Исследование динамики концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе г. Шелехова
А.В. Ахтиманкина
Аннотация
Представлена динамика концентраций загрязняющих веществ в период с 2008 по 2013 г., составленная на основе данных с постов наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха.
Ключевые слова: концентрация, предельно допустимые концентрации, климатические особенности, промышленные предприятия, выбросы.
Abstract
Investigation of Dynamics of Concentration of Harmful Substances in Atmosphere of Shelekhov City
A.V. Akhtimankina
On the basis of data on concentrations of pollutants fixed in observation posts for the pollution of the atmosphere at Shelekhov city, has been presented the dynamics of concentration change in the period 2008 to 2013.
Keywords: concentration, maximum allowable concentration, climatic features, industrial enterprises, emissions.
Введение
В настоящее время основными источниками загрязнения атмосферного воздуха остаются промышленные предприятия, использующие сырье с высоким содержанием загрязняющих веществ, выбрасываемых из низких источников, как правило, без должной очистки; и автотранспорт, количество которого неуклонно растет, а используемое им топливо не отвечает предъявляемым требованиям.
Данные факторы в совокупности с неблагоприятной метеорологической обстановкой могут создавать условия, при которых концентрации поллютантов будут превышать установленные санитарно-гигиенические нормы. Такая ситуация, несомненно, скажется на уровне заболеваемости населения, проживающего в местах повышенных концентраций. Среди экологически обусловленных заболеваний, вызванных загрязнением атмосферы, выделяют болезни органов дыхания, проявляющиеся при повышенных концентрациях диоксида серы и диоксида азота; болезни системы кровообращения (под действием соединений серы, азота, углерода, фенола и формальдегида); болезни кожи и подкожной клетчатки (под действием сажи, пыли, взвешенных веществ); онкологические заболевания (под действием бенз(а) пирена, диоксидов серы и азота) и ряд других заболеваний.
С целью оценки настоящего состояния атмосферы, выявления антропогенной составляющей в ее изменении и дальнейшего принятия управленческих решений на территории населенных мест размещают сети постов наблюдения за загрязнением атмосферы, позволяющие отслеживать динамику содержания вредных веществ, что является очень важным для соблюдения качества атмосферного воздуха, отвечающего установленным требованиям.
При изучении динамики концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городов в качестве санитарно-гигиенического норматива необходимо использовать среднесуточные предельно допустимые концентрации, которые разработаны специально для населенных мест и не вызывают в организме человека негативных последствий при неограниченно долгом воздействии.
Основная часть
Характеристика территории исследования
Город Шелехов является сравнительно молодым промышленным городом, основанным в 1956 г. при строительстве ИркАЗа - Иркутского алюминиевого завода. Находится он рядом с областным центром и занимает площадь 31 км2. Федеральная автодорога М-55 «Байкал» делит город на две части - жилую (на севере) и промышленную (на юге), в которой размещены основные промышленные предприятия (рис. 1) [2].
Шелехов входит в число наиболее промышленно развитых городов региона. На его долю приходится около 11% общеобластного объема промышленной продукции. По этому показателю он занимает четвертое место в Иркутской области, уступая только таким крупным городам, как Братск, Иркутск и Ангарск [2].
Ведущей отраслью промышленности является цветная металлургия, на долю которой приходится 81% всей промышленной продукции города и которая представлена тремя заводами - Иркутским алюминиевым, выпускающим первичный алюминий и алюминиевую катанку, ООО «СУАЛ - ПМ» - производитель алюминиевых порошков и пудр, ЗАО «Кремний» - производитель кремния и сплавов. Второй по значимости отраслью городской экономики является машиностроение и металлообработка (12% промышленной продукции города). Данная отрасль объединяет несколько предприятий - ОАО «Иркутсккабель», ОАО «Шелеховский РМЗ» и «Иркут - скагроремонт». На третьем месте по производству продукции стоит промышленность строительных материалов. В городе действует завод железобетонных изделий, в свое время на базе местного сырья развивалась известковая промышленность.
В качестве источников загрязнения на территории г. Шелехова выступают предприятия теплоэнергетики, цветной металлургии, производства строительных материалов, машиностроения и металлообработки, а также автотранспорт. Дополнительный вклад в загрязнение воздушного бассейна вносят жилой сектор с печным отоплением, мелкие котельные, лесные и торфяные пожары.
Стоит отметить, что в структуре выбросов преобладают выбросы, поступающие от промышленности. Так, наибольшее количество выбросов от промышленности пришлось на 2013 г. и составило 35 тыс. т, наименьшее отмечалось в 2009 г. - 29,1 тыс. т. Количество же автотранспортных выбросов остается относительно постоянным, с небольшими отклонениями, например, максимум наблюдался в 2010 г. и составил 10,2 тыс. т, а минимум, составивший 9,1 тыс. т, пришелся на 2012 г. [4; 5; 7; 8]. Среди промышленных объектов основная масса выбросов осуществляется источниками Иркутского алюминиевого завода (ежегодный выброс - более 20 тыс. т загрязняющих веществ), ТЭЦ-5 (около 5 тыс. т), ЗАО «Кремний» (чуть более 3 тыс. т) [10].
Иркутский алюминиевый завод, на долю которого приходится большая доля выбросов, специализируется на производстве первичного алюминия и продукции из него. На предприятии сосредоточена вторая стадия производства алюминия - электролиз глинозёма, который поставляется на завод с различных регионов России. Готовая продукция в виде катанки, силумина, чушки отправляется в европейские регионы России и за границу. Таким образом, промышленные отходы, пыль и газообразные вещества (фтористые соединения, смолистые вещества, электролизная пыль, фтористый водород, диоксиды серы и азота), образующиеся в ходе технологических процессов, остаются в регионе производства, тем самым загрязняя его, а чистая продукция идет на экспорт.
Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха на территории г. Шелехова
Иркутский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды (ЦМС) осуществляет государственный мониторинг загрязнения окружающей среды на территории Иркутской области, в том числе в г. Шелехове.
Наблюдения проводятся на двух стационарных постах (станциях). Станции подразделяются на «городскую фоновую» в жилом районе северной части города (станция №3) и «авто» вблизи автомагистрали (станция №1). Это деление является условным, так как застройка города и размещение предприятий не позволяют сделать четкого разделения районов [3]. Пост наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ-1) расположен на Комсомольском бульваре, между жилым массивом и автомагистралью, вблизи дома №14 квартала 6. ПНЗ-3 расположен на метеоплощадке, находящейся на границе 4-го микрорайона и объездной дороги, вблизи дома №36. Основные предприятия-загрязнители, такие как «ИркАЗ-СУАЛ», ТЭЦ-5; ЗАО «Кремний», расположены на юге от ПНЗ (см. рис. 1).
Используемые на стационарных постах г. Шелехова средства измерения размещаются в комплектных лабораториях «Пост-1». Для отбора проб воздуха используются: автоматический электроаспиратор «ПРОБА-24», электроаспиратор М-822, газоанализатор СО модель К-100, ротаметр РС-7. Метеорологические наблюдения на стационарных постах выполняются в автоматическом режиме с помощью устройств измерения метеорологических элементов «М-49», анемометров. Одновременно используются сведения метеостанции города.
Наблюдения на постах проводятся в 7:00, 13:00, 19:00 ч по местному времени. Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема атмосферного воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сорбентом для улавливания вещества, или через аэрозольный фильтр, задерживающий содержащиеся в воздухе частицы. Определяемая примесь из большого объема воздуха концентрируется в небольшом объеме сорбента или на фильтре [10].
Рис. 1. Схема расположения ПНЗ (¦) г. Шелехова
При наблюдениях за уровнем загрязнения атмосферы используется режим отбора проб, продолжающийся 20 мин. Одновременно с проведением отбора проб определяют следующие метеорологические параметры: скорость и направление ветра, температуру воздуха, влажность, атмосферное давление, фиксируется состояние погоды.
В Шелехове проводят наблюдения для определения концентрации таких загрязняющих веществ, как пыль, диоксид серы (802), диоксид азота (К02), оксид углерода (СО), формальдегид, фтористый водород, растворимые твердые фториды, бенз(а) пирен, тяжелые металлы.
Отобранные пробы воздуха доставляются в лабораторию мониторинга загрязнения атмосферы (ЛМЗА) Иркутского центра по мониторингу загрязнения окружающей среды. В лаборатории выполняется химический анализ проб воздуха и устанавливаются концентрации вредных веществ на основе физико-химических и физических методов: фотоколориметрии, атомноабсорбционной спектрофотометрии, электрохимического, весового. Определение металлов и бенз(а) пирена осуществляется в лаборатории ФГБУ НПО «Тайфун» г. Обнинска.
Используемые материалы
Для проведения исследования были использованы данные натурных наблюдений, фиксируемых в таблицах Иркутского УГМС (ТЗА-18), с двух постов слежения за состоянием атмосферного воздуха: ПНЗ-1, ПНЗ-3 (см. рис. 1).
Анализ концентраций загрязняющих веществ проводился по 36 таблицам ТЗА-18 (6*3*2, где 6 - количество рассмотренных лет, 3 - количество месяцев, 2 - ПНЗ).
Для выявления динамики загрязнения воздуха за период с 2008 по 2013 г. были построены и проанализированы 188 графиков изменения абсолютных концентраций загрязняющих веществ для трех представляющих наибольший интерес месяцев: декабрь, апрель и июль. Выбор этих месяцев обусловлен сменой метеорологических условий, влияющих на накопление и рассеяние примесей в атмосфере.
Обсуждение результатов исследования
Диоксид cepu(SO2)
За проанализированный период на ПНЗ-1 в декабре 2013 г. наблюдения не проводились, на ПНЗ-3 отбор проб не предусмотрен. Таким образом, анализировались данные только с ПНЗ-1.
Анализ усредненных концентраций диоксида серы (рис. 2) показал, что наибольшие концентрации по данному веществу отмечаются в зимний период (декабрь), поскольку именно в зимний период создаются неблагоприятные метеорологические условия для самоочищения атмосферы, сопровождающиеся максимальными выбросами предприятий теплоэнергетики. В весенний период (апрель) предприятия продолжают работать на полную мощность, однако за счет разрушения зимнего антициклона и активизации циклонической деятельности концентрации снижаются. Летние месяцы (июль) характеризуются наименьшими концентрациями.
Рис. 2. Динамика усредненных концентраций диоксида серы в декабре, апреле и июле на ПНЗ-1
Абсолютный максимум концентрации диоксида серы в декабре был отмечен на ПНЗ-1 в 2012 г. и составил 0,12 мг/м3, что превысило ПДКс.с в 2,4 раза (рис. 3). Зимний максимум создается за счет повышенного сжигания топлива в этот период на объектах теплоэнергетики и, как следствие, увеличения количества выбросов вредных веществ, а также влияния неблагоприятных метеорологических условий (приземных инверсий, слабых ветров, застойных явлений воздуха), характерных для территории г. Шелехова. Среди неблагоприятных метеорологических явлений в декабре 2012 г. были отмечены: высокая повторяемость штилей (49%) в сочетании с температурными инверсиями, способствующие ситуации «застоя» и, как следствие, накоплению примесей в приземном слое. Также этот месяц характеризовался довольно холодной погодой, температура воздуха на территории области понижалась до -25… -35°С. Отрицательная аномалия температуры воздуха за месяц составила 4-8°С. Осадков, способствующих самоочищению атмосферы, было около и меньше (30-80%) нормы [8]. Сложившийся комплекс метеорологических условий и выбросов от промышленных объектов мог повлечь за собой повышение концентраций диоксида серы в рассматриваемый период.
Рис. 3. Динамика максимальных концентраций диоксида серы в декабре, апреле и июле на ПНЗ-1
Максимум концентрации диоксида серы в апреле наблюдался в 2013 г. и составил 0,07 мг/м3 или 1,4 ПДКс.с (см. рис. 3). Весенний максимум может быть обусловлен мощными выбросами от высоких источников и неблагоприятными метеорологическими условиями в виде опасных скоростей ветра, при которых отмечаются максимальные концентрации примеси. В дни максимальных концентраций скорость ветра достигала 6 м/с. Количество осадков в апреле 2013 г. выпало ниже нормы, что не способствовало самоочищению атмосферы от загрязняющих веществ [9], а количество выбросов от промышленных объектов в 2013 г. достигло максимума (за период 20082013 гг.).
Летом значения концентраций диоксида серы практически падают до нуля, например в июле 2010 г. (см. рис. 3). Это обусловлено уменьшением количества сжигаемого топлива и, как следствие, уменьшением количества выбросов вредных веществ в атмосферу, также накладывает свой отпечаток изменение метеорологических условий (снижается повторяемость приземных инверсий и застойных явлений воздуха, проходят интенсивные осадки, способствующие самоочищению атмосферы, количество которых в июле 2010 г. составило 97,4% от нормы).