Язиков Е.Г., Шатилов А.Ю. Геоэкологический мониторинг

Подождите немного. Документ загружается.

111

направлениях (в т. ч. и против основного потока). Такое свойство

движений, если они упорядочены, связано с конвекцией, а при больших

интенсивностях в случае потери дальнего порядка – с турбулентностью.

Существуют три механизма, приводящие к уменьшению

концентрации ЗВ в атмосфере:

1. уже названное выше рассеяние (путем конвективного и

турбулентного) перемешивания выбросов в атмосфере

;

2. деградация (трансформация), в результате химических и

биохимических процессов;

3. иммобилизация, т. е. потеря подвижности загрязняющих

веществ (ЗВ) в результате физико-химических процессов

адсорбции или биохимических процессов поглощения.

Рассеяние – основной и самый дешевый способ достижения

существующих нормативов. Его, конечно, нельзя назвать идеальным с

точки зрения устранения загрязнения атмосферы. Расчет делается

на

пороговый характер проявления негативных воздействий и на

самоочищающую способность атмосферы. Движущей силой процесса

рассеяния с термодинамической точки зрения является стремление

системы к сглаживанию градиентов химического потенциала.

Деградация – термин, строго говоря, относящийся к

органическим веществам, для неорганических веществ чаще

используют термин трансформация. Отмечают химические,

фотохимические и биологические виды деградации и трансформации

Трансформация неорганических веществ сопровождается изменением

форм существования ЗВ (комплексообразование, гидролиз, реакции

окисления - восстановления ).

Свойство атмосферы рассеивать загрязнение количественно

определяется величиной потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА),

который введен в США и в последнее время широко используется у нас.

Строгого определения данное понятие не получило. Из общих

соображений ясно, что более высокий ПЗА

соответствует таким

метеорологическим условиям, при которых создаются более высокие

концентрации примесей в приземном слое воздуха. Но даже при

одинаковых метеорологических условиях источники различной высоты

будут создавать различное распределение концентраций по высоте. Так,

в случае высоких источников наибольшие концентрации у земли

достигаются при опасной скорости ветра, имеющей существенные

турбулентные составляющие сверху вниз

. Однако те же условия

должны способствовать переносу примеси вверх от низких источников

(например, автомобилей) и очищению приземных слоев.

112

4.1.3. Система мониторинга

Стокгольмская конференция (1972) по окружающей среде поло-

жила началу созданию глобальных систем мониторинга состояния ок-

ружающей среды (ГСМОС/ GEMS), включая и систему наблюдения за

состоянием атмосферного воздуха. Последняя является сложной ин-

формационной системой, оперирующей данными на всех земных мас-

штабах и уровнях, начиная с глобального уровня и кончая импактными

уровнями.

Всю систему мониторинга

воздушной среды представляют в ви-

де пирамиды, на самом верху которой проводятся фоновые измерения в

самых чистых местах планеты, удаленных от мест активной человече-

ской деятельности на тысячи километров. Ниже на пирамиде располага-

ется система регионального мониторинга, еще ниже – импактного («im-

pact» - воздействие).

Система была бы неполной, если бы не включала наблюдение

за

источниками выбросов на самих предприятиях (мониторинг источни-

ков). Мониторинг источников на российских предприятиях осуществля-

ется внутренними службами. Это делается не повсеместно, а только на

самых крупных, передовых предприятиях повышенной опасности. Бо-

лее того, экономическая ситуация последнего времени стала главным

препятствием на пути развития внутризаводского контроля источников

выбросов. В реальности

указанная пирамида мониторинга воздуха в

России оказалась «повисшей в воздухе». Именно поэтому в проекте

единой государственной системы экологических наблюдений (ЕГСЭН)

мониторингу источников отведено важное место в общей системе эко-

логических наблюдений.

Состав газовых выбросов в источнике полностью определяется в

качественном и количественном отношениях технологией и ее совер-

шенством. Уровни концентраций ЗВ

в источнике превышают ПДКсс в

десятки тысяч раз. Аналитическая задача не сложна, поскольку состав

известен и достаточно стабилен, а уровни концентраций высоки и не

требуют предварительного концентрирования пробы. Все трудности

связаны с взятием представительной пробы из источника, поскольку га-

зовые потоки часто гетерогенны, нагреты до высокой температуры и

неоднородны по

времени и диаметру газохода. Здесь перспективны не-

контактные методы анализа, не требующие взятия проб.

Состав и уровни концентраций в значительной мере определя-

ются технологиями производств, создающих загрязнение. В данном

случае физико-химические процессы в окружающей среде и метеороло-

гические условия начинают играть существенную роль в создании на-

113

блюдаемых уровней концентраций ЗВ. Последние иногда превышают

ПДКсс в десятки раз. Наблюдения осуществляются на стационарных,

передвижных и подфакельных постах.

Значительное удаление от предприятий приводит к тому, что

уровни концентрации ЗВ оказываются ближе к фоновым, обычно в пре-

делах ПДК сс или даже ниже. Мониторинг относится к аэроаналитиче-

ским задачам, в которых

роль воздушных течений исключительно вели-

ка. Необходим учет всей региональной деятельности, включая и сель-

скохозяйственную, при этом прямую связь между загрязнением атмо-

сферы и конкретными технологиями установить нелегко. Обычно при-

ходится иметь дело с целым рядом вторичных веществ, возникших в ре-

зультате фотохимических и биологических процессов.

Региональный мониторинг дает возможность

стыковать данные

импактного и данные глобального фонового мониторинга, а также по-

зволяет выявить основные пути распространения ЗВ на большие рас-

стояния.

Рост выбросов вредных веществ в атмосферу в результате про-

цессов индустриализации и урбанизации ведет к увеличению содержа-

ния примесей на значительном расстоянии от источников загрязнения и

к глобальным изменениям в

составе атмосферы, что в свою очередь мо-

жет привести к многим нежелательным последствиям, в т. ч. и к изме-

нению климата. В связи с этим необходимо определять и постоянно

контролировать уровень загрязнения атмосферы далеко за пределами

зоны непосредственного действия промышленных источников и тен-

денцию его дальнейших изменений.

Нарастающая острота проблемы

загрязнения окружающей среды

в глобальном масштабе привела к созданию в семидесятые годы коми-

тета ООН по окружающей среде (UNEP), которым было принято реше-

ние о создании Глобальной системы мониторинга окружающей среды

(ГСМОС), предназначенной для наблюдения за фоновым состоянием

биосферы в целом и в первую очередь за процессами ее загрязнения.

114

4.1.4. Общегосударственная система наблюдения и контроля

атмосферного воздуха (ОГСНКа)

Общегосударственная система наблюдения и контроля атмо-

сферного воздуха (ОГСНКа) является составной частью Общегосудар-

ственной системы наблюдений и контроля (ОГСНК) за состоянием при-

родной среды. ОГСНК состоит из двух уровней мониторинга:

1. импактный мониторинг;

2. региональный мониторинг, включая фоновый.

В России существует сеть

станций, которая ведет наблюдения за

содержанием ЗВ в атмосфере. Эти станции расположены в 253 городах,

в среднем по 2 станции на город. Наблюдениями охвачено до 2/3 город-

ского населения. Число стационарных постов определяется в зависимо-

сти от численности населения в городе, площади населенного пункта,

рельефа местности и степени индустриализации. Правила организации

наблюдений за

уровнем загрязнения атмосферы в городах и населенных

пунктах изложены в ГОСТе 17.2.3.01–86. В зависимости от численности

населения устанавливается: 1 пост – до 50 тыс. жителей; 2 поста – 50–

100 тыс. жителей; 2–3 поста – 100–200 тыс. жителей; 3–5 постов – 200–

500 тыс. жителей; 5–10 постов более 500 тыс. жителей; 10–20 постов

(стационарных и маршрутных) – более 1 млн. жителей.

Наблюдения за уровнем загрязнения атмосферы осуществляют

на постах.

Постом наблюдения является выбранное место (точка

местности), на котором размещают павильон. Лабораторный павильон

оснащён оборудованием "Пост- 1" или "Пост- 2". Измерения производят

в 1.00. ч., 7.00. ч., 13.00. ч., 19.00 ч. по местному времени. Измеряют

пыль, СО, SO

, NO

, пары серной кислоты, углеводороды, сероводоро-

ды, фенол, HF, содержание U, концентрации тяжёлых металлов и N;

всего в сумме до 80 веществ. Все вещества подразделяются на 4 класса:

1. чрезвычайно опасные

2. высоко опасные

3. умеренно опасные

4. мало опасные.

Устанавливаются посты наблюдений 3-х категорий:

- стационарный;

- маршрутный;

- передвижной (подфакельный).

Стационарный пост предназначен для обеспечения непрерывной

регистрации содержания ЗВ или регулярного отбора проб воздуха для

последующего анализа. Маршрутный пост предназначен для

регулярного отбора проб воздуха, когда невозможно или

115

нецелесообразно установить стационарный пост или необходимо более

детально изучить состояние загрязнения воздуха в отдельных районах.

Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под

дымовым (газовым) факелом с целью выявления зоны влияния данного

источника промышленных выбросов.

В обязательный перечень контролируемых веществ в городе

включаются:

• растворимые сульфаты – в городах с населением более

100 тыс.

человек;

• формальдегид и соединения свинца – в городах с населением

более 500 тыс. человек;

• металлы – в городах с предприятиями черной металлургии;

• бенз(а)пирен – в городах с населением более 100 тыс. жителей и в

населенных пунктах с крупными источниками выбросов;

• пестициды – в городах, расположенных вблизи крупных

сельскохозяйственных территорий,

на которых используются

пестициды.

Информация по степени срочности:

• экстренная – это информация о резких изменениях уровня загряз-

нения воздуха (поступает в органы управления)

• оперативная (обобщённая за месяц)

• режимная (обобщённая за год).

В зависимости от метеорологических условий выделяют мероприятия

трех групп:

1 группа - это мероприятия организационного характера, не требую-

щие

существенных затрат.

2 группа - ограниченный режим работы предприятий.

3 группа - постепенная приостановка предприятий.

4.1.5. Отбор и подготовка проб к анализу

Для снятия определенных параметров атмосферного воздуха

может успешно применяться акустический термоанемометр ТАУ-1,

разработанный сотрудниками института оптического мониторинга

СО РАН г.Томска (рис. 4.1.1).

116

Акустический термоанемометр ТАУ-1 предназначен для без-

инерционного измерения скорости и направления ветра в 3-х ортого-

нальных координатах, а также одновременного определения температу-

ры воздуха. Принцип действия акустического термоанемометра основан

на измерении времени прохождения через воздушную среду короткого

ультразвукового импульса, распространяющегося от акустического из-

лучателя к приемнику и, затем, в обратном направлении

. Движение воз-

душной среды приводит к задержке акустического сигнала, по величине

которой определяют скорость движения воздуха и его температуру. Ос-

новными достоинствами термоакустического анемометра являются без-

инерционность измерений, высокая чувствительность и точность, реги-

страция истинной температуры воздуха, неискаженной воздействием на

чувствительный элемент посторонних климатических факторов, полная

автоматизация измерений, высокая надежность,

обусловленная отсутст-

вием датчиков, использующих механическое движение. Акустический

термоанемометр устойчив к воздействию внешних климатических фак-

торов, не подвержен обледенению и коррозии. Наряду с этим сущест-

вуют также уникальные измерительные приборы и комплексы, создан-

ные сотрудниками института оптики атмосферы СО РАН г. Томска (Ре-

гиональный …, 1997; 1998).

Рис. 4.1.1. Внешний вид акустического термоанемометра ТАУ-1.

117

Воздух для определения газового состава отбирается

мультигазовым монитором 1302 и затем анализируется

газоанализатором. Для определения тяжелых металлов воздух

прокачивается аспиратором 822 с использованием беззольного фильтра.

Перед началом работы фильтр необходимо взвесить. Прокачка через

аспиратор продолжается 10 - 15 минут. Далее из аспиратора вынимается

фильтр с твердыми частицами и взвешивается. Затем фильтр озоляется

и снова взвешивается,

после чего отправляется на анализ. Схема обра-

ботки проб показана на рисунке 4.1.2. Проба воздуха анализируется в

соответствие с требованиями ГОСТа 17.2.1.04-77, ГОСТа 17.2.3.01-86,

ГОСТа

17.2.4.02-82, ГОСТа 17.2.6.01-86.

Рис. 4.1.2. Схема обработки проб атмосферного воздуха

118

4.2. Мониторинг загрязнения снегового покрова

4.2.1. Общая характеристика

Атмогеохимический метод исследований предназначается для

изучения фоновой пылевой нагрузки и особенностей вещественного

состава пылеаэрозольных выпадений района (Weiss, Herron, 1978). По

опыту работы в Сибирском регионе, пылеаэрозольные выпадения

анализируются, главным образом, путем отбора проб снега (Язиков,

Рихванов, 1996; Шатилов, 2001; Язиков, 2001). Работы по отбору проб

снега производятся обычно в

конце зимы на профилях,

ориентированных по направлению розы ветров, а также вкрест ее

простирания. Пробы отбираются с учетом элементов рельефа и их

экспозиции по отношению к направлению ветропылевого переноса (на

водоразделах, склонах, террасах, поймах), а также на участках

техногенных газопылевых выбросов, где сеть опробования сгущается.

4.2.2. Отбор проб и пробоподготовка

Снеговое опробование проводят методом шурфа на всю

мощность снежного покрова, за исключение 5-и см слоя над почвой, с

замером сторон и глубины шурфа. Фиксируется время (в сутках) от

начала снегостава. Вес прбы – 10-15 кг, что позволяет получить при

оттаивании 8-10 л воды. Опробование снега предполагает раздельный

анализ снеговой воды и твердого осадка,

который состоит из

атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового покрова.

Нерастворимая фаза выделяется путем фильтрации на беззольном

фильтре; просушивается, просеивается для освобождения от

посторонних примесей и взвешивается. Все дальнейшие работы

выполняются с учетом методических рекомендаций приводимых в

работах Василенко В.Н. и др. (Василенко и др., 1995), Назарова И.М. и

др

. (Назаров и др., 1978), методических рекомендациях ИМГРЭ

(Методические..., 1982) и руководстве по контролю загрязнения

атмосферы (РД 52.04.186-89). Места отбора проб желательно

совмещать с основными точками наблюдений. В случае, когда отбор

снега затруднен из-за метериологических условий, то отбор проб пыле-

аэрозольных выпадений проводят с планшетов. Установка планшетов и

сбор материала на них требует

определенных методических приемов

связанных с нанесением на поверхность скрепляющих материалов в

виде вазелина или марлевого полотна.

119

Пробоподготовка начинается с таяния снега, а затем включает

следующие операции: фильтрация, высушивание, просеивание, взвеши-

вание и истирание, что демонстрируется на рисунке 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Схема обработки и изучения снеговых проб

120

Пробоподготовка снега предполагает раздельный анализ снего-

талой воды, полученной при оттаивании, и твердого осадка, который

состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового

покрова.

снеготалую воду фильтруют. в процессе фильтрования получают

твердый осадок на беззольном фильтре и фильтрованную снеготалую

воду.

Просушивание проб также производится при комнатной

температуре либо в специальных сушильных

шкафах. Просушенные

пробы просеиваются для освобождения от посторонних примесей через

сито с размером ячейки 1 мм и взвешиваются. Разница в массе фильтра

до и после фильтрования характеризует массу пыли в пробе.

4.2.3. Методика обработки результатов

Масса пыли в снеговой пробе служит основой для определения

пылевой нагрузки P

в мг / (м

сут) или кг / (км

сут), т.е. количества

твердых выпадений за единицу времени на единицу площади. Расчет

ведется по формуле (Геохимия …, 1990):

=Р / (S

t),

где Р - масса пыли в пробе (мг; кг);

S - площадь шурфа (м

; км

);

t - время от начала снегостава (количество дней).

В практике работ используется следующая градация по средне-

суточной нагрузке (Геохимия …, 1990):

- 0-250 - низкий уровень загрязнения;

- 250-450 - средний уровень загрязнения;

-450-800 - высокий уровень загрязнения;

более 800 - очень высокий уровень загрязнения.

Показателем уровня аномальности содержаний элементов явля-

ется коэффициент концентрации К

с,

который рассчитывается как отно-

шение содержания элемента в исследуемом объекте С к среднему фоно-

вому его содержанию С

(Геохимия …, 1990):

К=С/С

С - содержание элемента;

- фоновое содержание вещества.

По данным снегового опробования рассчитывается аналогичный

показатель и для нагрузки загрязнения (элемента) на окружающую сре-

ду – массы загрязнителя, выпадающей на единицу площади за единицу

времени. Для этого учитывается общая масса потока загрязнителей –

среднесуточная пылевая нагрузка Р

(в кг/км

х сут) и концентрация