комплексом вредных химических веществ [115]
| Степень загрязнения атмосферного воздуха | Величина комплексного показателя «Р» при числе загрязнителей атмосферы | |||
| 2–3 | 4–9 | 10–20 | 20 и более | |
| I – допустимая | до 1,0 | до 1,9 | до 3,1 | до 4,4 |
| II – слабая | 1,1–2,0 | 2,0–3,0 | 3,2–4,0 | 4,5–5,0 |
| III – умеренная | 2,1–4,0 | 3,1–6,0 | 4,1–8,0 | 5,1–10,0 |
| IV – сильная | 4,1–8,0 | 6,1–12,0 | 8,1–16,0 | 10,1–20,0 |
| V – опасная | 8,1 и выше | 12,1 и выше | 16,1 и выше | 20,1 и выше |
Методы моделирования пространственного распределения техногенных веществ в воздухе достаточно разнообразны и направлены в основном на расчет концентраций примесей по данным о параметрах выбросов и условиях их рассеивания, а также на основании различных статистических закономерностей.
Сочетание природных факторов, обусловливающих высокий уровень содержания техногенных примесей в воздухе, учитывается при расчете потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) той или иной территории. ПЗА рассчитывается на основе средних многолетних данных стационарных метеонаблюдений и показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферного воздуха в данном районе, для которого характерна определенная повторяемость неблагоприятных для рассеивания примесей метеоусловий, будет отличен от некоторого района, условия в котором приняты за эталон. Для расчета ПЗА используют такие климатические параметры, как повторяемость приземных инверсий, слабых ветров, застоев воздуха и туманов [121]. Более динамичным и достаточно простым для расчета показателем является метеорологический потенциал загрязнения атмосферы (МПА), предложенный Т.Г. Селигей [122]:
МПА = (Рсл + Рт) / (Ро + Рв),
где Рсл – повторяемость слабых ветров (0-1 м/с); Рт – повторяемость дней с туманом; Ро – повторяемость дней с осадками 0,5 мм и более; Рв – повторяемость скорости ветра 6 м/с и более.
Разработан ряд математических моделей и прикладных программ для расчета рассеивания выбросов от стационарных и передвижных источников с учетом природных факторов территории. Из них наиболее часто используют комплексные вычислительные программы «ЭКОЛОГ». Полученные динамические модели показывают перемещение опасного ореола загрязненного воздуха по городу в зависимости от силы и скорости ветра, расстояния от источника, рельефа поверхности с указанием вкладов в эти концентрации основных предприятий-эмиттеров и транспорта. Однако при выполнении подобных расчетов невозможно учесть влияние неоднородности территории, связанной с ландшафтно-планировочной структурой урбанизированного пространства (наличием сложных элементов рельефа, застройки, системы озеленения, дорог и др.) [97].
Расчетные методы применяются также для характеристики дисперсного состава пыли, содержащейся в атмосферном воздухе. Выявлено, что взвешенные частицы являются значительным фактором риска для здоровья населения городов. Установлено, что чем меньше частицы пыли, тем дольше они находятся в воздухе в виде аэрозоля и тем больше вероятность их поступления в дыхательные пути человека; в качестве порогового размера пылевых частиц обычно рассматривается их аэродинамический диаметр 10 мкм [123]. Основная масса микроэлементов в атмосфере концентрируется на пылевых частицах. При этом элементы с относительно высокими кларками (марганец, цинк, хром, медь) связаны со средне- и крупнодисперсными частицами пыли, а наиболее токсичные элементы с низкими кларками (кадмий, свинец, сурьма, мышьяк, ртуть) находятся преимущественно в мелкой фракции (менее 0,05 мкм) или паро-газовой фазе аэрозоля [97].
Для того, чтобы объективно оценить уровень содержания взвешанных частиц в воздухе, необходима достоверная информация о выбросах пыли от стационарных и передвижных источников. В настоящее время в большинстве стран для оценки выбросов твердых веществ с дифференциацией частиц по дисперсному составу используется методика расчета удельных показателей выбросов [124].
Геохимические методы используют для изучения химического состава сопряженных с воздухом сред (снега, осадков, растительности, почв) и по их состоянию 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 [125]. Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из атмосферы на земную поверхность значительную часть продуктов техногенеза.
Опробование снега проводится перед началом таяния на всю его мощность специальными пробоотборниками. Сплошной снежный покров позволяет проводить массовое площадное опробование территории города и его окрестностей по регулярной, полурегулярной сети или векторным способом. Достоверные пространственные структуры загрязнения получают при взятии одной пробы на 1 км2 на открытых площадках, удаленных на 150–200 м от воздействия автотранспорта или других локальных источников. На каждой учетной площадке величиной от 25*25 до 100*100 м (в зависимости от местных условий) плотномером отбираются единичные пробы снега (керны) по всей площади выбранной площадки на полную глубину снежного покрова – не менее 6 кернов на учетную площадку.
Важным методическим приемом является оптимальное размещение сети опробования, чтобы при минимальном числе проб (оно ограничено в первую очередь сложностью отбора и хранения) получить наиболее представительную выборку как для характеристики загрязнения города в целом, так и основных элементов структуры загрязнения. Рекомендуется, в частности, размещение площадок опробования в местах, в наименьшей степени подверженных перемещению пыли или наметанию сугробов снега. Опыт показал, что в городских условиях, особенно в промышленных районах и центре, практически невозможно выбрать место для отбора, удовлетворяющее всем требованиям. В таких случаях необходимо исходить из принципа минимизации возможных погрешностей.
Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют. Содержание химических элементов определяется обычно в двух фазах снежной пробы – растворенной и твердой (пыль), оставшейся на фильтрах. Анализ растворенной фазы дает информацию о пространственном распределении наиболее подвижных водорастворимых форм химических элементов, а на твердых частицах концентрируются элементы полуподвижной и неподвижной форм соединений (сорбированных, карбонатных, гидроксидных и др.). Техногенные аномалии этих форм нахождения имеют разные площадь, контрастность и элементный состав.
На долю пылевой фракции приходится обычно 70–80 % элементов в пробах снега. Для того чтобы определить массу элемента, поступившего на территорию города в составе пылевых выпадений, рассчитывают показатель общей пылевой нагрузки элемента:
Робщ= С * Рп (мг/км2 год),
где С – концентрация химического элемента в снежной пыли, мг/кг; Рп – пылевая нагрузка, кг/км2год.
Для сопоставления полученных данных с характеристикой пылевых выпадений на фоновой территории рассчитывают коэффициент относительной пылевой нагрузки элемента:
Кр = Робщ / Рф, при Рф = Сф * Рп ф, где
РФ – нагрузка элемента в составе твердых выпадений на фоновой территории; Сф – фоновое содержание исследуемого элемента; Рп ф – пылевая фоновая нагрузка.
Для характеристики полиэлементных техногенных аномалий, обусловленных пылевыми выпадениями, определяют суммарный показатель нагрузки:
Zp= ΣKp - (n - 1),
где n – число элементов с Kp >1,5. Уровень суммарной пылевой нагрузки считается низким, при Zp <100, повышенным – при Zp = 100–200; высоким – при Zp =200–300; очень высоким при Zp >300.
На урбанизированных территориях химический состав снега подвергается значительной техногенной трансформации. В крупных городах и промышленных центрах увеличивается минерализация снеговых вод, меняется их химический состав – возрастает доля хлоридов, сульфатов, катионов натрия и железа с превышением фона в десятки раз. Изучение состава и пространственного распределения микроэлементов в снежном покрове позволяют индицировать местоположение источников выбросов техногенных веществ. При этом растворимые и минеральные формы соединений металлов имеют разное индикационное значение [97].
Биологические методы достаточно часто используют для диагностики трансформации состава атмосферного воздуха. Наиболее часто применяют лихеноиндикацию, оценивающую степень загрязнения атмосферы по накоплению поллютантов в растениях-индикаторах, а также по изменению структуры сообществ эпифитных лишайников [103, 126].
Поверхностные и подземные воды. Трансформация химического состава водных потоков города зависит как от природной специфики водных объектов, так и интенсивности и характера антропогенного воздействия. Под влиянием техногенных факторов испытывает разномасштабные изменения гидрохимический режим рек, принимающих стоки городов: трансформируется химический состав вод водоемов и малых водотоков; условия формирования поверхностного стока в городах существенно отличаются от фоновых.
Важным звеном оценки техногенной трансформации водных потоков города является гидрохимическая характеристика поверхностного стока. Химический состав данных вод отражает общую картину геохимической нагрузки на городскую территорию. Несмотря на то, что воды поверхностного стока близки по составу к бытовым и производственным сточным водам, они без очистки отводятся в канализацию или ливневые коллекторы, где очищаются от механических примесей и взвешенных веществ и далее попадают в городские водоемы и водотоки.
Поверхностный сток формируется в результате поступления на городскую территорию атмосферных осадков и талых вод. Высокая доля непроницаемых территорий (крыш зданий, заасфальтированных и забетонированных поверхностей) обусловливает повышенный уровень стока даже во время небольшого дождя. Снижение инфильтрации атмосферных осадков приводит к ускорению стока и повышению его пика, увеличению объема и интенсивности [127].
Воды поверхностного стока существенно отличаются от фоновых по ионному составу, степени минерализации, содержанию загрязняющих веществ. Многочисленные исследования показали, что минерализация вод может достигать значений 1г/л и выше; содержание ионов хлора, сульфатов, нитратов, фосфатов, натрия, калия может превышать в десятки и сотни раз фоновые значения. В период снеготаяния, когда растворяются противогололедные смеси, воды становятся хлоридно-натриевыми по составу.
При оценке качества вод поверхностного стока с городских территорий учитывают следующие основные показатели: содержание взвешенных веществ, хлоридов, тяжелых металлов, ПАУ, а также БПК5 и коли-индекс. По данным [128], с территории Минска с поверхностным стоком в речную сеть выносится 1088,6 т в год взвешенных веществ и 5,46 т нефтепродуктов. В стоке с благоустроенных территорий концентрация приоритетных загрязнителей оценивается следующими величинами: БПК5 – 30 мгО2/дм3, нефтепродуктов (эфирорастворимые вещества) – 12 мг/дм3, взвешенных веществ – 900 мг/дм3, в промышленных районах города в воде кроме этого содержится большое количество хлоридов и аммонийного азота, концентрации тяжелых металлов варьируют в широких пределах и могут отличаться на порядок и более в зависимости от условий формирования стока.
Присутствуют в водах поверхностного стока городов синтетические органические загрязнители – фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), полихлорированные бифенилы (ПХБ). В ряде случаев они усиливают миграцию тяжелых металлов за счет образования растворимых комплексных соединений. Поэтому в отличие от фоновых вод в загрязненных поверхностных водах города увеличивается содержание кадмия и никеля в опасной растворимой форме, главным образом органической, образующих с ПАВ устойчивые соединения. Наоборот, для ртути, меди, цинка, свинца увеличивается доля их содержания в виде техногенной взвеси, в которой они находятся в относительно подвижной форме сорбционно-карбонатных, органических и гидроксидных соединений [94].
Поступление поверхностного (ливневого) и хозяйственно-бытового стока в реки и водоемы приводит к значительной гидрохимической трансформации природных вод. При этом концентрации загрязняющих веществ иногда возрастают настолько, что снижают качество вод и нарушают способность водоема или водотока к самоочищению (рис. 21.8).
Рис. 21.8. Среднегодовое содержание фосфора фосфатного в воде р. Днепр в 2009 г.
Основными гидрохимическими показателями состава вод являются общая минерализация, содержание взвесей, растворенного кислорода, основных макро- и микрокомпонентов. Для оценки качества водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения используется классификация, в соответствии с которой выделяется четыре степени загрязнения: допустимая, умеренная, высокая, чрезвычайно высокая. Для каждой степени установлены критерии по органолептическому, токсикологическому, бактериологическому и санитарному показателям.
Наиболее общим показателем качества вод является индекс загрязнения вод (ИЗВ). Полученный расчетным путем, он не раскрывает сущности взаимодействия элементов-загрязнителей, но позволяет выявить направленность процесса загрязнения природных вод. Значение ИЗВ рассчитывается по формуле:
ИЗВ = С1 / ПДК +… + С6 / ПДК,
где С1 – среднегодовая концентрация каждого из шести приоритетных загрязняющих веществ (растворенный кислород, БПК5, азот аммонийный, азот нитритный, нефтепродукты и цинк); ПДК – предельно допустимая концентрация соответствующего загрязняющего вещества.
Степень загрязнения вод определяется по величине ИЗВ с помощью единых критериев оценки (табл. 21.9).
Таблица 21.9
