывающими присутствие металлов в выбросах большинства предприятий города.
Вектор загрязнения совпадает с розой ветров и напоминает форму эллипса. Направление главной оси эллипса совпадает с преобладающим юго-западным направлением ветра.
Эпицентр загрязнения (7-9 ПДК) находится в центральной части города (ул. Татарстан, Тукаевская, Нариманова, Спартаковская, Камала, пл. Вахитова,) в радиусе действия (с учетом преобладающих южного и юго-западного направлений ветра) таких предприятий как , ПО “Нерудматериалы”, завод ЖБИ-3. При любом направлении ветра сюда происходит приток примесей от промышленных предприятий, в то время как на окраинах - только при ветре из города.
Вторая зона загрязнения находится в Приволжском районе и захватывает отрезки улиц Лебедева, Техническая, Роторная. Отмеченный повышенный уровень загрязнения (5-6 ПДК) вероятностно обусловлен выбросами источников с неблагоприятными для рассеивания параметрами выбросов таких предприятий как «Точмаш», КПАТП-1, и сносом факела от ТЭЦ-1.
Третий максимум концентраций находится в Кировском районе, в радиусе действия промышленно-строительного комбината, и сформирован также вероятностным перебросом факелов от КГНПП им. Ленина и АО «Тасма». Локальное загрязнение также усиливается за счет преобладающего направления ветра и формирующегося в этой зоне третьего острова тепла.
Можно было бы ожидать формирования зон повышенного загрязнения в радиусе действия городских котельных, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, но большие высоты труб и высокие температуры выбросов обеспечивают эффективный подъем факелов и рассеивание основных загрязняющих веществ на всей территории города с формированием фонового загрязнения в 1-3 ПДК. Окраины города по результатам расчетов считаются условно чистыми.
Проведенный анализ показал, что формирование поля загрязнения металлами приземного слоя атмосферы г. Казани является результирующим следствием локального (импактного) атмосферного переноса примесей. Общее поле загрязнения атмосферы металлами и его отдельные, локальные очаги имеют радиальную структуру, свидетельствующую об относительной равномерности характера рассеивания выбросов. Картографическая проекция полей рассеивания металлов-примесей указывает на возможное наличие на территории города различных по площади и интенсивности проявления аномальных, а также фоновых геохимических структур в основных депонирующих средах (снежном покрове и почвах). Изучение содержания металлов в пробах снежного и почвенного покровов позволяет оценить их поступление с выбросами не только стационарных, но и передвижных источников загрязнения.
Изучение геохимических полей металлов в снежном покрове г. Казани проводилось путем геохимического картографирования. Для снежного покрова рассчитывался суммарный показатель загрязнения (СПЗ – Zc). В расчетах СПЗ задействованы все исследуемые металлы - Cd, Pb, Co, Ni, Zn, Cr, Mn, Fe. На основании обобщения собственных фондовых материалов в качестве местного геохимического фона металлов в снежном покрове г. Казани нами предлагаются следующие концентрации (мг/л): Cd - 0,001; Pb - 0,01; Cu – 0,02; Ni -0,01; Zn – 0,04; Cr – 0,01; Co – 0,02; Mn -0,02; Fe – 0,42.
Фоновое содержание металлов в снежном покрове г. Казани, определенное нами как нижняя квартиль ранжированного ряда, находится на уровне значений, приведенных в имеющихся немногочисленных публикациях по геохимии металлов в снежном покрове Предкамья РТ [13,14]. Пространственное распределение выпадений металлов на поверхность города Казани имеет сложный, мозаичный характер. Выявленные картографическими методами очаги загрязнения, как правило, приурочены к крупным промышленным предприятиям и их агломерациям и транспортным магистралям (рис.3).
Оценка опасности загрязнения снега комплексом металлов по показателю СПЗ, отражающему дифференциацию загрязнения воздушного бассейна городов металлами, проводилась по оценочной шкале, представленой в [1].
В г. Казани установлено 6 отчетливо выделяющихся геохимических аномалий снежного покрова по содержанию металлов (рис. 3), приуроченных к отдельным промышленным предприятиям и их конгломератам. Площади выделенных техногенных аномалий определяются в основном мощностью и высотой выбросов и особенностями перемещения воздушных масс. Около 30% снежного покрова городской территории характеризуется опасной степенью загрязнения, причем правобережная части р. Казанки - это один из наиболее густонаселенных районов города. В то же время, в наиболее экологически благополучных районах (восточная и северо-западная части города) СПЗ не превышает 30.
Чрезвычайно опасная степень загрязнения снега (СПЗ>128) зафиксирована в центральной части города в районе 2-ой транспортной дамбы и привокзальной площади, где сказывается нагрузка от автотранспортных потоков.
Значительная по площади и интенсивности проявления зона загрязнения (IV промзона) формируется под влиянием выбросов ряда предприятий (завод синтетического каучука, ГУП Мединструмент, завод «Радиоприбор», объединение, завод Искож, , ПО Теплоконтроль, ТЭЦ-1). Его отличают четко выраженный "эпицентр" и постепенное уменьшение плотности выпадения металлов по мере удаления от основных источников загрязнения (СПЗ уменьшается от 128 до 32).
Зоны загрязнения снега совпадают с местоположением предприятий I промзоны (воздействие выбросов предприятий , ТЭЦ 3), II промзоны (воздействие выбросов предприятий -д Сантехприбор, филиал Вертолетного завода, , КГНПП им. Ленина, объединение); III промзоны (-д «Радиоприбор»; ; , ГУП «Мединструмент»); IV промзоны (воздействие выбросов предприятий , ПО «Терминал», АО «Завод газовой аппаратуры»); V промзоны (воздействие выбросов предприятий НПП «КОМЗ», ); VI промзоны (воздействие выбросов предприятий , », -д Элекон), характеризуются как опасные (СПЗ меняется от 128 до 32).
Наложение полей загрязненности металлами в приземном слое атмосферного воздуха (рис.2.) и снежном покрове (рис.3) г. Казани однозначно указывает на техногенную природу четырех аномалий, высокая контрастность которых подтверждена опробованием снежного покрова в течение 3-х лет – это зоны влияния I, II, III и VI промышленных зон. Очаги загрязнения в атмосфере от IV и V промзон не были выявлены расчетным путем, однако они абсолютно идентифицируются по геохимическим полям металлов в снежном покрове, т. е. натурные наблюдения дают более полную пространственную характеристику изменчивости содержании поллютантов в приземном слое воздухе. Более того, эпицентр загрязненности, находящийся во второй зоне исследования, полученный расчетным путем оказался несколько смещенным на запад.
Таким образом, установлено, что расчетный мониторинг содержания металлов в приземном слое атмосферы дает менее адекватные данные, чем косвенный метод анализа – содержания элементов в снежном покрове, и результаты, полученные расчетным путем необходимо корректировать с результатами натурных наблюдений депонирующих сред.
При проведении эколого-геохимических исследований почв исходили из известного факта, что геохимический состав элементов, накапливающихся в снежном покрове, обычно определяет набор элементов, наблюдаемых в почвах.
По данным почвенно-геохимического опробования в качестве местного геохимического фона металлов в почвах г. Казани нами предлагаются следующие их концентрации (мг/кг): Cd - 0,2; Pb - 14; Cu - 8,86; Ni -11,15; Zn – 36,55; Cr – 3,48; Co – 5; Mn -299,5. Фоновое содержание металлов в почвах г. Казани находится на уровне значений, наблюдаемых в почвах Предкамья РТ [15].
Геохимическое поле металлов в почвенном покрове г. Казани отличается размытой структурой (рис.4). Наиболее интенсивно выраженная аномалия находится в зоне действия источников II промзоны (СПЗ > 32). Другой обособленный ореол в южной части города отражает накопление металлов в почвах под воздействием выбросов 10 предприятий III промышленной зоны (СПЗ 12-28). Вытянутая в северо-западном направлении аномалия (воздействие источников выбросов VI промзоны) образует самый крупный по площади эллипсовидный очаг загрязнения протяженностью до 20 км и значениями СПЗ от 12 до 24. К относительно чистым можно отнести западные и восточные районы города.
Таким образом, на большей части территории г. Казани категория загрязнение почвенного покрова металлами характеризуется как «допустимая» и «умеренно-опасная». Выявлено местоположение аномалии, для которой уровень загрязнения почвы характеризуется как опасный.
Геохимические аномалии металлов в снеге и почвах носят стационарный характер. Их контуры в основных чертах совпадают, что позволяет говорить о полиэлементном составе и генетической общности техногенных геохимических аномалий урбанизированных территорий г. Казани. Кумулятивный эффект аэротехногенного поступления металлов в почвах выражен пока не столь контрастно, как в снежном покрове города, что не позволяет использовать поле загрязнения почвенного покрова для характеристики загрязнения металлами приземного слоя атмосферы.
Выявленные расчетным путем и экспериментально участки аномального загрязнения приземного слоя атмосферы металлами рекомендуется использовать для корректировки градостроительных планов развития города, размещений производственных объектов, направлений разработки природоохранных мероприятий.
Литература
1. , Ревич -геохимические подходы к разработке критериев нормативной оценки состояния городской среды // Серия географическая№4.
2. , , Утехин и методы геосистемного мониторинга.- М.: Наука, 19с.
3. Глазовская природных и техногенных ландшафтов СССР. - М.: Высшая школа,19с.
4. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами.- М.: ИМГРЭ, 19с.
5. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1991, 689 с.
6. , Берлянд характеристики условий распространения примесей в атмосфере. Справочное пособие.- Л.: Гидрометеоиздат, 198с.
7. Безуглая потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов.- Л.: Гидрометеоиздат, 198с.
8. , Резниченко пространственной и временной структуры загрязнения атмосферного воздуха в городе // Урбоэкология.- М.: Hаука, 1990.- С.207-217.
9. , , , Зильберштейн метод расчета среднего поля
концентрации примесей в городском воздухе // Труды ГГО.- 1982.- Вып. 450.- С.85-89.
10. Берлянд и регулирование загрязнения атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат, 198с.
11. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86.- Л.: Гидрометеоиздат, 198с.
12. Селегей потенциал самоочищения атмосферы Сибирского экономического района //Тр. ЗапСибНии.-1989.- С.84-89.
13. , , Конюхова -геохимическая оценка г. Казани // Эколого-геохимическая оценка городов. - М.: ИМГРЭ, 1991. - С.62-66.
14. , , Хисматуллина экологической ситуации г. Казани по результатам геохимической оценки снежного покрова // Экотоксикологическая оценка урбанизированных и сопредельных территорий.- Казань: Изд-во КГУ, 1990.- С.121-125.
15. Озол исследования почв Татарстана // Проблемы экологической химии Республики Татарстан. - Казань, 1998. - Вып.1. - С.5-27.
