CC BY
124
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И СНЕЖНОГО ПОКРОВА г. НОВОСИБИРСКА
Татьяна Владимировна Ярославцева
ФБУН Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Обсуждаются результаты экспериментальных исследований длительного загрязнения атмосферного воздуха и снежного покрова на стационарных постах Гидрометеослужбы г. Новосибирска. Проведён корреляционный анализ данных измерений сопутствующих компонентов примеси как в атмосфере, так и в снеге. Показана возможность создания в этих средах взаимно дополнительных систем мониторинга и получения на их основе более детальной оценки состояния длительного загрязнения атмосферы города.
Ключевые слова: загрязнение, атмосфера, снежный покров, корреляционный анализ, интерполяция.
REGULARITIES OF LONG ATMOSPHERE
AND SNOW COVER POLLUTION IN NOVOSIBIRSK
Tatyana V. Yaroslavtseva
FBSI «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko, researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 pr. Akad. Lavrentjeva, chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
We discuss the results of experimental studies of long-term air pollution and snow cover at fixed stations Hydrometeorological of Novosibirsk. Correlation analysis of measurement data associated components impurities in the atmosphere and snow was held. Was possible to produce in these environments mutually complementary monitoring and reception on their basis of a more detailed assessment of the long-term urban atmospheric pollution.
Key words: pollution atmosphere, snow cover, correlation analysis, interpolation.
Мониторинг загрязнения атмосферы города. Мониторинг атмосферного воздуха г. Новосибирска проводится на стационарных постах Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды [1]. Схема расположения стационарных пунктов наблюдения за загрязнением (ПНЗ) атмосферного воздуха представлена на рис. 1. Контроль качества атмосферного воздуха проводится по четырем основным параметрам (взвешенные вещества, диоксиды серы и азота, оксид углерода) и специфическим (оксид азота, хлористый водород, аммиак, фтористый водород, формальдегид, бенз(а)пирен и др.). Посты подразделяются на "региональные фоновые" (ПНЗ 47), "городские фоновые" в жилых районах (ПНЗ 24, 26), "промышленные" вблизи предприятий (ПНЗ 18, 19, 25) и "авто" вблизи автомагистралей или в районах с интенсивным движением транспорта (ПНЗ 1, 21, 49, 54).
В зимнее время для Новосибирска характерно повышенное содержание в воздухе взвешенных веществ, бенз(а)пирена, сажи. Наиболее высокое содержание бенз(а)пирена, сажи в атмосфере отмечается в холодный период года. Для атмосферы города также характерно повышенное содержание оксидов азота. На содержание оксида и диоксида азота в приземном слое атмосферного воздуха существенное влияние оказывают метеорологические параметры (температурные инверсии, скорость ветра, наличие туманов).
Мониторинг загрязнения снежного покрова. Отбор проб снега производился в конце зимних сезонов 2008-2012 г.г. вблизи стационарных ПНЗ г. Новосибирска. Пробы отбирались с помощью пластмассовой трубы на открытых площадках неповреждённого снежного покрова на всю глубину. Анализ снежных проб выполняли в лаборатории после их топления по схемам в зависимости от природы определяемых компонентов [2]. Перед определением неорганических компонентов растопленную пробу пропускали через бумажный и мембранный фильтры с диаметрами пор 3-5 и 0,45 мкм соответственно. Анализу подвергали и осадки, и фильтрат. В фильтрате определяли анионный состав, в том числе нитрат-, нитрит- и сульфат-ионы с использованием методики на основе капиллярного электрофореза.
Органические компоненты (ПАУ) определяли после их экстракционного концентрирования в хлористый метилен из всего объема нефильтрованной пробы. Осадок после упаривания на ротационном испарителе растворяли в ацетоне. Полученный раствор анализировали на содержание ПАУ методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим окончанием.
Параметры для сравнения межсредового загрязнения. Для прямого сравнения результатов измерений в воздухе и снеге были выбраны соответственно следующие параметры: взвешенные вещества (пыль) и осадок; бенз(а)пирен в обеих средах; сажа воздуха сопоставлялась с бенз(а)пиреном и суммой ПАУ в снеге. Другими неочевидными параметрами для сравнения в рассматриваемых средах были выбраны: оксиды азота (N02, N0), с одной стороны, и нитраты, нитриты, с другой, а также оксид серы(1У) и сульфаты. Из литературных данных известно, что оксиды азота и серы являются газовыми предшественниками вышеперечисленных анионов в аэрозольных выпадениях в снег. Расчёт среднезимних концентраций примесей, измеряемых в атмосфере, проводился за период времени с середины ноября по середину марта, что примерно соответствует периоду залегания снежного покрова в городе.
Результаты и обсуждение. Анализ результатов экспериментальных исследований проводится в рамках линейных корреляционных зависимостей. По вертикальной оси представлена среднезимняя концентрация примеси в воздухе, по горизонтальной оси в снеге.
На рис. 2 представлены линейно-корреляционные зависимости между осадком пыли в пробах снега и взвешенными веществами в воздухе, БП в снеге и содержанием сажи в воздухе для зимних сезонов 2010 - 2012 г.г. на ПНЗ г. Новосибирска.
Осадок/взвесь Бенз(а)пирен/сажа
мг/м3 Новосибирск: 2010-2011 гг. , 3 Новосибирск: 2011-2012 гг.
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Рис. 2. Линейно-корреляционная зависимость между осадком пыли в пробах снега и взвешенными веществами в атмосфере, содержанием БП
в снеге и сажей в воздухе
Анализ рис. 2 показывает, что значения рассматриваемых параметров от поста к посту меняются вполне согласованно в значительных диапазонах изменения концентраций в обеих средах.
Максимальное значение соответствующих концентраций примесей в атмосферном воздухе и снеге достигается для ПНЗ № 21, минимальное - для ПНЗ № 47. Следует отметить, что ПНЗ № 47 является по сути фоновым для региона г. Новосибирска, так как расположен на входе в город господствующих в зимнее время ветров.
Отметим также, что пересечение линий регрессий на рис. 2 происходит несколько выше начала координат. Этот факт означает, что определённая часть мелкодисперсных фракций пыли и сажи либо не фиксируется в снежном покрове, либо переходит в растворённое состояние.
Сопоставление на рис. 3 изменений концентраций оксидов азота и углерода в атмосферном воздухе и нитрит-анионов в снеговом покрове на ПНЗ показало вполне удовлетворительное согласие. Между измеренными концентрациями оксида углерода и нитрит-анионами на постах имеет место антикорреляционная химическая связь. Наличие такой связи указывает на необходимость проведения дополнительных исследований.
Нитриты/оксид азота Нитриты/оксид углерода
Новосибирск: 2008-2009 гг. Новосибирск: 2008-2009 гг.
мг/м3 2 5 мг/м3
О 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Рис. 3. Линейно-корреляционная зависимость между нитрит-анионами и оксидом азота, между нитрит-анионами / оксидом углерода в зимнем сезоне 2008/09 г.
Высокая степень количественного согласия представленных параметров указывает на возможность создания на территории города взаимно дополнительных систем мониторинга и пересчета данных наблюдений из одной среды на другую.
Интерполяция по территории города фоновых концентраций бенз(а)пирена. В настоящее время в Унифицированной программе расчёта загрязнения атмосферы фон интерполируется по следующей формуле при безразмерном параметре а =2 [3, 4]
п'п £ ±
~а ^ сТ ,
где Сфг - значение фона для ьтого ПНЗ; Сф. - значение фона для j-той расчётной точки, не совпадающей ни с одним ПНЗ; г (км) - удаление ьтого ПНЗ от j-
той расчётной точки; п 'я - число ПНЗ, для которых установлены значения Сф1 рассматриваемого вещества.
Рекомендованное в формуле (1) значение а = 2 принято на основании учёта некоторых общих закономерностей атмосферной диффузии слабооседающей примеси от большого числа низких источников, рассредоточенных по значительной территории. В частности, к ним следует отнести автомагистрали, источники частного сектора, пылящие поверхности на территории города и т.д.
Регулярные измерения загрязнения атмосферного воздуха БП в г. Новосибирске проводятся на трёх-шести ПНЗ, что явно недостаточно для объективной
оценки загрязнения БП территории всего города. Для выхода из этой непростой ситуации могут быть использованы дополнительные наблюдения загрязнения снежного покрова в различных точках города, в том числе и на городских постах.
С использованием соотношения (1) на рис. 4 представлены результаты интерполяции полей загрязнения БП снежного покрова по измерениям его вблизи девяти ПНЗ в конце зимнего сезона 2011 г.
Интерполяционное поле БП на рис. 4 имеет довольно характерную структуру и вполне пригодно для оценок атмосферного загрязнения. Следует отметить, что его не следует использовать на значительных удалениях от рассматриваемых постов, особенно за пределами городской территории.
Рис. 4. Интерполированное поле значений концентрации бенз(а)пирена (нг/л) в снежном покрове г. Новосибирска по 9 постам 2010/11 г.
Заключение
Результаты экспериментальных исследований и численного анализа данных наблюдений загрязнения атмосферного воздуха и снегового покрова на стационарных постах Гидрометеослужбы г. Новосибирска позволили установить качественные и количественные закономерности между концентрациями ряда компонентов примеси, таких как сажа и бенз(а)пирен (ПАУ); оксиды азота и нитрат/нитрит-анионы; диоксид серы и сульфаты; взвешенные вещества и осадок. Результаты этих исследований могут быть использованы для взаим-
ного контроля данных наблюдений в снеге и приземном слое воздуха, существенно дополнить в зимнее время стационарную сеть наблюдений.
Полученные зависимости указывают на возможность создания экономичной системы мониторинга и получения на её основе более детальной оценки состояния длительного загрязнения атмосферы города в зимнее время и определения источников на его территории. В дальнейшем, проведенные исследования могут послужить основой для установления нормативных критериев (ПДК) по измерениям загрязнения снегового покрова.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН 4.9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидро-метеоиздат, 1986. 199 с.
2. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л: Гидрометеоиздат, 1985. 182 с.
3. Берлянд М.Е., Безуглая Э.Ю., Генихович Е.Л., Зашихин М.Н., Оникул Р.И. О методах определения фонового загрязнения атмосферы в городах // Труды ГГО, 1984. - Вып. 479. - С.17-30.
4. Грачёва И.Г., Оникул Р.И., Яковлева Е.А. Об интерполяции по территории города фоновых концентраций атмосферных примесей // Труды ГГО, 1998. - Вып. 549 - С. 98-107.
© Т. В. Ярославцева, В. Ф. Рапута, 2015
