Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

ственно,

пространственными соотношениями между источниками

выбросов

(промзонами,

шоссе) и страдающими объектами —

селитебными и рекреационными территориями.

Опыт геохимических исследований показывает, что по спе-

цифике пространственной функциональной структуры города

могут быть разделены на три укрупненные группы: 1) города-

центры, столичного типа (государства, области) с многоотрасле-

вой промышленностью, включающей разнообразные по составу

и мощности источники выбросов в атмосферу; 2) специализиро-

ванные города, возникающие обычно в связи с крупными пред-

приятиями или блоками однородных предприятий (металлурги-

ческие, химические, машиностроительные, горнообогатительные

комбинаты, энергетические центры) — часто наиболее мощными

источниками выбросов в атмосферу; 3) города-спальни, вклю-

чающие спутники (или отдаленные микрорайоны) крупных горо-

дов селитебного назначения, малые города с местной промышлен-

ностью, т.

е.

поселения, где источники выбросов в атмосферу,

ограничиваются необходимым для жизнеобеспечения минимумом

(главным образом, энергетическими и транспортными потребно-

стями)

Характер использования городской территории фиксируется

на картах функционального зонирования. К основным функцио-

нальным зонам относятся промышленные, селитебные, транспорт-

ные, рекреационные и др.

По специфике размещения промышленности, основной градо-

образующей базы, выделяются три главных типа структур:

пор-

фировидная

(мозаич-ная,

вкрапленная, точечная) и зональная

(центрическая).

Порфировидную

структуру имеют города или от-

дельные их части, в градостроительной планировке которых про-

мышленность, представленная многими объектами, сконцентри-

рована в промышленные зоны, разбросанные по городу. При

такой структуре промышленность по отношению к другим функ-

циональным зонам

городах

типа «центр» занимает

30—50%

площади (рис. 28).

Вкрапленная структура размещения характерна для горо-

дов, где появление промышленности совпало с началом разви-

тия фабрично-заводского производства. Жилые дома строились

вплотную к производственным объектам. Площадь, занятая низ-

коэтажной жилой застройкой значительно превосходила терри-

тории фабрик и заводов. Таким образом, промышленность была

как бы вкраплена в жилую зону. Для городов группы «центр»

площадь промышленных объектов при такой структуре размеще-

ния обычно составляет

10—30%

других функциональных зон

(см. рис. 28). Для фоновых городов эта площадь значительно

меньше, она занимает всего лишь

5—10%

общей территории.

Зональный тип структуры формируется около крупных совре-

менных промышленных объектов или их блоков, объединенных

121

Рис. 28. Структура размещения промышленности в городах (а —

порфировид-

ная,

б — вкрапленная, в — зональная):

— промышленный объект, 2 — селитебная зона, 3 — зеленая зона, 4 — буфер-

ная зона, 5 — контуры промышленных зон

единым производственным циклом. Функциональные зоны непро-

изводственного профиля пространственно удалены от места ло-

кализации промышленности и как бы опоясывают

промплощадку,

которая чаще всего размещается на окраине города. Зональная

структура характерна для многих «специализированных» городов.

Условия распространения потоков атмосферного воздуха,

загрязненного выбросами и оценка опасности их воздействия на

объекты окружающей среды и населения во многом различна

для рассмотренных типов городов.

Атмохимические

аномалии

Техногенные геохимические преобразования атмосферы и загряз-

нение воздуха в городах — один из наиболее актуальных вопросов

для этих территорий. Ему посвящена огромная литература,

рас-

122

сматривающая,

главным образом, общие тенденции, характери-

зующие состояние атмосферы по так называемым приоритетным

загрязняющим веществам — общей пыли, оксидам азота, серы

и углерода [17].

В большинстве промышленных городов по всем этим ингре-

диентам наблюдаются обширные

атмохимические

аномалии. По

ориентировочным средним оценкам в большинстве промышлен-

ных зон концентрации оксидов серы и азота выше фоновой в

5—8

раз, а пыли — в

15—20

раз. В селитебных зонах промышленных

городов интенсивность загрязнения значительно меньше, но оста-

ется достаточно высокой (в

3—10

выше пригородных террито-

рий).

В последние годы появились исследования

Ю.

А.

Израэля,

Ф.

Я.

Ровинского,

И.

М.

Назарова с соавторами, В. А. Михайлова

с соавторами, работы других отечественных и зарубежных иссле-

дователей [8, 18], свидетельствующие о высоких и очень высоких

уровнях концентрации в воздухе городов токсичных химических

элементов.

Обобщение этих материалов, а также данные авторов пока-

зывают очень контрастную структуру изменения микроэлемент-

ного состава атмосферы в ряду «воздух условного антарктиче-

ского эталона — пригородные территории, удаленные от промыш-

ленных источников выбросов — города типа «центр» — специали-

зированные металлургические города» (табл. 30).

Таблица 30 Концентрации химических элементов (в

мкг/м

)

в атмосферном

воздухе различных типов территорий. По В А Михайлову с дополнениями

Элемент

Алюминий

Титан

Ванадий

Хром

Марганец

Железо

Кобальт

Никель

Медь

Цинк

Мышьяк

Селен

Бром

Молибден

Серебро

Кадмий

Сурьма

Вольфрам

Ртуть

Свинец

Южный полюс,

л-10-

0,082

0,010

0,013

0,004

0,001

0,062

0,00005

—

0,003

0,084

0,260

0,000002

0,00004

0,0015

0,00008

Пригородный

фон

0,9

0,1

0,07

0,009

0,06

1,5

0,001

0,06

0,07

0,3

0,005

0,001

0,05

0,01

0,001

0,006

0,01

0,001

0,3

Промышленные

города

1,4

0,17

0,12

0,6

0,04

0,12

1,1

1,7

0,1

0,019

1,3

0,002

0,13

0,4

0,02

0,005

3,0

Центры очагов

загрязнения

около мощных

источников

загрязнения

—

100

1000

—

123

Таблица 31 Концентрации химических элементов в атмосферном воздухе

и снежном покрове фоновых территорий

Элемен

Магний

Титан

Ванадий

Хром

Марганец

Никель

Медь

Цинк

Мышьяк

Бром

Кадмий

Олово

Лантан

Самарий

Европий

Ртуть

Свинец

Атмосферный

воздух

мкг/м

Региональ

ный

фон

049

0,09

0,003

0,006

0,0

0004

0,020

0,023

0,007

Н о

0,004

Н о

0,002

0,006

Фоновый

район города

1 48

0,10

0,012

0,034

0,032

0,024

0067

0,143

0,010

0,017

0070

0,008

0,005

0,0007

0,00005

0,007

0,0034

2,5

6,0

3,3

6,2

—

2,4

—

Пыль в снежном покрове

мг/кг

Региональ

ный фон

—

520

100

610

—

0,5

—

022

Фоновый

район города

—

150

550

220

340

—

2,6

—

0,90

180

Кс

—

1,3

1,1

2,2

0,6

—

5,2

1,2

—

4,1

В воздухе сельских территорий, урбанизированных регионов,

находящихся под каким-то количественно неясным антропоген-

ным, воздействием, концентрации большинства микроэлементов

выше, чем на Южном полюсе, в десятки и сотни раз Для таких

территорий даже ориентировочно пока нельзя оценить

количе

ственно

уровень глобального и регионального загрязнения Для

этого необходимо получить представительные данные по содер-

жанию микроэлементов в воздухе в наиболее отдаленных от

урбанизации континентальных районах в различных ландшафт-

ных зонах Мира В городах типа «центр» степень концентриро-

вания многих химических элементов

(РЬ,

Си,

Мп,

Вг,

Сг,

Мо,

5е,

XV)

возрастает по сравнению с выбранным фоном в

5—20

раз, а

С<]

Аз

— в сотни раз При этом довольно контрастно

в воздухе городов увеличивается содержание таких малоизучен-

ных в экологическом плане элементов, как

А1,

Т),

Ре В ядрах

атмохимических

аномалий металлургических городов — наиболее

острые известные нам ситуации загрязнения воздуха селитебных

территорий — уровни концентрации возрастают на один-два по

рядка И здесь рост содержаний таких наиболее изученных тя-

желых металлов как РЬ,

2п,

XV,

Си,

Сс1,

С не так уж контрастен

(в

3—5—10

раз) Очень контрастно увеличиваются в этих слу-

чаях содержания Ре, Мп, 5е, Со,

Аз

(в сотни раз) — элементов,

которым обычно придается меньшее значение

124

Примечания К — коэффициент

концентрации

рассчитанный по отношению к

регио

нальному

фону

Но-

элемент не обнаружен

«—»

— элемент не

определятся

Проблема фона при анализе

атмохимических

аномалий в го-

родах довольно сложна, что связано с существованием плохо

исследованных региональных полей загрязнения атмосферного

воздуха Для получения данных о фоновых содержаниях

хими

ческих

элементов в атмосферном воздухе, урбанизированных

территориях нами на протяжении нескольких лет проводились

сопряженные исследования воздуха и снежного покрова в

мест-

125

Таблица

32 Концентрации химических элементов в атмосферном воздухе

Положение

селитебной

территории

Зона влияния выбросов машино-

строительных производств

Центральная часть города с до-

минирующим

влиянием авто-

транспорта

Периферийный фоновый район

Число

проб

ПО

Ванадий

ср

0,02(0,39)

0,01 (0,05)

0,01(0,09)

Кср

7(130)

3(17)

3(30)

Хром

гр

0,09(0,83)

0,08(0,74)

0,03(0,70)

к,„

15(140)

13(120)

5(110)

Примечания

С,

-среднегодовая

концентрация,

К.р

коэффициент

концентрации

мальные

значения параметров

ности,

являющейся дальней периферией крупной городской агло-

мерации, отстоящей на 70 км от промышленного центра и на

20 км от ближайшего небольшого городка, где промышленность

отсутствует (в дальнейшем мы будем условно называть получен-

ные данные по этому участку исследований региональным фо-

ном), а также на городских территориях нового освоения, нахо-

дящихся на расстоянии не менее

10—15

км от промышленных

предприятий и являющихся по сути дела городами-спальнями

(фоновый район города, табл. 31).

Степень загрязнения воздуха в пределах региональных полей

антропогенного воздействия прямыми замерами установить

нелегко. Косвенно существование таких полей подтверждается

при сопоставлении содержаний химических элементов в пыли,

осажденной снеговым покровом, и почве (рис. 29). При общем

сходстве рядов содержаний пыль выпадений обогащена техно-

генными элементами:

Н§

(в 24 раза), 2п (в 12 раз), 5п (в 8

раз),

Сс1

(в 5 раз), Си (в 4 раза),

РЬ

(в 3,5 раза), № (в 2,5 раза).

Можно предположить, что из-за существования таких полей

наши оценки уровня загрязнения городов всегда несколько

занижены.

По сравнению с «региональным фоном» уровень содержаний

химических элементов в городах-спальнях (фоновых микрорай-

онах) отчетливо выше (см. табл.

31).

В атмосферном воздухе здесь можно выделить несколько

групп элементов, по степени накопления отличающиеся от регио-

нального фона. Во-первых, элементы, характерные для выбросов

энергетических установок —

№,

Н§

(коэффициенты концент-

рации

6—3,5).

Во-вторых, элементы, присутствующие в выбро-

сах большинства машиностроительных производств —

Сг,

Мп,

РЬ.

РЬ, как и

Вг,

характерен для состава воздуха, загрязненного

выхлопными газами автомобилей.

Типоморфными

элементами,

встречающимися в окружающей среде любого промышленного

города, являются 2п и Си, которые могут выделяться в воздух

с промышленными выбросами, при коррозии металлических

частей зданий и инженерных сооружений. Есть также и элементы,

126

селитебных территорий различных зон города,

мкг/м'

Марганец

С,р

0,12(0,90)

0,10(0,84)

0,03(0,42)

К,р

9(69)

8(65)

2(33)

Никель

Сер

0,04(0,36)

0,04(0,44)

0,02(0,41)

Кср

10(90)

10(110)

5(102)

Цинк

Сер

0,23(1,85)

0,13(0,45)

0,05(0,67)

К,р

10(80)

6(20)

2(29)

Свинец

„

0,13(0,70)

0,04(0,22)

0,01 (0,09)

Кср

22(117)

7(37)

2(15)

среднего

содержания по отношению к

ре!иональном\

фон\,

в скобках даны

макси

происхождение повышенных концентраций которых в воздухе

не совсем

понятно

—

М§

и 5п. Исследование микроэлементного

состава пыли, осажденной на снежный покров, в основном под-

тверждает состав ассоциации аномальных элементов, наблюда-

емых в воздухе.

Изучение форм нахождения в атмосферных выпадениях

(рис. 30) показывает, что аномалии в «фоновых» городах во

многом обусловлены поступлением химических элементов в виде

пыли. С нерастворимой частью выпадений здесь связывается

70—90%

аномальных конденсаций. В фоновых условиях большая

часть химических элементов находится в растворенной форме.

Это же фиксируется и ростом массы пылевых выпадений в горо-

дах-спальнях. При фоновом уровне выпадений

10—20

кг/км

в сутки выпадение здесь возрастает до

30—45

кг.

При изучении состояния окружающей среды городов боль-

шое значение имеет выявление пространственной структуры

загрязнения воздушного бассейна. Оценка качества атмосфер-

ного воздуха внутри городов дается на основании сведений,

поступающих с стационарных постов общегосударственной служ-

бы наблюдения и контроля атмосферного воздуха. В соответ-

ствии с существующими нормами стационарные посты устанав-

ливаются в городах из расчета один пост на

10—20

км

в равнин-

ной

местности

и на

5—10

км

в пересеченной местности. В боль-

шинстве городов имеется

5—6

стационарных постов, в крупней-

ших —

6—20

постов. Результаты наблюдений на стационарных

постах позволяют получить

осредненную

характеристику степени

загрязнения атмосферного воздуха, проследить в течение ряда

лет тенденции изменения уровня степени загрязнения. Получе-

ние детальной пространственной картины распределения токсич-

ных веществ в различных зонах города с множественными

источниками загрязнения при принятой сети контроля довольно

сложно. Так, по данным К. А.

Буштуевой

и авторов, в крупном

городе по данным 22 стационарных постов контрастность раз-

личия уровней загрязнения отдельных его частей всего 1,7. В то

же время даже расчетные поля концентрации загрязняющих

127

Таблица

33 Концентрации химических элементов в атмосферном воздухе

Источник

загрязнения

Машиностроительный за-

вод и ТЭЦ на

мазутном

топливе

Завод транспортного ма-

шиностроения

Чугунолитейный завод

Сталеплавильный завод

Шлифолитейный

завод

Производство вычисли-

тельной техники

Мз1

истраль

с интенсив-

ным движением автотран-

спорта

Ванадий

0,16

0,02

0,05

0,22

0,01

к;

—

Кс

3,3

—

Хром

0,11

0,03

0,39

0,06

0,04

0,02

0,04

к:

1,3

Кг

Марганец

0,14

0,11

1,31

0,12

0,11

0,04

0,05

к;

3,7

1,7

К?

101

8,5

Примечания С — средняя концентрация за цикл наблюдения Кс -

коэффициент

кон

фона),

Но—

не

обнаружено

веществ в воздухе, устанавливаемые по официальным (обычно

заниженным) сведениям в массе их выброса в атмосферу пока-

зывают различия в

3—5

и более раз. Фактические вариации

содержаний значительно больше. Обобщение материалов по

загрязнению атмосферного воздуха крупного промышленного

города металлами при осреднении для разных типов территорий

показало (табл. 32), что средние уровни содержаний металлов

в жилых территориях, примыкающих к промышленным зонам,

обычно более чем в 10 раз выше фонового. Наблюдаемая ассо-

циация

(РЬ,

2п,

N1,

Сг,

М§,

XV)

фиксирует все наиболее распро-

страненные в городах типы

источников

загрязнения — транспорт,

энергетику, промышленность. Максимальные концентрации всех

химических элементов выше примерно на порядок. Характерно,

что в центре города, где сколько-нибудь крупная промышлен-

ность отсутствует, уровни загрязнения воздуха в 1,5 раза меньше.

Это характерно для большинства городов

и,

возможно, связано

с особенностями циркуляции воздуха при условии формирую-

щегося над ним острого тепла.

В табл. 33 приведены материалы по среднесуточным концент-

рациям ряда химических элементов в ядрах геохимических ано-

малий близ наиболее характерных для городов источников за-

грязнения — машиностроительных и приборостроительных пред-

приятий, небольших литейных заводов, автотранспортных

магистралей, полиграфического производства. Во всех случаях

наблюдается широкий спектр химических элементов в воздухе.

Специфика источника подчеркивается лишь относительным уров-

нем концентрации того или иного металла. Например, свинец по

вполне понятным причинам наиболее контрастен близ

чугуноли-

128

в центрах очагов загрязнения,

мкг/м

Никель

0,06

0,05

0,35

0,09

0,06

0,03

0,02

К,

2,6

1,5

К,

7,5

Цинк

0,29

0,15

0,7

0,24

0,23

1,0

0,17

К,

1,7

1,6

К?

Олово

0,015

0,021

0,12

0,08

0,13

0,023

к;

1,5

1,8

2,3

—

К?

4,5

—

Свинец

0,09

0,04

0,19

0,14

0,48

0,10

0,45

к;

К;

центрации

(К

относительно городского

фона.

К?—относительно

регионального

тейного

завода и у автомагистрали. Однако в первом случае он

сочетается с оловом, которое у дорог не проявлено.

Марганец наблюдается повсеместно

(Кс

около 10), но очень

контрастно выражен около чугунолитейного завода

(К<.ЮО).

Содержания ванадия контрастно увеличены около всех «горячих»

производств: ТЭЦ на мазуте, сталеплавильный и чугунолитей-

ный цеха. Цинк проявлен стабильно на уровне в

7—10

раз выше

фона, но около чугунолитейного цеха и приборостроительного

завода степень концентрации цинка много выше. Данные табл. 33

еще раз подчеркивают

поликомпонентность

атмохимических

ано-

малий в городах, их высокую контрастность по отношению к бо-

лее представительному региональному фону, специфичность

ассоциации тяжелых металлов для различных типов источников

загрязнения воздуха.

Общая пространственная структура загрязнения атмосфер-

ного

воздуха

—

суммарный^

итог сложения атмохимических по-

токов всей существующей совокупности источников выбросов.

Прямое изучение распределения содержаний химических

элементов в воздухе из-за динамических особенностей и невоз-

можности синхронных наблюдений в достаточно большом коли-

честве точек не позволяет при современном техническом уровне

закартировать

пространственную структуру загрязнения атмос-

феры.

В этой связи интересно проследить основные закономерности

пространственного распределения химических элементов в воз-

душных потоках, определяющие размеры зон воздействия ти-

пичных для городов источников выбросов.

Такие закономерности выявляются главным образом по

дан-

129

9-3486

ным

подфакельных

наблюдений, т.

е.

синхронного опробования

на различных расстояниях по направлению течения ветрового

потока.

На рис. 31 демонстрируются графики пространственного

распределения серии

типоморфных

химических элементов в воз-

духе для зон воздействия, характерных в городах видов произ-

водств (машиностроительных, приборостроительных, вторичной

переработки цветных металлов), а также транспорта На

рис. 32 представлены аналогичные графики для типичных мощ-

ных источников выброса — медеплавильного завода и мазут-

ной

ТЭЦ.

Для всех перечисленных источников выбросов мы наблюдаем

близкий характер структуры распределения. Выделяется две

зоны: ближняя, где происходит резкое убывание концентраций

элементов, и дальняя — территория, где градиент значительно

меньше и происходит плавное уменьшение содержаний до

фоно-

130