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

Подождите немного. Документ загружается.

Во-первых, для получения

представительной

оценки уровня

поступления в организм загрязняющих веществ с водой и возду-

хом необходимо осреднение значительного количества измере-

ний (до 200, по гигиеническим расчетам

М.

А.

Пинигина

Советам)

[11].

Во-вторых, получение такой информации

возможно только в условиях стационарной сети наблюдений,

что, собственно, и обосновывает санитарно-гигиенический и гид-

рометеорологический подходы к системе контроля за состоянием

окружающей среды. В третьих, по данным прямых наблюдений

за воздухом и водой достоверную картину пространственной

структуры загрязнения окружающей среды с множеством источ-

ников получать трудно; в этом отношении перспективен гео-

химический анализ структуры выпадений загрязняющих веществ

из техногенных потоков.

Механизмы выведения химических элементов из транспор-

тирующих потоков в депонирующие природные среды, хорошо

понятные в общем виде, фактически почти не наблюдались и очень

мало описаны. Они обусловлены прежде всего формами нахож-

дения химических элементов в потоках.

Химические элементы в воздухе и воде мигрируют в виде

двух основных групп форм: 1) растворенной, входящей в состав

главных фаз этих природных

компонентов,—

их дисперсионной

среды; 2) взвешенной, представляющей собой непостоянную

механически перемещаемую дисперсную фазу, не стабильную

по составу и объемам. Пространственно-временные особенности

поведения химических элементов в этих двух фазах обусловлены

разными причинами и имеют свою специфику. Для дисперсион-

ной среды концентрация загрязняющих веществ регулируется

прежде всего процессами разбавления, а также

сорбционного

химического взаимодействия.

Для дисперсной фазы (взвесей) концентрация связанных

с ней загрязняющих веществ обусловлена содержанием этих

веществ в самой фазе, количеством фазы и скоростью ее. седи-

ментации, связанной с размерностью частиц и скоростью потока.

Таким образом, концентрация загрязняющих веществ в по-

токах и интенсивность выпадения из них зависят от соотношения

«раствор (газовая смесь) — взвесь». Интересно отметить,

что'

в практике контроля за окружающей средой при оценке состо-

яния воздуха почти всегда анализируется пыль или аэрозоль,

накопившаяся на фильтре. Для воды же либо форма нахождения

не фиксируется, либо (что

чаще),

анализируется фильтрат.

В этой связи данных по реальным формам нахождения хи-

мических элементов в потоках очень мало.

В водных потоках многие химические элементы мигрируют

преимущественно во взвешенной форме [27,

30].

Поэтому при

оценке загрязнения водных систем большое значение приобре-

тает мутность воды. Загрязнение водных потоков по принятым

сейчас критериям оценки определяется как масса загрязняющего

вещества в единице объема. При этом, в случае увеличения мут-

ности воды даже при фоновых содержаниях элементов в составе

взвеси происходит рост объемных

концентраций,

создающий

«видимый уровень загрязнения».

Вместе с тем, появление небольшого количества техногенной

взвеси с очень высокими массовыми содержаниями химических

элементов также приводит к значительному загрязнению («ре-

альный уровень

загрязнения»).

Но в этих случаях в периоды

увеличения мутности (например, половодье) может регистриро-

ваться уменьшение загрязнения.

Общая концентрация химических элементов в растворенной

форме, складывающаяся из суммы неорганических и органи-

ческих компонентов, в условиях загрязнения определяется преж-

де всего степенью разбавления речной водой поступающих сто-

ков, а также взаимодействием в системе «вода —

биота

—

твердое вещество».

Химические элементы, связанные со взвешенным веществом,

могут быть закреплены в разнообразных химических формах.

Они могут присутствовать в виде геохимически подвижных

форм (т. е. могут относительно легко трансформироваться при

изменении условий

среды):

сорбированных; связанных с органи-

ческим веществом;

гидроксидами

железа и марганца; карбона-

тами; и в виде неподвижных форм — сульфидов, силикатов,

входить в состав решеток неразложившихся обломочных и гли-

нистых минералов (кристаллическая форма). Все эти формы

выявляются

фазовым химическим анализом

[41].

В воздушных потоках рассеяния проблема форм нахождения

элементов долгое время стояла, главным образом, как проблема

дисперсного состава аэрозолей. Сравнительный анализ размеров

частиц для различных химических элементов позволил раз-

работать количественные модели их рассеяния и рассчитать

скорости оседания. В последнее время выяснилось, что большое

значение имеет изучение распределения элементов между аэро-

зольной фазой (взвешенной в воздухе, дисперсной) и паро-

газовой фазой (дисперсионной

средой).

На биосферных заповедниках, т. е. в эталонных фоновых

условиях, большинство тяжелых металлов

(Си,

Со,

Сг,

Си, 2п,

РЬ

Н§^),

а также 5е,

Аз,

Вг,

5Ь находятся в атмосфере, глав-

ным образом в

паро-газовой

форме. Лишь для

литофильных

элементов

(Ш,

5с,

ТК)

преобладающая доля концентрации

связана с взвешенными частицами

[18,28].

В атмосферном воздухе жилых территорий крупного промыш-

ленного города роль взвесей в составе атмосферы (по А. 3.

Мик-

лишанскому)

для большинства элементов возрастает до 70 (2п,

Со)

—90%

(Си, Сг). Однако, для ряда элементов

паро-газовая

фаза или, вернее, не улавливаемая фильтром субмикронная

Рис. 3. Распределение химических элементов по размерам несущих частиц:

—

субмикронная фракция (менее 0,05 мкм),

2—мелкодисперсный

аэрозоль

(0,05—2

мкм),

—

крупнодисперсный-аэрозоль

(более 2 мкм)

фракция составляет значительную часть содержания

(Аз

—

66%,

5Ь~67%,

Нд-60%).

В районе промышленных источников выбросов изучение соот-

ношения «взвесь — газ» едва начато. По первым результатам

(работы А. В.

Волоха)

это соотношение сильно меняется. Удель-

ный вес субмикронной фракции повсеместно велик:

Сс1

40—50%,

РЬ

22—28%,

2п

до 24%. Полученные данные исключительно

важны, так как ставят под сомнение достоверность существу-

ющих методов контроля и учета поступления загрязняющих

веществ в организм (рис. 3).

При анализе особенностей образования техногенной

анома

лии

за счет выпадений из атмосферы также очень важны

пред-

ставления о формах нахождения химических элементов и преж-

де всего о соотношении растворенных и взвешенных форм. Как

показывают многочисленные материалы, это соотношение свя-

зано со степенью загрязненности выпадений. Так, авторами

изучен характер изменения данного соотношения в снеговом

покрове по мере приближения к крупному промышленному

городу. Практически для всех исследованных химических эле-

ментов на относительно удаленных и сравнительно чистых тер-

риториях в выпадениях из атмосферы преобладают

раствори-

Таблица 2 Соотношение растворенных и взвешенных форм нахождения

химических элементов в атмосферных выпадениях

Район исследования

Неурбанизированная территория

(50 км от источника выброса)

Пригородная зона и окраины го-

рода

(10

км от источника выбро-

са)

Завод цветных металлов

Крупная промышленная зона

Среднесу-

точная

масса вы-

падающей

пыли,

кг/км

140

480

Соотношение «Раствор/Твердая

взвесь», %

Медь

77(1)

36(0,5)

3,5(100)

11(18)

Цинк

79(1)

17(2,5)

13(20)

9(10)

Свинец

82(1)

18(6,0)

12(160)

2(40)

Кадмий

95(1)

81(2,2)

90(22)

48(25)

Примечание В скобках указан коэффициент концентрации химических элементов по

отношению к содержанию в фоновых

условиях

мые

формы (табл. 2). Близ источников выбросов одновременно

с увеличением общей массы выпадающей пыли и степени кон-

центрации в ней элементов резко уменьшается доля раствори-

мых форм (кроме

Сс1).

Таким образом, формирование техногенных потоков и орео-

лов рассеяния во многом связано с характером распределения

твердых взвешенных частиц. Этот вывод касается прежде всего

территорий, обрамляющих источники выбросов и стоков так

называемой «ближней» зоны выпадений, наиболее опасной

с экологических позиций. Различие характера выпадений в ближ-

ней и дальней зонах описывается многими исследователями.

Однако,

почти нет надежных данных по балансам распределе-

ния материала выбросов в этих зонах. Авторы провели на не-

скольких объектах синхронные наблюдения за массой органи-

зованных выбросов

РЬ,

2п,

Си, 5п,

СА

и массой выпадений этих

элементов, уловленных снеговым покровом и установленных

путем картирования зоны распространения из аномальных кон-

центраций. Выяснилось, что выпадениями фиксируется всего

лишь

20—30%

массы выбросов. Остальная часть выброса рас-

сеивается, поступая в региональные и глобальные миграцион-

ные циклы, создавая «фоновое» загрязнение.

Влияние процессов глобального переноса антропогенных заг-

рязняющих веществ привело к тому, что сейчас в сущности не

удается собрать надежные данные о природном фоновом сос-

тоянии воздуха и выпадений, определяемом

космогенным,

вул-

каногенным и

литогенным

поступлением химических элементов.

В этой связи многие ученые обратились к изучению воздуха

арктических и антарктических районов, а также океанов, исполь-

зуя как прямое определение химических элементов в атмосфе-

ре,

так и данные по химическому составу выпадений на ледни-

ковые покровы.

Сравнение данных по составу

пылей

в датированных разре-

зах слоев арктического и антарктического снега и льда показа-

ло, что в расположенной относительно близко к промышленным

районам Гренландии, начиная с 1940 г., концентрации

РЬ,

2п

5О1"

увеличились в

2—3

раза, тогда как в Антарктиде содер-

жания тяжелых металлов существенно не менялись [8,

28].

Обобщение данных по прямому определению металлов в

воздухе, также показывает наиболее низкий уровень содержаний

в Антарктиде и их повышение в районах, более близких к конти-

нентам (океан северного полушария), и, особенно, к промыш-

ленным районам (Альпы).

Можно предположить, что воздух и выпадения Антарктиды

могут быть приняты лишь за условный эталон. В то же время

совершенно ясно, что истинным фоном он служить не может,

так как в условиях континентов состав атмосферы в значительно

большей степени определяется природной

литогенной

составля-

ющей рассеяния.

В качестве условного фона многие исследователи применяют

данные по концентрациям металлов в воздухе и в выпадениях

сельских территорий, где, однако, в настоящее время долю

антропогенного вклада выделить очень трудно.

Как отмечает А. П. Лисицын, фоновая поставка вещества из

атмосферы сильно варьирует в зависимости от особенностей

циркуляции воздуха. Последняя обусловлена наличием струйных

течений (каналов миграционных потоков) и зон конвергенции,

определяющих в совокупности три типа переноса взвешенного

материала: локальный, тропосферный и стратосферный. Средне-

суточная поставка аэрозольного материала варьирует: 100

кг/км

(плато Колорадо) — около 5

кг/км

(Новая Зеландия) —

кг/км

(Антарктида)

—0,006—0,06

кг/км

(Арктика).

Авторы на основе большого статистического материала (около

2000 наблюдений) для нечерноземной зоны европейской части

СССР получили оценку фона около 10

кг/км

в сутки (при

флуктуации от 6 до 20

кг/км

сутки).

При оценке интенсивности концентрации химических элемен-

тов в пылевых

выпадениях

из атмосферы следует иметь в виду,

что соотношение природной и техногенной составляющей в них

довольно динамично. В частности, увеличение в составе выпа-

дений доли почвенного материала, характерного для летнего

периода, увеличивает общую массу взвеси, оседающей на днев-

ную поверхность, но снижает в ней массовую концентрацию

«техногенных» химических элементов. Коэффициент летнего

разбавления пылевых выпадений варьирует в зависимости от

типа источников химических элементов и расстояния до него

(табл. 3). Так, он во всех случаях довольно стабилен для Си

и 2п, но снижается в городе для РЬ (поступление свинца из

почв, загрязненных автомобильными выбросами) и очень резко

Таблица 3 Коэффициенты летнего разбавления химических элементов в вы-

падениях из атмосферы

Участок

наблюдения

Региональный фон выпаде-

ний

Окраины крупной промыш-

ленной зоны

Центр крупной промышлен-

ной зоны

Медь

1,7

(100/60)

1,9

(300/160)

1,7

(450/270)

Свинец

2,2

(90/40)

1,5

(150/100)

1,3

(300/220)

Цинк

2,0

(1100/550)

1,8

(900/530)

1,8

(1100/630)

Никель

5,0

(50/10)

2,0

(155/80)

2,0

(100/50)

Примечание В скобках указана концентрация элементов в пыли (в

мг/кг)

числитель —

в зимних выпадениях, знаменатель — в летних выпадениях

(следствие влияния отопительного сезона с выбросами

мазутных

ТЭЦ).

В связи с вариацией состава пыли в выбросах предприятий

следует учитывать возможность появления двух принципиально

различных типов нагрузки химических элементов на земную

поверхность от загрязненной атмосферы: 1) высокая нагрузка,

формируемая в результате выпадения больших количеств пыли

с фоновыми или близкими к ним содержаниями химических

элементов; 2) высокая нагрузка, образуемая выпадением пыли

с высокими содержаниями химических элементов.

Первый тип нагрузки является, в сущности, условно-аномаль-

ным. Для участков проявления этого типа нагрузки может

быть характерно несколько повышенное потребление химических

элементов при дыхании (за счет большой массы

пыли),

но воз-

действие на почвы, воды, растения практически отсутствует.

Второй тип нагрузки (собственно-аномальный) воздействует

отрицательно на все компоненты окружающей среды, повышая

в них концентрацию химических элементов.

Например, на одном из цементных заводов с большой общей

массой выброса поступление в окружающую среду цинка с вы-

падениями составило 456 т в год, в том числе за счет увеличения

содержания элемента по сравнению с фоновой почвенной пылью

в той же массе всего 14 тонн. На соседнем заводе цветных метал-

лов масса цинка в выпадениях была почти в 2 раза меньше —

244 тонны, но за счет техногенного увеличения содержаний

в пылевом выбросе масса аномального цинка здесь была 127 тонн

(в 9 раз

больше).

В результате около цементного завода анома-

лии цинка в почве не наблюдались, а около завода цветных

металлов она была весьма контрастна. На рис. 4 приведены

типичные примеры пространственного распределения выпадений

двух химических элементов в окрестностях

промзоны

с мощным

источником выброса свинца и менее мощным олова.

Обобщение материалов такого рода позволило по средним

данным выбросов, рассчитанным для наиболее характерных то-

чек пространственного распределения, построить графики

рас-

Рис. 4. Соотношение среднесуточных аномальных нагрузок химических элементов:

— собственно аномальная нагрузка, 2 - условно аномальная нагрузка

Рис. 5. Характер изменения суммарных

показателей загрязнения снегового по-

крова:

О — геометрический центр промышленной

зоны,

Крп

— коэффициент концентрации

пыли, уловленной снегом, по сравнению

с фоном,

— суммарный показатель сте-

пени загрязнения пыли химическими эле-

ментами,

— суммарный показатель

нагрузки химических элементов на окру-

жающую среду На оси ординат отложе-

ны

величины

С1

Со

рП|

/К

рПо

ро

Рис. 6. Распространение ртути выбросов

углеперерабатывающего

предприятия:

— предполагаемая трасса распространения грубой твердой взвеси, 2 — пред-

полагаемая трасса распространения тонкой взвеси и газовой фазы, 3 — уровень

выпадения ртути в аномалиях по отношению к фоновому уровню

пределения

важнейших показателей загрязнения материала

выпадений (рис. 5). Количество выпадающей пыли, суммарный

показатель загрязнения пыли химическими элементами и суммар-

ная нагрузка, создаваемая выпадениями, представлены в виде

коэффициента распределения, т.

е.

пронормированы по отношению

к их значению в источнике аномалии — промышленной зоне.

На графиках, построенных в полулогарифмическом масшта-

бе, суммарный показатель степени загрязнения пыли химиче-

скими элементами, общее количество пыли и производный от

них суммарный показатель нагрузки химических элементов на

окружающую среду уменьшаются с удалением от группового

источника загрязнения по закону, близкому к экспоненциаль-

ному (линии графика близки к прямым).

Скорость уменьшения концентрации химических элементов

в пыли в

1,5—2,0

раза ниже скорости уменьшения выпадения

самой пыли. Это обусловливает относительное обогащение пыли

химическими элементами с удалением от источников загрязнения.

Близкий пример наблюдался Е. П. Сорокиной и одним из авто-

ров при прослеживании воздушного потока ртути от углеперера-

батывающего предприятия. Других источников ртути на терри-

тории нет, в то же время наблюдаются две зоны выпадений

этого элемента: близ предприятия и на значительном удалении

(рис. 6). Можно предположить, что зоны фиксируют трассы

распространения различных форм нахождения ртути.

Центр наиболее высоких выпадений приурочен к источнику

выброса. Размеры центра (для очень крупных источников выбро-

са — километры) хорошо

коррелируются

с мощностью источ-

ника. Это хорошо подтверждается данными рис. 7, где приведе-

ны примеры для предприятия с чисто пылевым выбросом и для

«химического» выброса плавильных

металлоперерабатывающих

производств.

Рис. 7. Соотношение массы выброса и дальности распространения материала

выпадений из атмосферы:

а—распространение

пыли

заводов

строительных

материалов

(цементный

за-

вод—

сплошная линия, известковый

завод

—

пунктир),

—

распространение

цинка в выбросах предприятий разного размера (1

—мелкое,

—

среднее,

—

крупное)

Другая важная закономерность — намечающееся различие

в изменении характеристик загрязнения территорий с навет-

ренным и подветренным направлением распространения техно-

генных потоков. При редких и обычно тихих ветрах скорость

уменьшения параметров загрязнения меньше, чем в направлении

более частых и сильных ветров. Эти закономерности хорошо

понятны. В условиях относительно слабого влияния горизон-

тальной составляющей воздушного рассеяния, что характерно

для подветренной стороны и зоны, прилегающей к источнику

в периоды штилей, лучше проявлено гравиметрическое распре-

деление частиц выбросов с дифференциацией обогащенных хи-

мическими элементами тонких аэрозолей и бедных или грубо-

дисперсных взвешенных частиц. Именно эти процессы

-и

обу-

словливают приуроченность центра высоких выпадений к терри-

тории

промзоны

и слабую зависимость его морфологии от розы

ветров. В то же время общая пространственная структура распре-

деления выпадений, представленная обычно полем невысоких

концентраций загрязняющих веществ, хорошо корреспондирует

с метеорологическими параметрами.

Морфология потоков рассеяния в урбанизированных зонах

и особенности распределения химических элементов и их ассо-

циаций определяется прежде всего закономерностями простран-

ственного распределения выпадений из атмосферы на земную

поверхность.

Имеется ряд физико-математических моделей, описывающих

процессы выпадения загрязняющих веществ

[17,28]

Основными параметрами моделей распространения примесей

являются мощность и высота источника, высота слоя

вымыва-

ния,

скорость и направление воздушных потоков, гравитацион-

ные характеристики примесей, интенсивность осадков. Все эти

параметры наиболее стабильны для высоты выброса более

100

м,

высоты слоя вымывания порядка

1000—3000

м.

Для

этих условий и одиночных источников загрязнения удалось

рассчитать хорошее совпадение изолиний потоков выпадений

с розой ветров, соотношение потоков грубо- и тонкодисперсных

примесей, соотношение гравитационного и мокрого удаления и ряд

других зависимостей. В конечном счете, по данным Б. И.

Стыро

К-

К.

Шопаускаса,

время вымывания химических элементов

из атмосферы сравнительно невелико:

1,1

—1,6

суток для

Мп,

№,

Ре, А1, Си; 3,6

суток

—

для

РЬ.

Следует заметить, что граничные условия существующих мо-

делей далеко не полностью осуществляются в реальных про-

мышленных зонах, для которых характерна множественность

источников загрязнения с относительно низкими выбросами

(менее 100 м), и где распространение примесей происходит в

наименее устойчивых условиях.

Различие скоростей выпадения химических элементов, а так-

же различия форм их нахождения в потоках рассеяния опре-

деляют возможность формирования в них геохимической зональ-

ности (рис.

8).

Естественно, что для территорий с множеством

источников она может быть непроявлена.

Важнейшим итогом проведенных в последние годы исследо-

ваний по условиям образования и распространения техногенных

геохимических потоков рассеяния является формирование пред-

ставлений о корреляционных связях в окружающей среде в це-

пи «источник загрязнения — техногенный поток — геохимиче-

ская аномалия, создаваемая при выпадении загрязняющих ве-

ществ». Во многих случаях связи подтверждаются статистически

достоверной корреляцией распределений содержаний химических

зо

Рис. 8. Зональность выпадения хими-

ческих элементов в техногенном воз-

душном потоке рассеяния. По Е.

П.

Со-

рокиной и

Ю.

Счету

Рис. 9. Зависимость между содержа-

ниями свинца в атмосферном воздухе

(х,

мкг/м

)

и содержаниями свинца

в почве

((/1,

мг/кг)

и снежном покрове

(у

мг/кг)