УДК 551.322:556.114

ЭКОЛОГО-ГЛЯЦИОХИМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ Г. ХАБАРОВСК

Новороцкая Александра Григорьевна
Институт водных и экологических проблем ДВО РАН
г. Хабаровск, кандидат географический наук

Аннотация
В работе представлены результаты исследования химического состава снежного покрова на территории г. Хабаровска за 2012-2014 гг. Дана характеристика состояния атмосферы в крупном промышленном центре Приамурья по таким параметрам как: величина рН, удельная электропроводность, концентрации главных ионов, биогенных веществ. Для оценки состояния атмосферы применены следующие критерии: стабильность или нестабильность химического состава снежного покрова, величины: показателя относительной кислотности (рН/рNH4), рН, минерализации и др. Дана оценка поступления веществ из атмосферы за зимние сезоны в снежный покров, в том числе в виде веществ антропогенного генезиса.

Ключевые слова: главные ионы и биогенные вещества, загрязнение, минерализация, ПДК, снежный покров, тип химического состава, Хабаровск


GLACIOCHEMICAL CRITERIA ASSESSMENT OF KHABAROVSK ATMOSPHERE CONDITIONS

Novorotskaya Aleksandra Grigorievna
Institute of Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences
Khabarovsk, PhD in Geographic Sciences

Abstract
The paper presents the results of a study of the chemical composition of snow cover in the Khabarovsk for the 2012-2014. The characteristic of the atmosphere state in the major industrial center of Amur region for such parameters as pH value, electric conductivity, concentration of major ions and biogenic substances is given. To assess the state of the atmosphere the following criteria as: stability or instability of the chemical composition of snow cover, pH value, mineralization, the magnitudes of the relative acidity (pH / pNH4), etc. were used. The intake of substances from the atmosphere to snow cover during the winter seasons, including substances of anthropogenic genesis, was estimated.

Keywords: Khabarovsk, major ions and biogenic substances, mineralization, MPC, pollution, snow, type of chemical composition


Рубрика: 25.00.00 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Библиографическая ссылка на статью:
Новороцкая А.Г. Эколого-гляциохимические критерии оценки состояния атмосферы г. Хабаровск // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/12/75274 (дата обращения: 02.06.2017).

Экологическая обстановка и особенности проблем окружающей среды определяются спецификой местных природно-климатических условий, характером и масштабами воздействия промышленности, транспорта, сельского и коммунального хозяйства на нее.
Загрязнение почвы, водоемов и отчасти растительности происходит главным образом через атмосферу в результате выбросов вредных веществ от промышленных предприятий и автотранспорта. В связи с этим особый интерес представляет оценка содержания вредных веществ в атмосферных осадках, в частности в снежном покрове (СП). Мониторинг состояния атмосферного воздуха проводить чрезвычайно сложно из-за трудоемкости отбора проб и сложности анализа. Метод исследования химического состава СП является экспрессным для выявления пространственной структуры и источников загрязнения воздушного бассейна, не требующий специального оборудования. Это особо важно в климатических условиях, где СП сохраняется в течение длительного периода – 4 и более месяцев. СП в зимнее время является сезонным природным планшетом, концентрирующим химические элементы, привнесенных воздушным путем [1]. До весеннего миграционного цикла загрязняющиеся вещества оказываются законсервированными в толще СП. Следовательно, анализ снега позволяет определить качественный и количественный состав будущих мигрантов. Изучение СП позволяет оценить участие снеговых вод в формировании химического состава поверхностных и грунтовых вод, выявить масштабы и значение антропогенного фактора в изменении химического состава зимних атмосферных осадков, дать прогнозную оценку качества поверхностных вод водотоков в весенний период.
Таким образом, СП является наиболее информативным объектом при вы­явлении техногенного загрязнения не только атмосферных осадков, но и атмо­сферного воздуха, а также последующего загрязнения вод и почв. Химический состав СП является индикатором экологического состояния атмосферы. 
Цель работы – оценка состояния атмосферного воздуха в г. Хабаровск по химическому составу СП на основе гляциохимических критериев [2, с. 4, 17]. 
Задачи: Исследование химического состава СП в промышленных, парковых зонах и в районе несанкционированной свалки снега в г. Хабаровске и выявление роли местных и трансграничных факторов формирования химического состава СП, с последующим определением наиболее загрязненных участков.
Хабаровск – крупный административный центр России с площадью 386 км2 и населением более 600 тыс. человек. В Хабаровске на конец 2014 г. зарегистрировано 240 тысяч единиц автотранспорта, что выше среднего показателя по количеству машин на 1000 человек по РФ.
Уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Хабаровск характеризуется как высокий и очень высокий – ИЗА 13, 14 в 2011, 2012 гг. соответственно (обусловлен повышенным средним содержанием взвешенных веществ, формальдегида и бенз(а)пирена). За период 2003–2012 гг. их среднегодовые концентрации возросли, несмотря на то, что доля автотранспорта в суммарный выброс снизилась до 49% [3, 4]. Хабаровск по данным Росгидромета входит в число 51 города (24% городов) РФ с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха. В этих городах проживает 19% городского населения. Резкое изменение показателя загрязнения воздуха в городах обусловлено не улучшением качества воздуха, а установлением в 2014 г. нового значения ПДКс.с. формальдегида – более чем в 3 раза выше использовавшегося ранее значения. При использовании для оценки прежнего значения ПДКс.с. формальдегида, количество городов, в которых уровень загрязнения атмосферы оценивается как высокий и очень высокий, составило бы 107 [5, с. 8]. В 2014 г. высокий уровень загрязнения воздуха г. Хабаровска обусловлен повышенным содержанием бенз(а)пирена. За период 2010-2014 гг. среднегодовые концентрации взвешенных веществ, оксида углерода, диоксида азота, фенола и аммиака возросли на 4,76%, 25%, 23%, 13% и 7,7% соответственно, по БП снизились на 8% [6, с. 6]. Основной вклад в выбросы от стационарных источников внесли предприятия по производству и распределению электроэнергии, газа и воды (ТЭЦ-1, ТЭЦ-3) – 64% от объемов выбросов от стационарных источников – [6, с. 12], по производству нефтепродуктов (ОАО «Хабаровский нефтеперерабатывающий завод»). 
В зимний период в г. Хабаровск создаются наиболее неблагоприятные метеоусловия для рассеивания загрязняющих примесей – преобладают юго-западные, западные (70–80%) и северо-восточные ветры (11%) с наибольшей повторяемостью слабых ветров – 17–24%, с наибольшим в году количеством штилей – 14% всех дней сезона [7]. 
Методы исследования
Состав работ включал: отбор проб СП, определение химического состава СП в жидкой фазе (полный гидрохимический анализ проб); количественное определение минеральных примесей, взвешенных в СП; расчет показателя относительной кислотности СП (pH/pNH4); сравнительный анализ с условно-фоновыми характеристиками, ПДКв.р. [8]. Отобрано по 9 интегральных проб (минимум по 8-10 колонок каждая) снегомерным цилиндром ВС–43 на всю его мощность в полиэтиленовые пакеты в период максимального влагозапаса в соответствии с [9, 10] в течение трех зимних сезонов в марте 2012–2014 гг. на следующих площадках (станциях) г. Хабаровск: правый берег р. Амур (ст. 1), несанкционированная свалка снега, собранного с городских дорог (ст. 2), с поверхности льда на р. Амур (ст. 3), санаторий «Детский» (ст. 4); районы парков: ЦПКО (ст. 5), Динамо (ст. 6); районы ТЭЦ-1 (ст. 7), ТЭЦ-2 (ст. 8), ТЭЦ-3 (ст. 9) (рис. 1). Измерялась высота (h) СП, рассчитывались плотность (d) и влагозапас (P). Техногенное загрязнение СП изучалось по [11]. Отобранные образцы СП плавились при комнатной температуре 4–5 часов в закрытых стеклянных сосудах, профильтровывались под вакуумом для отделения взвешенной фазы пробы воды с использованием ядерных фильтров, с размером пор 0,45 мкм и подвергались химическому анализу.


Рисунок 1. Место отбора проб снега на территории Хабаровска
Примечание: Схема отбора проб СП составлена Левшиной С.И.

Общий химический состав СП величина рН, удельная электропроводность (УЭП), главные ионы (Ca2+, Mg2+, HCO3-, Cl-, SO42-), биогенные вещества (NH4+, NO3-, NO2-, HPO42-, SiO2), взвешенные вещества (ВВ) проводился по общепринятым [10, 12, 13] в гидрохимии и стандартизованным методам (РД, ПНД Ф). Водородный показатель (рН) и удельную электропроводность воды (УЭП) измеряли на комбинированным приборе – pH-метр/кондуктометр S47 (Mettler Toledo, Швейцария), взвешенные вещества (ВВ) определяли гравиметрическим методом. Главные ионы: суммарное содержание Na+, K+ определялось расчетным методом, Са2+ и Мg2+, НСО3-, Сl- – титриметрически. Биогенные вещества и SO42- определялись фотоколориметрически (на КФК-3). 
Для выявления зон загрязнения и оценки состояния СП использовались: система гляциохимических индикаторов природных и антропогенных процессов [14] и индикаторы экологического состояния СП [2, с. 17]. Эколого-гляциохимические характеристики СП сравнивались с условно-фоновыми показателями – для территории Эворон-Чукчагирской низменности по данным 1976–1980 гг. [15], с ПДКв.р., т.к. нормативных документов по ПДК для СП не разработано [8].
При определении типа химического состава СП использовалась классификация О.А. Алекина [16, с. 120].
Средний химический состав СП в бассейнах озер Эворона и Чукчагирского относился к гидрокарбонатному классу, группе кальция, первому типу (СIСа); средняя величина минерализации лежала в пределах 5,8 мг/дмв начале зимы (по расчетам А.В. Иванова без учета влияния лесных пожаров на химический состав СП). Величина рН СП изменялась от 5,30 до 6,90. В СП накапливалось до 0,46 т/км·сезон-1 растворимых минеральных веществ.
В расплавах СП рассчитаны: величина минерализации (М), как сумма всех определенных при анализе минеральных веществ (ГОСТ 17407-72); средневзвешенная концентрация 
(): , где Сi j – концентрация i-того компонента в j-той пробе, мг/дм3; Рi – влагозапас СП, мм, Р= 10 h · d, где h – высота СП, см, плотность СП, г/дм3; общее количество растворимых минеральных веществ (Q, т/км2), накопленных в СП за зимний сезон: , где  – значение средневзвешенной величины минерализации, мг/дм3,  – средний запас воды в СП, мм; общее количество минеральных веществ 
(Qф, т/км2·сезон-1), накопленных в СП фонового района аналогично; поступление растворимых минеральных веществ в СП в результате хозяйственной деятельности (Qхоз., т/км2): Qхоз Q – Qф [2, с. 7]; пылевая нагрузка (Рп), мг/м2•сут-1: Рп = Po/(S­t), где Ро – масса взвешенного вещества, мг; S – площадь сечения пробоотборника, м2 , t – время залегания СП на период пробоотбора, сутки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
В таблицах 1, 2 приведены результаты мониторинга общего химического состава СП г. Хабаровск. При расчете средневзвешенных показателей данные по СП в районе несанкционированной свалки снега, сбрасываемого с автодорог города, не учитывались.
Тип химического состава СП в основном сульфатно-кальциевый (SIICa) и гидрокарбонатно-кальциевый (CIICa) в 37% и 33% случаев наблюдений соответственно, изредка (18% случаев наблюдений) – сульфатно-магниевый ( SIIMg), для СП, отобранного на свалке снега, – хлоридно-натриевый (ClIINa в 2014 г.) и хлоридно-кальциевый (ClIICa в 2012 г.), что объясняется использованием реагентов в качестве антиобледенителей дорог и поступлением пыли (в том числе почвенной) в СП. Величина М такого СП составила до 300 мг/дм3, причем не исключена потеря доли хлоридов натрия и калия снегом за счет их хорошей растворимости в результате начавшегося снеготаяния, УЭП варьирует (в мкСм/см) от 616 в 2012, 201 – в 2012 и 2750 – в 2014 гг. Наибольшие значения величины М СП промышленной зоны отмечены для района ТЭЦ-1 (в условно-фоновых единицах): 8 в 2012, 13 в 2013, 7 в 2014 гг. В тот же период наблюдений минерализация СП составила в зоне влияния: ТЭЦ-2 – 4,3, 4,7, 3,1 и ТЭЦ-3 – 3,6, 5,3, 2,5 условно-фоновых единиц соответственно. 
По нашим данным индикатором воздействия газопылевых выбросов на химический состав СП является и величина рН выше 6,5 (в противоположность широко распространенному явлению, когда пониженная величина рН является признаком влияния промышленности). Незагрязненным атмосферным осадкам обычно приписывается значение 5,60 [11], а в загрязненном СП она поднимается до 7–8 и выше [2]. 
Максимальная величина рН СП отмечена для района ТЭЦ-1, что вполне естественно, защелачивание СП происходит в результате взаимодействия с золой топлива. Среди парков следует отметить парк «Динамо», находящийся в центре города, вблизи крупной автодороги, и характеризующийся более значительным загрязнением атмосферы, чем ЦПКО (Центральный парк культуры и отдыха). Район санатория «Детский», находящийся в северной части г. Хабаровск, по гляциологическим показателям нельзя принять в качестве фонового района – величина М СП здесь составила до 3-4 условно-фоновых единиц, содержание ионов аммония – до 1,2-2,3 ПДКв.р. Во всех случаях наблюдений содержание ионов аммония в СП выше ПДКв.р. в среднем в 2-3 раза, максимально – до 5-6 раз в СП несанкционированной свалки [8]. 
По величине показателя относительной кислотности (pH/pNH4) – в основном 1,4-1,6 – атмосферу г. Хабаровск можно охарактеризовать как подверженную непосредственному влиянию хозяйственной деятельности [2, 17]. 
Зимний сезон 2012-2013 г. выделяется на фоне остальных годов наблюдений максимальными величинами поступления минеральных и взвешенных веществ в виду особенностей гидрометеорологического режима. 
Минеральные соединения азота в СП представлены NH4+, NO3-, NO2-. В среднем вклад ионов аммония и нитрат-ионов в суммарное содержание минерального азота в СП составил в 2012 г. 57 и 37%, в 2013 г. – 51 и 44%, в 2014 г. – 65-34%, нитрит-ионов – 1,1, 1,4, 4,3% в 2012, 2013, 2014 гг. соответственно. Содержание НРО42- в СП близко к таковому в СП и атмосферных осадках во время лесных пожаров (табл. 2) [15].
На территорию г. Хабаровск за зимний сезон в среднем из атмосферы поступило растворимых минеральных веществ (в т/км2): в 2012 г. – 1,580, в 2013 – 2,396, в 2014 г. – 1,463, в том числе в виде SO42-– 20, 29, 26%; NO3- – 9, 13, 8%, NH4+ – 4, 5, 4% в 2012, 2013, 2014 гг. соответственно. Привнос растворимых минеральных веществ в СП в результате хозяйственной деятельности за сезон составило до 69-81% от общего количества солей. Отмечена тенденция уменьшения степени загрязнения в период наблюдений по сравнению с предыдущими зимними сезонами 2009-2010 гг. и 2010-2011 гг. [17].
Таблица 1 – Интегральные показатели химического состава снежного покрова г. Хабаровска и результаты снегосъемки, март 2012–2014 гг. (n=27)

рН
УЭП,
мкСм/см
М, мг/дм3
ВВ, 
мг/дм3
рН/
рNH4
h, см
d, г/дм3
Р, мм
13-14.03.2012 г.
5,80-6,40
6,10
27,1-61,9
45,7
15,0-43,6
25,7
58,3-58,32
328,29
1,4-1,6
1,5
17-50
32
0,11-0,29
0,20
42-77
65
25.03.2013
34,5-115,9
50,2
22,8-77,7
34,7
63,14-2631,55
354,14
22-35
29
0,20-0,31
0,24
51-99
70
13-14.03.2014
5,61-6,85
6,29
24,6-65,0
41,4
17,1-40,4
21,7
57,33-631,71
226,72
1,3-1,6
1,5
11-41
28
0,14-0,32
0,24
22-104
67

Примечание: здесь и далее над чертой – минимальное и максимальное значение, под чертой – средневзвешенное значение; прочерк означает отсутствие данных

Пылевая нагрузка (Рп), мг/м2-сут-1 для зимнего сезона 2011-2012 гг. (с учетом расчетных данных: время залегания устойчивого СП на период отбора проб – 130 дней, дата образования устойчивого СП – 12.11.2011, площадь пробоотборника – 50 см2) для СП г. Хабаровск изменялась в пределах 20,42-470,87 (минимальная – в СП санатория «Детский», максимальная – в зоне влияния ТЭЦ-1).
По данным [18] исследования органических веществ в СП г. Хабаровск за зимний сезон 2100-2012 гг. выявлены значительные превышения ПДК по нефтепродуктам, фенолам, бенз(а)прирену. Высокая степень загрязнения характерна для СП, отобранного на несанкционированной свалке и в зоне влияния ТЭЦ-1.
Таким образом, можно заключить, что химический состав СП г. Хабаровск формируется в результате техногенной нагрузки (газо-пылевых выбросов от стационарных и передвижных источников) и отражает специфику деятельности предприятий, что проявляется в повышении концентраций сульфат- и нитрат-ионов, защелачивании СП, запыления территории. Влияние антропогенной деятельности на СП выражается в Таблица 2 – Содержание главных ионов и биогенных веществ в снежном покрове г. Хабаровск, март 2012–2014 гг., мг/дм3 (n=27)

Год
Компонент
Ca2+
Mg2+
HCO3-
Cl-
SO42-
NH4+
NO3-
HPO42-(Р)
SiO2
2012
1,9-9,0
3,8
0,7-2,5
1,3
6,5-14,9
8,8
1,3-3,3
2,0
1,81-11,07
5,08
0,77-1,30
1,15
0,75-4,56
2,37
0,037-0,903
0,221
0,24-1,16
0,56
2013
1,4-11,5
3,2
0,8-2,7
1,5
4,3-21,2
8,0
1,3-2,9
2,0
5,43-25,53
9,95
0,67-2,23
1,44
2,21-6,24
4,17
0,015-0,587
0,118
0,51-1,00
0,60
2014
1,2-4,7
2,8
0,6-3,0
1,7
2,2-12,7
6,2
1,1-2,5
1,8
0,49-14,02
5,62
0,69-1,56
0,96
0,90-4,26
1,92
0,019-0,064
0,037
0,25-0,46
0,37

нестабильности типа химического состава СП, возрастании величины М до 8 условно-фоновых единиц (максимально), увеличении содержания минеральных и взвешенных веществ в СП. Неоднородность поступления веществ из атмосферы в зимние сезоны объясняется и гидрометеорологическими параметрами (прежде всего количеством выпавших атмосферных осадков в предзимний и зимний сезоны). Не исключен трансграничный перенос поллютантов со стороны КНР в соответствии с розой ветров. Существует вероятность попадания загрязняющих веществ в воды р. Амур в весенний период.


Библиографический список
  1. Delmas, R. J, Briat, M., & Legrand, M. Chemistry of South Polar snow. Journal of Geophysical Research, 1982. 87(6), 4314–4318.
  2. Новороцкая А.Г. Химический состав снежного покрова как индикатор экологического состояния Нижнего Приамурья: Автореф. дис…канд. географ. наук. Хабаровск, 2002. 24 с.
  3. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Хабаровского края в 2012 году / ред. В.М. Шихалев. – Хабаровск: ИП С.А. Пермяков, 2013. 252 с.
  4. Доклад об экологической ситуации в Хабаровском крае в 2011 году / ред. В.М. Шихалёв. Хабаровск: Министерство природных ресурсов Хабаровского края, 2012. 199 с.
  5. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2014 году» 473 с.
  6. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Хабаровского края в 2014 году / ред. В.М. Шихалев. – Хабаровск: ООО Принт, 2015. 219 с.
  7. Новороцкий П.В. Экологические аспекты загрязнения атмосферного воздуха Хабаровска. Препринт: ИВЭП ДВО РАН, Хабаровск, 1993. 43с.
  8. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: Изд-во ВНРИРО, 1999. 304 с.
  9. ГОСТ 17.1.5.05-85 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к от­бору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. 23 с.
  10. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. М, 1991. 556 с.
  11. Василенко В.Н., Назаров. И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л.: ГИМИЗ, 1985. 181 с.
  12. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа природных вод. М.: Химия. 1973. 376 c.
  13. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под  ред. А.Д. Семенова Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 542 с.
  14. Иванов А.В., Новороцкая А.Г., Чукмасова Т.Г. Гляциохимические критерии оценки антропогенного загрязнения природных льдов и вод // Проблемы кайнозойской палеоэкологии и палеогеографии морей Северного Ледовитого океана: Тез. Докл. III Всесоюз. конф. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1989. С. 52-56.
  15. Иванов А. В., Кашин Н. П. Лесные пожары и многолетняя изменчивость химического состава атмосферных осадков и снежного покрова // Гидрохим. материалы. Л.: ГИМИЗ, 1989. Т. 95. С. 3-14.
  16. Алекин О. А. Основы гидрохимии. Л.: ГИМИЗ, 1970. 444 с.
  17. Новороцкая А.Г. Интегральная оценка состояния атмосферы г. Хабаровск по химическому составу снежного покрова// Современные проблемы регионального развития: материалы международ. науч. конф./ред. Г.Я. Фрисман. – Биробиджан: ИКАРП ДВО РАН – ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шалом-Алейхема, 2012.  С. 35-36.
  18. Левшина С.И. Распределение органических веществ в снежном покрове г. Хабаровска  // Современные проблемы регионального развития: материалы международ. науч. конф./ред. Г.Я. Фрисман. – Биробиджан: ИКАРП ДВО РАН – ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шалом-Алейхема, 2012.  С. 28-29.
  19. Delmas, R. J, Briat, M., & Legrand, M. Chemistry of South Polar snow. Journal of Geophysical Research, 1982. 87(6), 4314–4318.

 



Все статьи автора «Новороцкая Александра Григорьевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: