Методы изучения загрязнения атмосферного воздуха г. Минска

Принцип действия хроматографических газоанализаторов основан на различной способности  отдельных газовых компонентов  сорбироваться твердыми или жидкими  сорбентами. Проба анализируемой  газовой смеси вводится в поток  газоносителя, непрерывно протекающий через сорбент и инертного по отношению и к определяемому газу, и к сорбенту. За счет многократной сорбции и десорбции каждый компонент пробы перемещается вдоль слоя сорбента с характерной для него скоростью и удаляется со слоя сорбента в определенной последовательности. Последовательность выхода компонентов смеси из хроматографической колонки позволяет их качественно идентифицировать, а поставленный на выходе детектор определить их количество.

К физическим методам  исследований относится также дистанционное зондирование атмосферы, используемое для выявления структуры и состава атмосферных аэрозолей. Однако этот метод редко применяют для изучения загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха в городах.

Методы  моделирования пространственного распределения загрязняющих веществ достаточно разнообразны и включают, в основном, расчет концентраций поллютантов по данным о параметрах выбросов и условиях их рассеивания, а также на основании различных статистических закономерностей[24]. В последнее время активно, в том числе и на территории Беларуси, развивается направление оценки эмиссий на основании показателей удельных выбросов (эмиссионных факторов)[2,7].

Наиболее часто  в городах применяют моделирование  рассеивания поллютантов по методике ОНД-86, которое позволяет определить максимальные концентрации примесей, ожидаемые при неблагоприятных метеоклиматических условиях. Следует отметить, что частота встречаемости таких условий для европейской территории СНГ составляет 4-6%[24]. При этом расчет обычно ведут на основании проектных параметров эмиссий от стационарных источников.

В последние  годы разработан ряд математических моделей и прикладных программ расчета  рассеивания выбросов как стационарных, так и передвижных источников. Из них наиболее часто используют комплексные вычислительные программы “ЭКОЛОГ”. Расчет рассеивания примесей производят при различных направлениях и скоростях ветра, определяют максимальные приземные концентрации по каждой примеси и по группам суммации с указанием вкладов в эти концентрации основных предприятий-эмиттеров и транспорта.

Одной из проблем  использования расчетных методов  для определения степени загрязнения  воздуха в городах является невозможность  учета влияния неоднородности территории, связанной с ландшафтно-планировочной  структурой урбанизированного пространства (наличием сложных элементов рельефа, застройки, системы озеленения дорог и др.).

Геохимические методы используют для изучения химического состава сопряженных с воздухом сред (снега, осадков, растительности, почв), и по их загрязнению определяют пространственную структуру атмохимических нагрузок на экосистемы. Из данных методов наиболее часто применяют снеговую съемку, при которой вывод о загрязнении воздуха делают на основании химического состава снега[16].

Так, например, в период 1987-1989 гг. Лабораторией экологической физиологии растений Центрального ботанического сада НАН Беларуси было проведено широкомасштабное изучение химического состава снегового покрова лесных экосистем республики. На основе данных, полученных на 192 точках наблюдения, произведено ранжирование поступления из загрязненной атмосферы в снеговой покров ионов Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, SO₄^2-, а также взвешенных  Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb (таблица 1.1):

 

Таблица 1.1

Градации загрязнения снегового покрова Беларуси[16]

 

Компонент	Загрязнение
	сильное	умеренное	слабое	очень слабое
Растворенные ионы, мкг/л
Ca2+	5-7	>3-5	>2-3	<=2
Mg2+	>1,5	>1,0-1,5	>0,5-1,0	<=0,5
NH4+	>0,4	>0,3-0,4	>0,2-0,3	<=0,2
SO42-	>3	>2-3	>1-2	<=1
Взвешенные металлы, мкг/л
Mn	>80	>60-80	>40-60	<=40
Fe	>2000	>1000-2000	<=1000	-
Ni	>20	>10-20	<=10	-
Cu	>20	>10-20	<=10	-
Zn	>100	>50-100	<=50	-
Pb	>40	>20-40	<=20	-

 

Следует отметить, что предложенное ранжирование  носит несколько условный характер, так как в нем не учитывается формирующий аномалии тип нагрузки, а также геохимическая  подвижность химических элементов, их биологическая доступность, токсичность и ряд других факторов.

Расчетно-аналитические методы. При проведении общей оценки экологического загрязнения территорий применяют различные методы и индексы. Учеными Канады, например, предложен индекс нормированной характеристики загрязнения атмосферы [37], определяемый по формуле

 

J¹_Ki = M_i/N/(m/N_i),

 

где M_i – общий суммарный выброс от стационарных источников, т; N, N_i – население соответствующего региона и района (города), чел.; m – суммарный выброс для отдельного района (города), т.

Данный индекс отражает оценку вклада района (или  города) в общий уровень загрязнения  воздуха рассматриваемой примесью в стране. Он позволяет производить  прогноз уровня загрязнения атмосферы городов и учитывать его при разработке управленческих решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

Примером расчетно-аналитических  методов может также служить расчет показателя Херста для прогнозирования тенденции к загрязнению воздушной среды г. Минска формальдегидом[11].

 

Таблица 1.2

Динамика максимальных из разовых концентраций формальдегида  и превышения ПДК м.р. [25-34]

Год	Максимальные  р. концентрации формальдегида, мкг/м3	Превышения ПДК м.р. формальдегида
1997	198,0	5,66
1998	249,0	7,11
1999	238,0	6,8
2000	194,0	5,54
2001	249,0	7,11
2002	243,0	6,94
2003	222,0	6,34
2004	136,0	3,89
2005	124,0	3,54
2006	170,0	4,86

 

За исследуемый  период (1997-2006) максимальное превышение ПДК м.р. формальдегида составило 7,11 (1998, 2001), минимальное – 3,54 (2005). Среднее значение показателя – 5,78. В соответствии с методом Херста  для периода с 1997 по 2001 г. был рассчитан размах значений R=1,57, стандартное отклонение S=0,7. Используя безразмерное отношение R/S, был рассчитан показатель Херста H:

H=log _τ/2 R/S,

где τ – длительность рассматриваемого промежутка времени.

Значение показателя составило 0,88. Размах значений для периода  с 2002 по 2006 г. составил 3,4, стандартное  отклонение S=1,33, показатель Херста H=1,02. 

Исследованная зависимость загрязнения атмосферного воздуха г. Минска формальдегидом, в соответствии с анализом полученных значений показателя Херста, относится к классу персистентных (H>0,5) – сохраняющих имеющуюся тенденцию [11]. Увеличение значения показателя H с 0,88 (в период 1997-2001) до 1,02 (в период 2002-2006) означает ухудшение экологической ситуации в городе в последние годы и позволяет прогнозировать тенденцию к дальнейшему увеличению загрязнения атмосферного воздуха Минска в последующие годы.

Биологические методы (биоиндикация, биотестирование) достаточно часто используют  для диагностики загрязнения среды, так как мониторинг загрязнения воздуха в крупных промышленных центрах проводится лишь на 2-4 постах в наиболее загрязненных районах города, что не позволяет определить пространственную протяженность участков, находящихся под длительным воздействием высоких доз поллютантов. Моделирование рассеивания выбросов от предприятий также не отражает реальную аэротехногенную нагрузку из-за высокого вклада в загрязнение воздуха выбросов  от транспорта (до 80% в промышленных городах Беларуси)[12].

На территории республики наиболее часто применяют  лихеноиндикацию, оценивающую степень  загрязнения атмосферы по накоплению поллютантов в растениях индикаторах. Применение этого подхода при картографировании собственно городских территорий затруднено из-за резкого уменьшения встречаемости и покрытия индикаторных видов, поэтому более информативным представляется индикационное картографирование  структуры сообществ эпифитных лишайников[15]. Оно основано на изучении территориальной дифференциации эпипокрова с учетом степени участия видов различной толерантности к загрязнению воздуха, а также расчетом математических индексов[12,20]. Именно этот подход был использован при индикационном картографировании г. Минска.

Проанализировав существующие методические подходы  к проблеме изучения загрязнения  атмосферного воздуха в городах, нами  предлагается следующая методика.

Для выявления степени воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду (а именно воздушный бассейн города Минска) и здоровье населения, предлагаются такие показатели, как

• количество промышленных предприятий (стационарных источников загрязнения) и объем выбросов, поступающих от них;
• количество транспортных средств (передвижных источников);
• площадь зеленых насаждений.

На первом этапе каждому из показателей присваивается определенный весовой коэффициент, характеризующий его значимость. Затем осуществляется ранжирование территории города по отобранным показателям. В качестве таксономической единицы исследования выступают административные районы.

Ранжирование территории города осуществляется путем анализа численных показателей (максимальное, среднее, минимальное значение, размах значений) районов и их сравнения между собой [3,8]. Затем выделяются районы с допустимой, слабой, умеренной и сильной степенями экологической нагрузки. Результаты по всем трем выбранным критериям сводятся воедино (для каждого района выставляется балл «экологической защищенности» от 1 до 10). Также следует отметить, что в данной методике могут учитываться и другие условия для накопления и рассеивания примесей (например количество атмосферных осадков). Для отображения результатов исследования применяются методы картограммы или картодиаграммы.

Данный этап завершается разработкой рекомендаций по оптимизации территориальной структуры города[17], прогноза ожидаемых изменений геоэкологической ситуации на ближайшее будущее.

 

ГЛАВА 2. ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

г. МИНСКА

 

Поступление загрязняющих веществ в атмосферу г. Минска осуществляется в результате деятельности стационарных и передвижных источников эмиссии (автотранспорт, объекты энергетики и промышленные предприятия), а также в результате регионального и трансграничного переноса.

С 1998 по 2007 г. для общей эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу г. Минска была характерна медленная тенденция к увеличению, главным образом, за счет передвижных источников (рис.2.1).

Рис.2.1. Динамика выбросов от стационарных и передвижных источников в г. Минске за период 1998-2007гг., тыс. т.[18, 25-34]

 

В общей структуре выбросов за 2008 год преобладают: оксид углерода — 64,3%,углеводороды и ЛОС — 19,9%, оксиды азота — 9,8% и твердые вещества — 3,6%[44]. В Минске суммарный объем выбросов от стационарных и мобильных источников в 2008 г. составил 247,4 тыс.т. Из них 210,0 тыс.т. или 84,9% обусловлены работой автотранспорта и других мобильных источников. На долю стационарных источников пришлось 37,4 тыс.т. или 15,1% от суммарных выбросов. Основной вклад в выбросы твердых частиц вносит промышленность – 65%. На втором месте стоит жилищно-коммунальное хозяйство – 15%. Доля остальных источников не превышает 6% [10,35].