СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА Российский патент 2008 года по МПК G01N31/00 G01V9/00 

Изобретение относится к области экологического мониторинга окружающей среды.

Одна из важнейших проблем крупных городов - всевозрастающее загрязнение окружающей среды химическими элементами, которое представляет опасность для живых организмов и, в первую очередь, для человека.

Химические элементы, входящие в состав органических и неорганических выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферный воздух, поступают на подстилающую поверхность (почва, снег, растительный покров) с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и могут накапливаться в ней.

Снег обладает уникальной способностью извлекать из атмосферного воздуха загрязняющие вещества во время снегопада, сорбировать на поверхности снежного покрова атмосферные выпадения и аккумулировать их в своей массе от начала установления снежного покрова до его схода. Поэтому снежный покров является очень точным индикатором загрязненности природной среды, позволяющим учитывать не только массу выпадений атмосферных осадков и загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, но и последующее загрязнение водных объектов и почв.

Нужно отличать:

загрязнение - привнесение в окружающую среду физических, химических или биологических веществ в количествах, оказывающих негативное воздействие на человека, флору и фауну (процесс);

загрязненность - степень насыщения окружающей среды различными загрязняющими веществами. Например, загрязненность природных вод - это содержание в воде загрязняющих веществ, вызывающих превышение установленных норм ее качества (результат).

Для того чтобы охарактеризовать загрязненность снежного покрова химическими элементами, иногда ограничиваются определением их концентраций в снеговой воде [1]. По концентрациям можно выявить техногенные аномалии загрязненности на обследуемой территории. Однако вследствие пространственной и временной неоднородности снежного покрова по массе снега на единицу площади концентрации загрязняющих веществ не характеризуют достоверную степень загрязненности территории.

Для сравнительной оценки степени загрязненности снежного покрова наиболее часто используется коэффициент концентрации элемента в снеговой воде:

К_с=С_х/С_ф

где: К_с - коэффициент концентрации;

С_х - содержание элемента в конкретной пробе, мг/л;

С_ф - фоновое содержание элемента, мг/л;

Этот метод был разработан в 1982 г. Институтом минералогии и геохимии редких элементов [2].

Основными недостатками этого метода являются:

1. Вследствие временной и пространственной изменчивости снежного покрова концентрация загрязняющих веществ в нем не может служить характеристикой его загрязненности.

2. При использовании фоновых показателей концентраций:

- произволен выбор участка для отбора проб снега с целью определения фонового показателя;

- значения фоновых показателей зависят от характера метеорологических условий, количества снежных осадков и загрязняющих веществ, приносимых снеговыми облаками из дальних регионов;

- ежегодно имеют другое значение в связи с полной сменой снежного покрова;

- значения фонового показателя различны для разных регионов;

- суммарный показатель загрязненности, полученный сложением коэффициентов концентрации химических элементов, имеющих различную токсичность, не отражает истинную степень "вредности" загрязненной среды;

- не ясно, к какому объекту окружающей среды (человек, животные, рыбы, растения и др.) относится оценка опасности загрязненности;

- в связи с отсутствием оценочной шкалы опасности загрязненности снежного покрова по суммарному показателю загрязненности теряется смысл определения суммарного показателя по фоновым значениям.

Более корректные результаты, связанные с "вредностью" загрязненного объекта, можно получить при определении уровня индивидуального загрязнения по кратности превышения (коэффициент опасности - К_о) фактической концентрации (С_х) над соответствующими значениями ПДК, установленными для данного вида водопользования [3, 4]

К_о=С_х/ПДК [5]. Но и в этом случае остаются неопределенности, связанные с временной и пространственной изменчивостью снежного покрова.

Значения концентраций загрязняющих веществ в снеговой воде (мг/л) характеризуют лишь чистоту снега, но не дают сведений о количестве (массе) загрязняющих веществ, поступающих на загрязняемую территорию. Этот недостаток устраняется при определении массы поступления загрязняющих веществ на единицу площади за определенный период времени (мг/м²·время). Имеется возможность охарактеризовать загрязненность территории по модулю поступлений загрязняющих веществ (мг/м²·время) и выявить аномальные зоны загрязненности по массе поступлений. В этом случае исключаются погрешности, связанные с неоднородностью по массе снежного покрова, но не учитываются санитарно-гигиенические, токсикологические свойства химических элементов и не имеется возможности определить их суммарный эффект.

С целью оценки загрязненности снежного покрова в зависимости от количества (массы) загрязняющих веществ, поступивших на единицу площади за определенный период времени, и их "вредности" в отношении живых организмов предлагалось нормировать фактические поступления по отношению к предельно допустимым поступлениям [6] (прототип). Предельно допустимое поступление (ПДПСп) - это количество вещества (загрязнителя), поступающего на определенную площадь в единицу времени в количествах, образующих концентрации, не превышающие установленные ПДК. Выбор ПДК зависит от характера водопользования водных объектов, в которые поступают талые снеговые воды.

Для рыбохозяйственных водоемов расчет ПДПСп_р.х. на снежный покров производится по формуле:

ПДПСп_р.х.=ПДК_р.х.·М_cp., мг/(м²·время),

где: ПДК_р.х. - предельно допустимая концентрация вещества для рыбохозяйственных водоемов, мг/л;

М_cp. - средняя масса снега (кг) на единице площади (1 м²) обследованной территории к моменту отбора проб (5 зимних месяцев), определенная по результатам многолетних наблюдений (кг/(м²·5 мес)).

Для водоемов хозяйственно-питьевого назначения расчет ПДПСп_х.п. на снежный покров производится по формуле:

ПДПС_пх.п.=ПДК_х.п.·М_cp., мг/(м²·время).

В городе Казани средний многолетний запас снега равен 170 кг/(м²·5 мес). Это "фоновое" значение поступлений снега на территории г.Казань за 5 зимних месяцев. "Фоновые" значения предельно допустимых поступлений химических элементов на снежный покров г.Казани вычисляются с использованием "фоновых" поступлений снега (табл.1).

Таблица 1
"Фоновые" предельно-допустимые поступления (ФПДПСп) некоторых химических элементов (водорастворимые формы) при запасе снега 170 кг/(м²·5 мес)ЭлементПДК_р.х. мг/лФПДПС_пр.х. мг/(м²·5 мес)ПДК_х.п. мг/лФПДПСп_х.п. мг/(м²·5 мес)Fe0,1170,351Cd0,0050,850,0010,17Со0,011,71,0170Mn0,011,70,117Cu0,0010,171,0170Ni0,011,70,117Pb0,0061,020,035,1Cr0,023,40,058,5Zn0,011,71,0170

Для оценки загрязненности снежного покрова используются индексы загрязненности снежного покрова (ИЗСп), рассчитываемые как отношение фактического поступления к предельно допустимым поступлениям [6].

Таким образом, и в этом случае используются "фоновые" показатели, пригодные для корректного описания загрязненности снежного покрова только для конкретного региона, но с определенной погрешностью используемые в этих целях и для других территорий.

Для получения сопоставимых результатов о процессах загрязнения снежного покрова в различных регионах, не зависимых от "фонового" запаса снега и соответственно от "фоновых" предельно допустимых поступлений химических элементов на снежный покров, в данном предлагаемом изобретении предлагается ввести новый показатель - реальное предельно допустимое поступление химических элементов на снежный покров (РПДПСп).

РПДПСп - это поступление химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, вызывающее повышение содержания химического элемента в 1 кг снега, размещенного на 1 м² снежного покрова, на 1 ПДК. Значения ПДК определяются в зависимости от вида водопользования объектов, в которые поступают талые воды. Например, для рыбохозяйственных водных объектов используются рыбохозяйственные ПДК_р.х. Исходя из определения ПДК и РПДПСп химических элементов они имеют численно равные значения, отличаясь лишь размерностью (табл.2).

Таблица 2
Реальные предельно-допустимые поступления некоторых химических элементов на 1 кг снега на 1 м² депонирующей поверхностиХимический элементПДК_р.х. [3] мг/лРПДПСп_р.х. мг/м²ПДК_х.п. [4] мг/лРПДПСп_x.п. мг/м²Cd0.0050.0050.0010.001Fe0.10.10.30.3Mn0.010.010.10.1Cu0.0010.0011.01.0Ni0.010.010.10.1Pb0.0060.0060.030.03Cr0.020.020.050.05Zn0.010.011.01.0

С использованием РПДПСп можно определить индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова (ИИРЗСп) химическими элементами за определенный период времени.

ИИРЗСп=РП, мкг/(м²·t)/РПДПСп, мкг/м²; 1/t,

где: t - продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год), РП - реальное поступление загрязняющего вещества на 1 м² снежного покрова за период времени t, мкг/(м²·t).

Индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова характеризует скорость, с которой происходит накопление химического элемента в массе снега 1 кг, поступившего на 1 м² депонирующей поверхности и повышающее загрязненность снежного покрова на соответствующее количество единиц ПДК. Таким образом, например, 150 1/t можно расшифровать следующим образом: в течение периода времени t (сутки, месяц, год) происходит увеличение загрязненности снега (снеговой воды) массой в 1 кг, поступившего на 1 м² депонирующей поверхности, на 150 единиц соответствующих РПДПСп (рыбохозяйственных или хозяйственно-питьевых). Чем больше значение ИИРЗСп, тем быстрее содержание химических элементов в снежном покрове достигнет 1 ПДК.

Исходя из этого сущность изобретения заключается в следующем.

1. В результате снегомерных съемок на обследуемой территории отбираются пробы снега, определяется масса снега в пробе и рассчитывается поступление снега (Пснега) на обследуемую территорию (кг/(м²·1 мес).

2. Снеговые воды анализируются на содержание в них химических элементов.

3. Определяется реальное поступление химических элементов на 1 м² обследуемой подстилающей поверхности по формуле:

РП=Пснега·С, мкг/(м²·t),

где: С - концентрация химического элемента в снеговой воде, мг/л,

t - период времени от момента установления снежного покрова до взятия проб.

4. Вычисляется индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова на обследуемой территории химическими элементами (ИИРЗСп) за определенный период времени по формуле:

ИИРЗСп=РП, мкг/(м²·t)/РПДПСп, мкг/м²; 1/t,

где: РП - реальное поступление химического элемента, мкг/(м²·t);

t - продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

ИИРЗСп оценивает скорость загрязнения снежного покрова в зависимости от массы поступления загрязняющих веществ и их санитарно-токсикологических характеристик и характеризует интенсивность техногенного поступления химических элементов на снежный покров (снеговые воды).

Основными преимуществами предлагаемого способа оценки загрязнения снежного покрова являются:

1. Возможность сравнения техногенной нагрузки на снежный покров (снеговые воды) для любых (различных) регионов, отличающихся массой поступления снега, и в ретроспективе лет (малоснежные и многоснежные), так как не используются средние, "фоновые" значения запаса снега.

2. Отсутствие погрешностей, вносимых в оценку загрязненности снежного покрова, при использовании единого для всех регионов и периодов времени "фонового" поступления снега. Например, определенного для условий г.Казани (170 кг/(м²·5 мес)).

В 1 кг массы снега условно сконцентрированы поступления химических элементов за весь период с момента установления снежного покрова до взятия проб. Поэтому для определения индекса реальной загрязненности снежного покрова необходимо значение индекса интенсивности реального загрязнения снежного покрова разделить на интенсивность поступления снега, фактически выпавшего на исследуемую территорию, за тот же период. При этом исключается необходимость использования значений "фонового" поступления снега.

В связи с тем что продолжительность образования и сохранения снежного покрова меняется ежегодно и различна в различных регионах, предпочтительнее вести все расчеты с использованием поступлений химических элементов и снега в течение одного месяца. С использованием индексов интенсивности реального загрязнения снежного покрова имеется возможность:

- охарактеризовать относительную скорость загрязнения депонирующей поверхности химическими элементами независимо от количества поступающего снега;

- сравнивать различные регионы по скорости загрязнения химическими элементами в ретроспективе лет;

- оценить степень загрязнения снеговой воды одним или несколькими химическими элементами;

- определить приоритетные химические элементы, загрязняющие водные объекты;

- оценить интенсивность техногенной нагрузки выбросов химических элементов на окружающую среду;

- оценивать интенсивность загрязнения снежного покрова любыми загрязняющими веществами.

Примеры

В табл.3 рассматриваются оценки загрязнения снежного покрова по индексу интенсивности реального загрязнения снежного покрова химическими элементами по результатам обследования, проведенного в Республике Татарстан (РТ) и в крупных промышленных центрах РТ в 2005 и 2006 гг.

Таблица 3
Сравнение интенсивностей загрязнения снежного покрова РТ и крупных промышленных центрах РТ по средним показателям поступлений химических элементов (ХЭ) и снегаЭлементСоMnCuNiPbCrZnИнтенсивность поступления снега, кг/(м²·1 мес)Сумма индексов пяти ХЭ12345678910РПДПСп_р.х., мкг/м²51011062010  г.Альметьевск 2006 г.Поступление ХЭ мкг/(м²·1 мес)3,68228,8149,8165,226,124,11044,732,8 ИИРЗСп, 1/1 мес0,722,9149,816,54,41,2104,5 298,1ИРЗСп0,020,74,60,50,10,043,232,89,1ИФЗСп0,020,74,40,50,10,043,1348,8г.Бугульма 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)54,5437,7133147,139,814,2252235,3 ИИРЗСп, 1/1 мес10,943,813314,740,7252,2 454,6ИРЗСп0,31,243,80,40,10,027,135,312,8ИФЗСп0,31,293,90,40,10,027,43413,3г.Елабуга 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)4,6197,792,6102,910,65,672721,8 ИИРЗСп, 1/1 мес0,919,892,610,31,80,2872,7 197,2ИРЗСп0,040,914,20,470,080,013,321,88,96ИФЗСп0,030,582,70,30,050,012,1345,7г.Зеленодольск 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)9,978129918127,813180022,1 ИИРЗСп, 1/1 мес278,129918,14,60,65180 579,8ИРЗСп0,093,513,50,820,20,038,122,126,1ИФЗСп0,062,38,80,530,10,025,33417г.Казань 2005 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)6,4318,4204,221854,416120020,8 ИИРЗСп, 1/1 мес1,331,820421,89,10,8120 386,7ИРЗСп0,061,539,81,050,40,035,820,818,6ИФЗСп0,040,950,60,60,270,023,53411,3г.Казань 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)8,732335911831,815181428 ИИРЗСп, 1/1 мес1,732,335914,75,30,75181,4 592,7ИРЗСп0,061,1512,80,50,190,036,52821,1ИФЗСп0,050,9510,60,40,160,025,33417,4г.Лениногорск 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)13,1210,1137,8254,418,49,2872,233,8 ИИРЗСп, 1/1 мес2,621137,825,43,10,587,2 274,5ИРЗСп0,080,64,10,80,10,012,633,88,2ИФЗСп0,080,64,10,80,10,012,6348,2г.Набережные Челны 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)6,5146,5112,9116,311,59,5101020 ИИРЗСп, 1/1 мес1,314,6112,911,61,90,5101 454,6ИРЗСп0,060,75,60,60,10,035,12012,1ИФЗСп0,040,433,30,30,050,013347,1г.Нижнекамск 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)9,523,6129,5154,145,79,3127424 ИИРЗСп, 1/1 мес1,923,6125,915,47,60,5127,4 300ИРЗСп0,080,985,250,60,30,025,32412,4ИФЗСп0,060,693,70,450,20,013,7348,7Республика Татарстан 2005 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)171077125117341588226 ИИРЗСп, 1/1 мес3,4107,712511,70,70,7588,2 333,3ИРЗСп0,134,144,80,450,030,033,42612,8ИФЗСп0,13,173,70,340,020,022,6349,8Республика Татарстан 2006 г.Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)39,51681901191813133025,4 ИИРЗСп, 1/1 мес7,916,819011,930,68133 359,5ИРЗСп0,310,667,50,470,120,025,225,414,1ИФЗСп0,230,495,60,350,090,023,93410,6Свинцовый комбинат г.Зыряновск, 1985 г. [7]Поступление ХЭ, кг/(км²·сут)    0,12    Поступление ХЭ, мкг/(м²·1 мес)    3600    ИИРЗСп, 1/1 мес    600    ИРЗСп         ИФЗСп    17,6  34 

По данным табл.3 можно сделать сравнительные выводы о техногенной нагрузке в крупных промышленных центрах и районах РТ (табл.4).

Таблица 4
Ранжирование крупных промышленных центров и районов РТ по индексу интенсивности реального загрязнения снежного покрова.№ п.п.Год обследованияРегионИИРЗСпИРЗСпИФЗСп12006Елабуга197,29,05,722006Наб. Челны24212,17,132006Лениногорск274,58,28,242006Альметьевск298,19,18,852006Нижнекамск30012,18,862005РТ333,312,89,872006РТ359,514,110,682005Казань38618,611,392006Бугульма454,612,813,3102006Зеленодольск578,826,117,0112006Казань592,721,117,4

В материалах заявки использованы следующие сокращения:

Интенсивность поступления - реальное поступление химических элементов на снежный покров за единицу времени, мкг/(м²·1 мес).

ИИРЗСп - индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова.

ИРЗСп - индекс реальной загрязненности снежного покрова, учитывающий реальное поступление снега на данной территории.

ИФЗСп - индекс "фоновой" загрязненности снежного покрова, полученный с использованием "фонового" поступления снега на территорию г.Казани, 170 кг/(м²·5 мес) или 34 кг/(м²·1 мес)

Литература

1. Василенко В.Н., Назаров И.М. и др. Мониторинг загрязнения снежного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.

2. Ревич Б.Н., Сает Ю.И., Смирнова Р.С., Сорокина Е.П. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982. - 111 с.

3. Перечень нормативов ПДК и ОБУВ вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. - М.: изд-во ВНИРО, 1999. - 305 с.

4. ГН 2.1.5.689-98. ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

5. Кораблев Г.Г. Геохимическая оценка экологического состояния г.Миасса и его окрестностей. // Сб. Экологические исследования в Ильменском гос. заповеднике, Миасс, 1994., - ИГЗ, - С.148-177.

6. Валетдинов Р.К., Горшкова А.Т., Валетдинов А.Р. Эколого-геохимическая оценка загрязненности снежного покрова тяжелыми металлами. // Вестник Татарстанского отделения РЭА, 2004, №2, с.43-46.

7. Махонько Э.П., Распопова Т.Г., Малахов С.Г. и др. Загрязнение антропогенной среды г.Зыряновска свинцом и др. токсичными элементами. // Труды ин-та эксп. метеорологии, вып.18, Загрязнение атмосферного воздуха, природных вод и почв. - Москва, 1990, - Моск. отд. гидрометеоиздата. - с.60-68.

Изобретение относится к области экологического мониторинга окружающей среды. Способ включает отбор проб снега и определение реальных поступлений химических элементов на определенную площадь снежного покрова в единицу времени, причем определяют реальное поступление химических элементов на снежный покров в виде поступления химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, после чего вычисляют индекс интенсивности реального загрязнения из отношения реального поступления химических элементов к их реальному предельно допустимому поступлению, вызывающему повышение содержания химических элементов в 1 кг снега, размещенного на 1 м² снежного покрова, на 1 ПДК. Достигается получение сопоставимых результатов о процессах загрязнения снежного покрова в различных регионах. 4 табл.

Способ оценки интенсивности загрязнения снежного покрова, включающий отбор проб снега и определение реальных поступлений химических элементов на определенную площадь снежного покрова в единицу времени, отличающийся тем, что определяют реальное поступление химических элементов на снежный покров в виде поступления химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, после чего вычисляют индекс интенсивности реального загрязнения из отношения реального поступления химических элементов к их реальному предельно допустимому поступлению, вызывающему повышение содержания химических элементов в 1 кг снега, размещенного на 1 м² снежного покрова, на 1 ПДК.