Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Загрязнение природной среды свинцом и связанная с этим опасность для экосистем и человека - 10 -
1.1. Соединения свинца в атмосфере антропогенного происхождения: опасность для здоровья человека и экосистем -10 -
1.2. Оценка компонентов глобального баланса свинца в атмосфере - 13 -
1.2.1 .Естественные и антропогенные источники эмиссии соединений свинца в атмосферу - 13 -
1.2.2. Механизмы выведения свинца из атмосферы - 16 -
1.2.3.Со держания свинца в природных средах - 19 -
Глава 2. Методология оценки баланса примеси в атмосфере и используемые материалы . - 21
2.1. Исходные материалы, используемые в работе - 21 -
2.2. Основные принципы построения баланса вещества в атмосфере - 22 -
2.2.1. Схема оценки баланса свинца в атмосфере над территорией России - 23 -
2.2.2. Антропогенная и природная эмиссия свинца - 24 -
2.2.3. Содержание свинца в воздухе и осадках, осаждение на подстилающую поверхность - 26 -
2.3. Модельные расчеты распределения антропогенных потоков и формирования региональных уровней загрязнения атмосферы свинцом , -29 -
Глава 3. Выбросы свинца в атмосферу на территории России -31-
3.1. Основные источники поступления свинца на территории России, пространственная и временная структура выбросов - 31 -
3.2. Интегральная оценка приходной компоненты баланса свинца на территории России. -35-
3.3. Распределение выбросов свинца по регионам России и по ячейкам градусной сетки,. -38-
Глава 4. Концентрация в атмосфере и потоки свинца на подстилающую поверхность на территории России по данным мониторинга - 41 -
4.1 Система мониторинга загрязнения воздуха и осадков свинцом в России - 41 -
4.2. Загрязнение воздуха свинцом на территории России: пространственное распределения, межгодовая и сезонная изменчивость - 42 -
4.3. Загрязнение осадков свинцом на территории России: пространственное распределение, межгодовая и сезонная изменчивость - 46 -
4.4. Оценка потоков свинца на подстилающую поверхность, обусловленных процессами сухого и влажного осаждения - 50 -
4.5. Аналитическая оценка расходных компонентов баланса свинца в атмосфере на территории России. Невязка баланса, причины и пути ее устранения - 58 -
Глава 5. Математическое моделирование переноса свинца в атмосфере как инструмент для оценки пространственной неоднородности поля концентраций и выпадения - 60 -
5.1. Обзор существующих методов моделирования дальнего переноса консервативной примеси в атмосфере - 60 -
5.2. Вероятностная климатическая модель дальнего переноса консервативной примеси в атмосфере -65 -
5.2.1. Физико-математические основы модели . - 66 -
5.2.2. Входные параметры - 76 -
5.2.3. Тестирование модели - 77 -
5.2.4. Некоторые заключения - 78 -
Глава 6. Результаты модельных оценок пространственного распределения концентраций и выпадений свинца на территории России - 79 -
6.1. Формирование уровней концентраций и выпадений свинца по результатам модельных расчетов - 79 -
6.2. Атмосферный баланс свинца на территории России - по результатам моделирования-82-
6.3. Сравнение полученных оценок уровня атмосферных выпадений свинца с европейскими данными - 83 -
6.4. Значение созданных методов и полученных результатов в контексте программы ЕМЕР, АМАП и EANET - 84 -
Выводы - 86 -
Список литературы
- Соединения свинца в атмосфере антропогенного происхождения: опасность для здоровья человека и экосистем
- Исходные материалы, используемые в работе
- Основные источники поступления свинца на территории России, пространственная и временная структура выбросов
- Система мониторинга загрязнения воздуха и осадков свинцом в России
Введение к работе
Антропогенное загрязнение атмосферы, как компонента природной среды, является важным вопросом взаимодействия человека и природы. Атмосферная эмиссия тяжелых металлов приводит к экологическим проблемам локального, регионального и глобального масштабов, поскольку загрязняющие вещества, попадая в атмосферу, не только осаждаются вблизи источника, но и переносятся в удаленные районы, где происходит их выпадение и осаждение на растительности, почве и водных объектах. Активные исследования в области изучения загрязнения природной среды тяжелыми металлами были начаты в России в 90-х годах XX столетия, что в значительной степени было связано с обязательствами, взятыми Российской Федерацией в соответствии с Протоколом по тяжелым металлам к Конвенции 1979 года о Трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. Однако, в этой области остается еще много нерешенных вопросов. Как российские, так и международные исследователи отмечают значительную неопределенность в оценках выбросов тяжелых металлов, в частности свинца, от антропогенных источников. Данные наблюдений за загрязнением атмосферы и осадков тяжелыми металлами, проводимые на постоянно действующих станциях мониторинга на территории России, в связи с недостаточным количеством станций, не позволяют репрезентативно оценить уровень загрязнения атмосферы свинцом, как для отельных регионов, так и для России в целом. В условиях недостатка информации особенно актуальным является использование комплексного подхода к оценке формирования компонентов баланса свинца в атмосфере, включающего в себя как обобщение и анализ данных мониторинга и статистических данных, так и моделирование распределения антропогенных потоков для оценки формирования региональных уровней загрязнения.
Соединения свинца в атмосфере антропогенного происхождения: опасность для здоровья человека и экосистем
Развитие современного мира невозможно представить себе без использования металлов, однако, одновременно с этим, ежегодно в окружающую среду попадает все возрастающее количество отходов, содержащих токсичные компоненты. Многие тяжелые металлы, благодаря их токсичности, признаны глобальными загрязняющими веществами. Их участие в биохимических циклах, накопление и перераспределение внутри отдельных компонентов природной среды на фоне значительных антропогенных выбросов приводит к нарушению естественного баланса и вызывает негативные последствия для окружающей среды и человека. Постепенно распространяясь в атмосфере, металлы достигают самых удаленных от источников выбросов областей и, неизбежно, входят в трофические цепи человека.
В глобальном масштабе происходит процесс, называемый некоторыми авторами (Трахтенберг и Коршун 1990) "металлическим прессом на биосферу". Влияние глобального загрязнения металлами на экосистемы и здоровье людей пока еще до конца не изучено, но о серьезности проблемы и вероятности необратимых глобальных изменений, связанных с увеличивающимся поступлением тяжелых металлов в окружающую среду, говорит тот факт, что на XVI сессии управляющего комитета ЕМЕР было принято решение о включении проблем, связанных с загрязнением биосферы тяжелыми металлами, в программу деятельности ЕМЕП. Приоритетными загрязнителями названы три металла: свинец, кадмий и ртуть, представляющие наибольшую опасность для окружающей среды.
Наблюдения за загрязнением воздуха тяжелыми металлами, проводимые в Европе, свидетельствуют, что но абсолютным величинам преобладающим является свинец (Яценко-Хмелевская и др. 1994, Расупа 1983, Бурцева и др. 1990). В публикации ЮНЕП, посвященной обзору химических загрязнителей, отмечается, что свинец является потенциально токсичным элементом с плохо изученными физиологическими свойствами (UNEP1992).
Оценить степень экологического риска в целом для всей природной экосистемы, особенно на региональном или глобальном уровне, достаточно сложно. Поэтому, обычно выделяются два основных подхода к решению этой проблемы. С одной стороны, изучается антропогенное влияние на отдельные компоненты природной системы - на водные объекты, на растительность, на биогеоценозы и т.д. С другой стороны, изучаются отдельные загрязняющие вещества и выявляются источники их поступления, пути распространения и воздействие, оказываемое ими на окружающую среду. Другими словами, изучаются компоненты баланса вещества в той или иной природной среде. Все компоненты природной системы имеют ограниченные возможности по накоплению и переработке токсичных веществ. При существующих объемах выбросов предел этих возможностей может наступить уже в ближайшее время и привести к исчезновению многих видов живой природы, уменьшению ее разнообразия, а так же оказать отрицательное воздействие на здоровье и жизнедеятельность людей.
Атмосфера наиболее сильно подвержена воздействию со стороны человека, во-первых, потому что атмосфера обладает относительно небольшой массой и, во-вторых, потому что вся антропогенная деятельность в первую очередь связана с воздействием на окружающий воздух- Выбросы свинца в воздушную среду меньше, чем в водные акватории и в почву, однако, атмосфера служит для переноса микроэлементов от источника выброса к удаленным территориям, где они вьшадают из атмосферы и аккумулируются в почве и в воде, что приводит к отравлению растительности и водных микроорганизмов. Таким образом, загрязнение атмосферы приводит не только к ухудшению качества воздуха в районах, расположенных в непосредственной близости от индустриальных и урбанизированных центров, но и оказывает негативное влияние на экологическую обстановку в отдаленных областях. Существенное влияние на концентрацию свинца оказывают вторжения загрязненных воздушных масс из промышленных или урбанизированных районов, vкогда концентрация в атмосфере фоновых районов может возрастать в 5-Ю раз. Региональное воздействие может так же проявляться в формировании над территорией городов облаков, которые потом перемещаются в фоновые регионы и выпадают с осадками. Поэтому, антропогенное загрязнение атмосферы, как компонента природной среды, является одним из важнейших вопросов взаимодействия человека и природы.
Степень экологического воздействия свинца на окружающую среду во многом зависит от физико-химической формы поступления и трансформаций элемента в экосистеме, а также степени растворимости. Соотношение растворимых и нерастворимых форм зависит от вида техногенного источника, однако, непосредственно после выброса в атмосферу, большая часть свинца находится, как правило, в нерастворимых в воде формах (Роева и др. 1996, Яценко-Хмелевская и др. 1994). В атмосфере свинец находится, в основном, в виде аэрозолей, в атмосферных осадках преобладают водорастворимые формы свинца, а в почвах свинец находится в малорастворимых формах и, в основном, содержится в виде примесей (Роева и др. 1996, Ровинский и др. 1982), Доля водорастворимых форм свинца в атмосфере составляет 10-30%. Большое влияние на поведение свинца в атмосфере оказывает газовая составляющая, которая, по-видимому, определяет его существование в газовой фазе и в составе субмикронных частиц (0,5-1 мкм), способных перемещаться на большие расстояния.
В водных объектах наибольшее значение в миграции свинца в воде имеют взвешенные формы свинца, хотя он также может находиться и в растворенном виде (Добровольский 1987). Несмотря на то что, свинец плохо растворяется и, соответственно, обладает низкой мобильностью и биоактивностью, накопление высоких концентраций свинца в экосистемах приводит к нарушению природных геохимических циклов, а накопление свинца в воде приводит к отравлению и гибели некоторых видов водных организмов и водоплавающих птиц (UNEP 1992).
Свинец известен почти пять тысяч лет, и о его токсичности для человека знали уже греческие и арабские ученые. Высокий уровень отравления свинцом отмечали у римлян, поскольку они хранили вина и готовили пищу в свинцовой посуде, Гойя, как и другие художники страдал от вдыхания и случайного попадания в пищу свинцовых красок. Накопление микроэлементов в природных экосистемах началось одновременно с открытием огня. Уже пещерные люди использовали для окрашивания охру, а в Ранний Архаичный период для раскрашивания тела и при различных культовых церемониях использовали галенит (PbS). В Бронзовом Веке люди постепенно отравляли свой организм, употребляя пищу, воду и вино, которые хранились в свинцовых сосудах. В атмосфере содержание тяжелых металлов сильно возросло после начала разработок горнорудных месторождений и открытии технологий обработки металлов. В период Римской империи после открытия техники добычи металлов из руды, производство свинца уже превышало 100,000 метрических тонн в год. В 16 веке появились печи с высокими дымовыми трубами, что значительно расширило территории, подверженные загрязнению. Так загрязняющие вещества, выброшенные в воздух в Великобритании и Центральной Европе, достигали отдаленных районов Скандинавии.
В наше время, повышенное содержание свинца представляет опасность для детей из-за того, что они часто соприкасаются с предметами, окрашенными свинцовыми красителями, играют с использованными батарейками, мастерят что-нибудь из журнальных листов (в красителях для цветной печати содержится 0.4% свинца). Но самую большую опасность представляет собой воздух, загрязненный выхлопами машин, содержащими продукты сгорания тетраэтилсвинца, который добавляется в бензин для повышения октанового числа топлива. Сегодня в теле человека содержится свинца в десятки раз больше, чем в египетских мумиях. Хроническое отравление свинцом приводит постепенно к нарушениям в работе почек, анемии, препятствует биосинтезу.
Исходные материалы, используемые в работе
Основной задачей данной работы является оценка компонентов атмосферного баланса свинца, распределения антропогенных потоков и формирования региональных уровней загрязнения атмосферы свинцом над территорией России.
Для решения данной задачи с использованием существующих статистических методов в работе проведен анализ пространственного распределения и временных трендов приходной и расходной компонентов атмосферного баланса свинца - эмиссии, атмосферного переноса и потоков на подстилающую поверхность. Исследование распределения антропогенных потоков и формирования региональных уровней загрязнения атмосферы свинцом проведено с использованием разработанной автором вероятностной климатической модели дальнего переноса свинца.
При проведении исследования использованы следующие материалы: I. Для аналитической оценки компонентов атмосферного баланса свинца в части Вся используемая информация объединена в разработанную автором электронную базу данных, содержащую как тематически сгруппированные исходные данные, так и макросы для расчетов, статистического анализа и визуализации результатов. База данных выполнена с использованием программной среды Microsoft Exel,
Основная идея построения баланса примеси в атмосфере состоит в необходимости рассмотрения целостной картины жизни вещества в атмосфере - от источника до стока, и взаимодействия различных аспектов, влияющих на поведение вещества в атмосфере.
Обычно под балансом или бюджетом подразумевается сумма входящих и исходящих потоков внутри некой геофизической ячейки. Если блок хорошо сбалансирован, то суммы входящих и исходящих потоков одинаковые, т.е. блок находится в состоянии равновесия или стабильности. Применительно к поставленной задаче, под оценкой баланса примеси в атмосфере подразумевается исследование суммы входящих и исходящих потоков в приземной атмосфере над территорией России: нижняя граница - подстилающая поверхность, верхняя граница — высота слоя перемешивания, боковые границы — административные границы России. С учетом современного административного устройства России оценка баланса свинца в атмосфере проводилась для семи федеральных округов Российской Федерации: Северо-Западного, Центрального, Приволжского, Южного, Уральского, Сибирского и Дальневосточного, а так же для России в целом.
Несмотря на высокую мобильность, атмосфера не является гомогенной средой. Во-первых, атмосфера может быть разделена на вертикальные слон, каждый из которых отличается по химическому составу, физическим и динамическим характеристикам. Во-вторых, в горизонтальном разрезе, в атмосфере происходит постоянная смена воздушных масс, различных по происхождению и физическим свойствам. В-третьих, с точки зрения влияния антропогенной деятельности, атмосфера может быть разделена на отдельные блоки по уровню загрязнения.
Для наиболее точного восстановления атмосферного баланса некой субстанции и, учитывая вертикальную и горизонтальную неоднородность атмосфер, принято рассматривать атмосферу как совокупность индивидуальных блоков, характеризующихся относительной однородностью свойств. Любой из таких блоков может быть охарактеризован с помощью входящих и выходящих потоков. Баланс потоков внутри каждого блока состоит из адвективных потоков, регулирующих взаимодействие данного блока с соседними, а так же выброса вещества от источников, осаждения вещества на подстилающую поверхность, превращение вещества в результате химических реакций.
В случае если баланс не сходится, количественная оценка всех источников и стоков позволяет идентифицировать недостающие сведения. Расхождение баланса часто объясняют ошибками в оценке мощности источников или стоков примеси. Сравнение индивидуальных потоков позволяет оценить те критические процессы, которые определяют поведение системы в целом.
Основными компонентами баланса консервативной примеси в атмосфере, рассматриваемого в работе на примере баланса свинца, являются: выбросы в атмосферу от природных и антропогенных источников; перенос в атмосфере за счет процессов адвекции локального, регионального и глобального масштабов. Перенос примеси через границу области моделирования, совпадающей в данной работе с географической границей России; выведение из атмосферы за счет механизмов сухого и влажного выпадения. Для решения задачи оценки компонентов атмосферного баланса свинца над территорией России в работе были проведены: анализ и обобщение данных об антропогенной эмиссии свинца от стационарных промышленных и передвижных источников на территории России и трансграничных потоках; анализ полей концентрации свинца в воздухе и осадках по наблюдениям на постоянно действующих станциях мониторинга; анализ потоков сухого и влажного выпадения свинца на подстилающую поверхность; аналитическая оценка компонентов баланса свинца на территории России по имеющимся данным.
Для анализа и обобщения данных об антропогенной эмиссии свинца от стационарных промышленных и передвижных источников на территории России использовались стандартные статистические методы оценки данных: построение временных трендов, расчет тенденций изменения выбросов, корреляционные зависимости. Так же проводился анализ распределение выбросов по группам источников и по территории России.
В работе проанализирована информация о выбросах свинца в Росси по данным официальной статистики, данным, подготовленным Российской Федерацией в рамках выполнения международной конвенции по трансграничному переносу примеси в атмосфере, и по независимым аналитическим научным оценкам, называемым в дальнейшем «экспертными».
Все три источника имеют свои плюсы и минусы. Официальные данные Госкомстата являются обобщением отчетов предприятий промышленности и электроэнергетики, представляемых по форме статистической отчетности 2-ТП «Воздух». Несмотря на то, что все предприятия обязаны представлять отчет об охране атмосферного воздуха, на практике список предприятий, вошедших в сводный отчет Госкомстата, из года в год изменяется и является далеко не полным.
Активные исследования в области изучения загрязнения природной среды тяжелыми металлами были начаты в России в 90-х годах XX столетия, что в значительной степени было связано с обязательствами, взятыми Российской Федерацией в соответствии с Протоколом по тяжелым металлам к Конвенции 1979 года о Трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. По протоколу, каждая из стран участниц обязана ежегодно предоставлять данные об общих выбросах тяжелых металлов на своей территории и пространственном распределении выбросов по квадратам сетки ЕМЕП 50x50 км (ЕМЕР report, 1999). На территории России сетка ЕМЕП распространяется до 62 восточной долготы, поэтому все оценки выбросов, выполненные для России в рамках программы ЕМЕП, в основном, ограничиваются Европейской территорией. По сравнению с данными, публикуемыми в официальных российских справочниках, в отчеты, подготовленные в рамках выполнения обязательств по Конвенции, включены выбросы свинца от автотранспорта и ряда предприятий, не учитываемых в официальной статистике. Однако к недостаткам этого источника является неполнота охвата территории России, а также неполный учет всех источников эмиссии.
Основные источники поступления свинца на территории России, пространственная и временная структура выбросов
Для проведения оценки пространственного распределения выбросов свинца на территории России в качестве реперного выбран 1990 год. Этот год выбран в качестве базового по ряду причин, во-первых, как последний год, для которого была проведена полная инвентаризация выбросов от промышленных источников Госкомстатом СССР; во-вторых, после 1990 года в России начался спад промышленной деятельности и, как следствие, снижение выбросов загрязняющих веществ; в-третьих, 1990 год используется в качестве базового, при проведении инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в ряде международных программ и соглашений. Например, в Протоколе по тяжелым металлам к Конвенции 1979 года о Трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (Протокол, 1998) в соответствие с одним из основных обязательств сторон, страны должны сократить выбросы трех наиболее экологически значимых металлов — свинца, кадмия и ртути до объемов, ниже уровня 1990 г. В работе для проведения анализа временного тренда выбросов свинца на территории России используются так же данные за период с 1988 по 2003 гг.
Наибольший вклад в выбросы свинца от стационарных источников в России приходится на долю предприятий металлургии, что определяется спецификой их производственной деятельности: непосредственное производство свинца и его соединений, попутное извлечение свинца из сырья, очистка получаемой продукции от свинца. По данным Госкомстата России (Ежегодник, 1997), в 1995 году на долю предприятий цветной металлургии приходилось около 84% общего выброса свинца от стационарных источников, а на долю всей металлургической промышленности, включая черную металлургию, машиностроение и металлообработку — 96%. Сравнительно небольшие выбросы свинца от предприятий черной металлургии определяются незначительным содержанием свинца в сырье, используемом в доменном, мартеновском и электро-плавительном переделах.
Из существующих на территории России 39 предприятий цветной металлургии в данные официальной статистики, ежегодно публикуемые в Ежегодниках выбросов загрязняющих веществ в атмосферу городов и регионов Российской Федерации (Ежегодник, J 997-2004), включены только 5 предприятий, на долю которых приходится около 94% промышленных выбросов свинца. В 1990 году на территории России среди городов, предприятия которых выбрасывают наибольшее количество свинца были отмечены Крабаш (Челябинская область), Ревда и Кировград (Свердловская область). Наибольшее количество свинца (99,9%) выбрасывается в этих городах предприятиями Минцветмета. По данным за 1995 г (РЭФИА, 1997) годовые выбросы Среднеуральского медеплавительного завода, г. Ревда составили 291 т, АО «Святогор» - Красноуральский медеплавительный комбинат — 170 т, Кировградский медеплавительный комбинат - 114 т, АО «Дальполиметалл» (г. Дальнегорск, Приморский край) - 28 т и завод «Электроцинк» - 16 т.
Динамика выбросов в городах, в которых хотя бы в один из годов рассматриваемого периода выброс свинца превышал 10 т, приведена в Таблице 3.1.1. Как видно из анализа данных таблицы, по данным официальной статистики, в большинстве из приведенных городов объемы выбросов из года в год значительно варьируются, а в некоторые годы дынные по выбросам в городах, вносящих значительный вклад в суммарные выбросы по стране, вообще не приводятся. Города, вносящие наибольший вклад в формирование антропогенного поля эмиссии свинца на территории России, расположены в Уральском федеральном округе.
Половину производимого в стране свинца используют для производства аккумуляторов в машиностроении. Суммарные выбросы 7 аккумуляторных заводов, по данным РЭФИА (1997), составили в 1995 г. около 38,2 т свинца.
В топливном комплексе выбросы свинца обусловлены производством этилированного бензина, а в энергетическом - сжиганием топлива, в основном углей. Расчеты, сделанные авторами Доклада о свинцовом загрязнении окружающей среды РФ (РЭФИА, 1997) на основе официальных статистических данных потребления топлива в 1993 году, показали, что при сжигании органического топлива в атмосферу выбрасывается около 400 т свинца в год. Результаты экспертных оценок эмиссии свинца по отдельным отраслям промышленности показали, что суммарные выбросы свинца на территории России при сжигании органического топлива от теплоэлектростанций и от распределенных источников в 1990 году составили 461,3 т, а в 1993 году - 400 т (Tsibulskii et.al, 1997). Основная доля выбросов от электроэнергетики обусловлена эмиссией от электростанций, работающих на угле, которая в 1990 году оценивается в 390 т. {Гинзбург, Громов, 1999).
В химической промышленности выбросы соединений свинца связаны с производством пигментов, сиккатитов, специальных стекол, смазок, присадок к автомобильному бензину, полимеризацией пластмасс и др. Этиловая жидкость на основе тетраэтилсвинца вырабатывается только одним предприятием в городе Дзержинске Нижегородской обл. - АО «Синтез». В лакокрасочном производстве свинцовые пигменты используются все в меньших количествах. По оценочным данным, в целом, выбросы в атмосферу соединений свинца от предприятий лакокрасочной промышленности составляют около 20 т. (РЭФИА, 1997). Выбросы свинца стекольными предприятиями в целом по России оцениваются в 100-200 т/год. Поступление свинца в атмосферу происходит также от предприятий оборонной промышленность, например, при производстве свинец-содержащих боеприпасов, нанесении свинцовых покрытий и других специальньтх работах. Только лакокрасочные, пропиточные и эмалировочные работы на предприятиях оборонной промышленности создают эмиссию свинца и его соединений до 150 т/год, без учета имеющих ограниченное применение составов с высоким удельным содержанием свинца.
Все данные о выбросах свинца, как в статистических справочниках, так и в научных публикациях, приводятся в целом за год. Анализ сезонной изменчивости антропогенных выбросов тяжелых металлов, выполненный Метеорологическим Синтезирующим Центром -Восток (МСЦ-В) (Ryaboshapko et al., 1999а\ показал, что максимум эмиссии свинца в Европе приходится на лето (на 9% выше среднегодового значения). В работах по определению нагрузок выпадения свинца на подстилающую поверхность, по данным мониторинга снежного покрова в результате экспериментальных работ, проведенных на Европейской территории России, иоказано, что интенсивность летних и зимних выпадений практически одинакова. Сезонная изменчивость концентраций свинца в воздухе и осадках, проведенная так же в Главе 4 данной работы на основе наблюдений на станциях комплексного фонового мониторинга, показывает, что для большинства фоновых регионов России наиболее высокая концентрация свинца характерна для холодного сезона. В связи с неоднозначностью полученных результатов о сезонной изменчивости выбросов свинца, в работе принято условие равномерного распределения эмиссии в течение года.
По данным Госкомстата, опубликованным в Ежегодниках (1989, 1990, 1991,1997, 1998, 1999), в связи с падением уровня производства, начиная с конца 80-х годов XX века, уровень выбросов свинца и его соединений имеют устойчивую тенденцию к снижению (рис. 3.2.1). Однако, начиная с 1998 года в большинстве регионов России, так же как и в целом по стране началось постепенное увеличение объема выбросов свинца. Так, в начале изучаемого периода, в 1988-1989 гг., общий выброс свинца на территории России по официальным данным Госкомстата составлял соответственно 2400 - 2900 т/год, затем объем выброса стал значительно снижаться в среднем на 300-500 т в год, что составляло 16-20 % годового падения выбросов. К 1995 году объем выбросов стабилизировался на уровне около 800-900 т в год, но, несмотря на то, что по абсолютным значениям снижение выбросов свинца в период 1994-1998 гг. не превышало 100 т в год, относительное ежегодное снижение эмиссии в эти годы составляло 10-18%. Наименьший объем выбросов свинца в России приходится на 1998 год - 700 т.
Система мониторинга загрязнения воздуха и осадков свинцом в России
Наблюдения за загрязнением воздуха и осадков нерадиоактивным свинцом и его соединениями проводятся в России на станциях комплексного фонового мониторинга загрязнения окружающей природной среды, расположенных в основном в биосферных заповедниках; на некоторых из станций сети наблюдений за химическим составом осадков и на постах сети наблюдений за состоянием городского воздуха.
В городах уровень загрязнения воздуха свинцом в основном определяется воздействием автотранспорта, до 80-85% выбросов от которого не переносятся на дальние расстояния, и, таким образом, не вносят существенного вклада в региональный баланс свинца в атмосфере. Поэтому в данной работе результаты наблюдений за загрязнением воздуха свинцом в городах не использовались при оценке расходной компоненты баланса свинца в атмосфере. Некоторые данные о загрязнение воздуха в городах России приведены в работе для характеристики воздействия городов и сравнения фоновых и городских концентраций свинца в атмосфере.
Понятия "фоновый мониторинг" и "фоновый уровень загрязнения" достаточно часто употребляется в научной и проектной литературе для характеристики состояния внегородской природной среды или для сравнения уровней загрязнения в городе или вблизи промышленных объектов с типичными для этого района "фоновыми" характеристиками. При создании системы фонового мониторинга ставилась задача наблюдения за состоянием загрязнения эталонных (ненарушенных) природных территорий, расположенных на значительном расстоянии от крупных урбанизированных и промышленных центров и отражающих, таким образом, не локальный, а региональный и даже глобальный уровень загрязнения (Rovinsky etal, 1987).
На станциях Сети Комплексного Фонового Мониторинга (СКФМ) проводятся измерения загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды, включая воздух, осадки, поверхностные воды, донные отложения, почву, снежный покров и биоту. Основываясь на биогеографическом зонировании, при создании сети на территории России планировалось открыть 16 станций фонового комплексного мониторинга для определения фонового уровня загрязнения природной среды, характерного для каждого из существующих типов крупномасштабных биогеографических экосистем. Однако, максимальное количество станций за весь период работы СКФМ, действующих на территории России - 9. Расположение станций фонового мониторинга представлено на рисунке 2.1.2 (Глава 2). На большинстве станций измерение содержания свинца проводятся во всех компонентах природной среды, включая воздух, осадки, снежный покров, поверхностные воды, почву, донные отложения и растительность. Частота измерений значительно изменяется в зависимости от природной среды, в которой проводятся наблюдения. Для выявления загрязнения воздушной среды, характеризующейся наибольшей динамичностью, проводятся ежедневные наблюдения. Измерения в поверхностных водах проводятся один раз в год, в осадках - каждую декаду, в почве, донных отложениях и растительности - один раз в 1-3 года. В лабораториях станций СКФМ для определения содержания свинца в пробах проводится предварительное концентрирование (экстрагирование с хелатными комплексами или выпаривание) образцов с последующим использованием атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС). Предел обнаружения для свинца в пробах атмосферных осадков составляет 0,01 нг/м , а среднее квадратичное отклонение не превышает 20%.
В данной работе для анализа состояния загрязнения атмосферы нерадиоактивным свинцом, а также для оценки расходной компоненты баланса свинца в атмосфере над территорией России проанализированы данные фоновых и региональных станций мониторинга. Периоды наблюдений за содержанием свинца в воздухе и осадках на СКФМ приведены в таблицы 2.1.1. (Глава 2), а распределение станций по федеральным округам России, используемое для проведения оценок региональных различий уровня загрязнения воздуха и осадков свинцом, в Таблице 2.1.2 (Глава 2).
Анализ изменения уровня загрязнения воздуха свинцом, по данным мониторинга в фоновых регионах России за период с 1983 по 2004 гг., показывает, что устойчивый спад уровня концентраций свинца в воздухе наблюдается с конца SO-х годов, однако в середине 90-х годов XX века и в первые годы XXI века наблюдалось увеличение концентраций (рисунок 4.2.1). В начале 80-х годов на всех станциях, на которых проводились измерения, наблюдались максимальные значения среднегодовых концентраций свинца в воздухе за весь рассматриваемый период. Вторая половина 80-х годов характеризовалась значительным снижением концентрации, сменившаяся в 90-92 гг. небольшим повышением уровней загрязнения атмосферы свинцом в большинстве фоновых регионов России. Наименьшие концентрации за весь период проведения мониторинга наблюдались в середине 90-х годов (1994 г) и в 2000 году, а во второй половине 90-х годов было отмечено небольшое повышение уровня загрязнения. В последние годы, после 2000 года, наблюдается устойчивое увеличение концентрации свинца в воздухе фоновых районов.
В первое десятилетие проведения наблюдений (до 1994 г.) в большинстве регионов наблюдались значимые отрицательные тренды концентрации. При линейной аппроксимации, величина достоверности аппроксимации отрицательного линейного тренда среднегодовой концентрации свинца за 10 лет с 1985 по 1994 гг. для Приокско-Террасного БЗ составляет R2=0,89, для Воронежского БЗ - R2=0,86, для Сихотэ-Алиньского БЗ - R2=0,76, для Астраханского БЗ - R =0,69, для Кавказского БЗ - R =0,64. В Баргузинском БЗ за весь период наблюдений среднемесячные концентрации свинца в воздухе не превышали 4 нг/м3, поэтому изменение среднегодовой концентрации в пределах 2-3 нг/м3 может быть вызвано ошибкой определения или осреднения. В период с середины 80-х годов до 1990 года снижение уровня загрязнения воздуха свинцом составило на СКФМ в Приокско-Террасном БЗ 11 нг/м3 (или 62% от максимального уровня), а в период с 1990 по 1994 годы - 4 нг/м3 (или 56% от максимального уровня за данный период). В Кавказском БЗ за указанные периоды концентрация свинца в воздухе снизилась на 3,5 и 2,5 нг/м" соответственно, что соответствует 41 и 52% от максимальных значений, наблюдаемых в соответственные периоды. В Сихотэ-Алиньском БЗ после 1990 года наблюдения не проводились, а снижение концентрации свинца в воздухе от максимального наблюдаемого в 1986 году уровня до 1990 года составило 11 нг/м или 79%. В Астраханском БЗ максимальный среднегодовой уровень загрязнения воздуха свинцом за весь период наблюдений был отмечен в 1990 году, а снижение концентрации к 1994 году составило 8,5 нг/м3 или 84% от уровня 1990 года. Таким образом, в фоновых районах на большинстве территории России, начиная с середины 80-х годов XX века, наблюдалось снижение концентрации свинца в атмосфере, характеризующееся значительным снижением абсолютного уровня среднегодовых концентраций до 1990 года (до 11 нг/м от максимального наблюдаемого уровня).
