Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
В более сложной ситуации, когда спектр загрязнений достаточно широк, разграничение загрязнителей по их физическим характеристикам
позволяет синтезировать сложную модель и тем самым упрощать процедуру расчета динамических характеристик загрязненной атмосферы
.
Физические характеристики атмосферных загрязнений включают
также скорость гравитационного оседания, время жизни в атмосфере,
фазовое состояние. Некоторые из газообразных компонентов воздуха,
такие как N
жительное время жизни, другие – CO
жизни от нескольких до десятков лет, а H
CO, HCl и I
Диоксид углерода 5 лет
Монооксид углерода 0,1–3 года
Водяной пар 10 суток
Диоксид серы 3 суток
Озон 10 суток
Хлористый водород 3–5 суток
Монооксид азота 5 суток
Диоксид азота 5 суток
Закись азота 120 лет
Аммиак 2–5 суток
Метан 3 года
Фреоны 50 – 70 лет
, O2, He, Ne, Ar, Kr, Xe и H2 имеют чрезвычайно продол-
2
, O3, N2O и CH4 имеют время
2
O, NO2, NO, NH3, SO2, H2S,
2
– лишь несколько дней или недель (см. табл. 2.4) [14].
2
Таблица 2.4
Времена жизни некоторых компонентов атмосферы
Компонент Время жизни
Авторы вышеуказанной работы [11] указывают, что для выбора типа
модели динамики загрязненной атмосферы важным является размер
частицы загрязнителя. Указанная в табл. 2.5 градация лишь частично
охватывают возможную классификацию аэрозолей. К этому необходимо добавлять информацию об источнике загрязнителя, который доопределяет параметрическое пространство модели. Знание причины возникновения ситуации загрязнении облегчает выбор типа модели. Одних
типов дыма насчитываются десятки. Размеры частиц дыма могут принимать значения 1…0,01 мкм для смоляного дыма, 0,15…0,01мкм для
табачного дыма и т.д. Средний пробег частицы углеродистого дыма за
t с равен 0,00068 t/D см (D – коэффициент диффузии). Наполнение базы
данных системы мониторинга такими зависимостями является одной из
приоритетных проблем экоинформатики.
81
При моделировании рассеивания газов и частиц в атмосфере важно
знать различие между загрязненной и незагрязненной атмосферой. Также необходимо иметь в виду вертикальную неоднородность атмосферы.
Таблица 2.5
Размеры частиц атмосферных аэрозолей (аэродисперсных систем)
естественного и техногенного происхождения
Аэродисперсная система Диаметр частиц, мкм
Дождевые капли 5000...500
Естественный туман 500...40
Естественная мгла 40...1,0
Пыль
Песок с литейных заводов 2000...200
Известняки, удобрения 800...30
Песчаные отбросы от флотации 400...20
Распыляемый уголь 400...10
Сульфидная руда для флотации 200...4
Пыль литейных заводов 200...1
Цемент 150...10
Летучая зола 80...3
Песчаная пыль 10...0,5
Красители 8...1,0
Споры растений 30...10
Бактерии 15...1,0
Дым, пары, туман
Металлургический дым 100...0,1
Туман концентратора серной кислоты 10...0,1
Испарение спирта 2...0,1
Туман SO3 3...0,5
Пары NH4Cl 2...0,1
Значительны по масштабам и антропогенные загрязнения гидросферы. В водоемы суши поступает сотни наименований загрязняющих веществ, в том числе нефтепродукты, ядохимикаты, органические и неорганические соединения тяжелых металлов и др. Эти вещества загрязняют не только поверхностные, но и подземные воды.
Загрязнение вод Мирового океана связано как с речными стоками
(локальное и региональное загрязнение), так и с атмосферными осадками. Расчеты показывают, что ежегодно в Мировой океан попадает
более 27 млн т различных веществ, из них с твердым веществом речного стока выносится примерно 17 млн т, а с растворенным веществом речного стока – 3,4 млн т [18].
82
Для большой группы загрязнений (тяжелые металлы, углеводороды и др.) вклад атмосферного источника составляет примерно
80…90 % суммарного поступления этих веществ в Мировой океан. В
табл. 2.6 приведены концентрации ртути, кадмия и свинца в водах
Мирового океана.
Таблица 2.6
Концентрация ртути, кадмия и свинца в водах Мирового океана, мкг/л
Район Ртуть Кадмий Свинец
Северная Атлантика – 0,2...0,5 0,23...2,23
Северо-западная Атлантика – – 0,1...0,8
Северо-восточная Атлантика 0,088 0,11 –
Тихий океан 0,06...3,6 – –
Балтийское море 0,2...5,0 0,05...5,0 0,3...10,0
Северное море 0,01...0,06 0,1...0,7 0,5...2,8
Средиземное море – 5...40 170...340
Попытка определить приоритетность загрязняющих веществ,
подлежащих контролю на различных уровнях, была предпринята еще
в середине 80-х годов ХХ столетия на Первом международном (межправительственном) совещании по мониторингу в Найроби (одновременно с разработкой Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС), исходя из следующих критериев:
– размер фактического или потенциально возможного воздействия на здоровье человека, на климат и экосистемы (сухопутные и
водные);
– склонность к разрушению в окружающей природной среде и накоплению в организме человека;
– возможность химической трансформации в физических и биологических системах, в результате чего вторичные вещества могут оказаться более токсичными или вредными;
– мобильность (подвижность);
– фактические концентрации в окружающей среде и (или) в организме человека;
– частота и (или) величина воздействия;
– способность обнаружения на данном уровне в различных средах;
– значимость в объектах природной среды;
– необходимость определения на региональном уровне и глобальных программах;
83
В частности, перечень веществ, включенных в Программу изме-
,
рений в биосферных заповедниках (для оценки уровня регионального фона), приведен в табл. 2.7.
Таблица 2.7
Перечень веществ, подлежащих контролю в биосферных заповедниках
Измеряемые примеси
Взвешенные частицы +
Озон +
Оксид углерода +
Оксиды азота +
Углеводороды +
Бенз(а)пирен + + + + +
Хлорорганические соединения (ДДТ и др.)
Тяжелые металлы (свинец
кадмий, ртуть, мышьяк)
Диоксид углерода +
Фреоны +
Биогенные элементы
(азот, фосфор)
Анионы и катионы +
Радионуклиды +
Особенностью проблемы определения содержания загрязняющих веществ в биосферных заповедниках является, с одной стороны, их небольшое количество в анализируемых объектах, с другой – одновременное присутствие в пробах сопутствующих антропогенных и природных соединений, мешающих анализу. Высокая чувствительность и специфичность анализов в этих условиях может быть достигнута в
большинстве случаев путем значительного обогащения (концентрирования) отбираемых проб и использования наиболее совершенных физико-химических методов и
приборов для анализа. Необходимо отметить, что методов, специально разработанных для определения фоновых концентраций загрязняющих веществ, во многих
случаях не существует. Поэтому требуется большая работа по изучению возможности использования для этой цели методов, первоначально предназначенных для определения более высоких уровней загрязнения. Важная роль в обеспечении сопоставимости измерений, проводимых в биосферных заповедниках различных стран,
должна принадлежать разработке стандартных образцов и эталонов, а также проведению международных сравнительных испытаний методов и приборов (интеркалибровок). Необходимая частота наблюдений определяется вариабельностью показателей состояния объектов окружающей среды и чувствительностью применяемых
методов. В связи с тем, что наиболее мобильной средой является атмосфера (а для
морских биосферных заповедников – и водная среда), необходимо предусмотреть
более частые наблюдения для этих сред. Наблюдения за загрязнением поверхност-
Атмосфера
Атмосферные
осадки
+ + + + +
+ + + + +
+ + +
Поверхностные
и подземные воды
Почва
Биота
84
ных и подземных вод, почв, биообъектов могут проводиться сравнительно редко,
например, в основные гидрологические и вегетационные фазы.
Для минимизации локального воздействия на окружающую среду в пределах
биосферных заповедников, пункты наблюдений должны быть сосредоточены в их
буферных зонах, а также должна максимально использоваться автоматическая и
дистанционная аппаратура. Ниже рассматриваются некоторые существующие способы анализа основных загрязняющих веществ, применение которых позволяет начать эти наблюдения в биосферных заповедниках.
Диоксид серы. Ни один из известных в настоящее время серийных автоматических приборов не пригоден для определения фоновых концентраций диоксида серы
(1 мкг/м
3
). На первом этапе наблюдений в биосферных заповедниках, видимо, при-
дется ограничиться одним из ручных методов, рекомендуемых ВМО (например,
методом Веста–Гаека).
Озон. Фоновые концентрации озона могут варьировать от единиц до
100…200 мкг/м3. Для измерения таких концентраций сейчас выпускаются автомати-
ческие газоанализаторы, построенные на различных принципах, но, возможно, наилучшим является анализатор, основанный на принципе хемолюминесценции, которая возникает при реакции озона с этиленом.
Оксиды азота. Фоновые значения содержания диоксида азота могут колебаться от
0,4 до 10 мкг/м3; монооксида азота – менее 6 мкг/м3 и надежное определение таких
низких концентраций представляет собой еще не полностью решенную проблему.
Оксиды углерода. Необходимая точность определения диоксида углерода
(±2 ррm при измеряемой величине 320 ррm) может быть достигнута с помощью ав-
томатических анализаторов, в которых использован метод инфракрасной спектрофотометрии. Фоновые концентрации монооксида углерода порядка 0,1 мг/м3 могут
быть измерены, например, газохроматографическим методом.
Реакционноспособные углеводороды – этиленовые углеводороды (алкены, олефины) – ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью в молекуле, общей формулой СnН2n. Их низкая фоновая концентрация (менее 10 мкг/м3) требует применения
автоматических газовых хроматографов с чувствительностью не ниже 6 мкг/м3.
Для определения состава взвешенных частиц и атмосферных осадков пригодны
стандартные способы, рекомендуемые ВМО. Более сложной задачей является определение в частицах и осадках токсичных металлов (свинец, ртуть, мышьяк, кадмий)
из-за фонового содержания этих металлов в фильтрах и других используемых материалах. Что касается самих методов определения этих металлов, то комбинация из
таких методов, как нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный и спектрофотометрический, позволяет решить все намечаемые задачи.
ДДТ и полихлорбифенилы определяются достаточно надежно с помощью газо-
жидкостной хроматографии. Для фонового мониторинга необходимо использовать
методику концентрирования и раздельного определения этих веществ.
Нефтепродукты в природных (морских) водах могут быть определены различными методами, но, пожалуй, наиболее чувствительным является метод с использованием инфракрасного поглощения групп СН, СН
и СН3.
2
В заключение необходимо отметить, что методы и организация мониторинга загрязнения окружающей среды в биосферных заповедниках являются сложной научной и технической проблемой, и поэтому они требуют самого широкого международного сотрудничества и кооперации.
85
Ряды токсичности металлов для живых организмов и растительно-
сти следующие [17, 19]:
– для животных и человека – Hg>Cu>Zn>Ni>Pb>Cd>Cr>Sn>Fe>Mn>Al;
– для рыб – Ag>Hg>Cu>Pb>Cd>Al>Zn>Ni> Cr>Co>Mn>Sr;
– для растений – Hg>Pb>Cu>Cd> Cr >Ni>Zn.
Обратим внимание на то, что в число токсичных металлов входит
медь, широко используемая в промышленном производстве и быту.
Кроме того, для рыб опасным веществом является серебро. Этот металл (в виде йодистого серебра – AgJ) в недалеком прошлом применялся в качестве основного и наиболее эффективного реагента для
разгона облаков и облачных образований. Возможно, что этот реагент
мог быть использован и в Московском регионе для аналогичных целей при проведении праздничных мероприятий в столице.
Особую опасность для человека и окружающей среды представляют стойкие органические загрязнители (СОЗ) [20]. Эти вещества
характеризуются высокой токсичностью и способностью накапливаться в окружающей среде и живых организмах. В соответствии с
решениями Стокгольмской конвенции, которую подписали 110 государств (в том числе и Россия) в перечень СОЗ включено 12 веществ:
альдрин, эндрин, хлордан, мирекс, диэльдрин, ДДТ, гексахлорбензол,
токсафены, гептахлор; полихлорированные бифенилы (ПХБ), дибензо-п-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ), получившие название «грязная дюжина». В 2003 г. список этих веществ был расширен до 28
– в него были включены алкилпроизводные свинца, олова и
ртути, ПАУ, хлорированные бензолы, хлорпарафины, фталаты.
Странами Европейского сообщества в 90-х годах прошлого столетия был опубликован перечень веществ по рекомендации ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения), подлежащий обязательному
контролю в атмосферном воздухе городов. Данный перечень включает: монооксид углерода, диоксид серы, диоксид азота, общее содержание взвешенных веществ, взвешенные вещества размером менее
10 мкм, свинец, озон, бензол, кадмий, мышьяк, никель, ртуть, ароматические углеводороды (бензапирен). Примерно в тот же период был
разработан и принят нормативный документ, который содержал перечень опасных веществ, подлежащий определению в выбросах установок, используемых на предприятиях теплоэнергетики, мусоросжигания и др. В табл. 2.8 приведен перечень опасных веществ для установок мусоросжигания.
86
Таблица 2.8
Перечень веществ и их допустимые концентрации в выбросах установок
для сжигания отходов, мг/м
Загрязняющее вещество
Суммарная пыль 10 30
Сумма органических веществ 10 20
Газообразные соединения хлора 10 60
Газообразные соединения фтора 1 4
Диоксид серы 50 200
Сумма оксидов азота 200 400
Тяжелые металлы (13 наимено-
*
ваний)
Диоксины и фураны 10–7 10–7
_________
*
Свинец, кадмий, ртуть, хром, цинк, марганец, кобальт, никель, мышьяк и др.
Среднесуточные
значения концентраций
0,05 0,05
3
Средние получасовые
концентрации
Известны также вещества, относящиеся к парниковым газам, которые в соответствии с Киотским протоколом следует контролировать на
источниках их эмиссий. То же самое относится и к озоноразрушающим
веществам, выбросы которых регламентированы Монреальским соглашением (вещества разбиты на четыре группы – А, B, C и D).
2.3. Возможности методов и систем мониторинга
загрязнений
В самом общем случае загрязняющие вещества, поступающие в
природную среду в результате естественных процессов и антропогенной деятельности в виде газов, паров, аэрозолей, жидких и твердых промышленных и бытовых отходов, представляют собой сложную смесь различных органических и неорганических веществ. Исследуемые пробы, следовательно, содержат как интересуемый спектр
загрязнений, так и макро- и микрокомпоненты естественного фона и
характеризуются следующими свойствами:
– сложным и крайне неоднородным общим составом;
– широким диапазоном концентраций исследуемых компонентов;
– отсутствием в большинстве случаев априорной информации об
исходном вещественном составе;
– определенным временем жизни, свойством старения и последующего видоизменения;
– пробы являются в известном смысле уникальными и отражают
состояние среды в режиме реального времени.
87
При изучении столь сложных объектов существенно возрастают
объем и уровень исследований и экспериментов, причем при определении микропримесей токсичных и особо токсичных веществ значительно более жесткие требования предъявляются к аппаратурнометодической базе контроля в отношении выбора методов детектирования, разработки рациональных схем и алгоритмов обработки и
анализа проб. Первостепенное значение приобретают вопросы пробоотбора и метрологического обеспечения измерений.
С методологической точки зрения контроль загрязнений в большинстве случаев носит характер комплексного научного исследования и является результатом сложных, многофакторных экспериментов с использованием зачастую уникальной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования.
В организационном плане особая роль здесь должна отводиться
стационарным (автоматизированным) постам наблюдения и мобильным средствам (передвижным лабораториям), способным обеспечивать получение экспресс-информации о повышенных уровнях загрязнений с одновременным отбором проб практически в любой точке
контролируемой территории. Наиболее важным звеном системы
должна являться комплексная физико-химическая лаборатория (центр
обработки и анализа проб), выполняющая химико-аналитические работы рутинного, исследовательского и арбитражного характера.
Аппаратурно-методическая база такой лаборатории должна, наряд
у
с тривиальными задачами, обеспечивать решение обратных задач контроля, когда по результатам комплексных исследований необходимо
определить источник и мощность выбросов загрязняющих веществ,
оценить масштабы загрязнения, причиненный ущерб и тем самым
обосновать выбор критериев принятия управленческих решений.
Далее обратим внимание на особенности формирования стационарных сетей систем наблюдения и контроля. Еще в 70–80-х годах
прошлого столетия системы мониторинга загрязнений природной
среды были созданы по инициативе ряда комитетов ООН. В качестве
примера рассмотрим несколько подробнее стационарную сеть наблюдения и контроля, разработанную и рекомендованную для практической реализации Всемирной метеорологической организацией
(ВМО) в интересах исследования глобального фонового загрязнения
атмосферы. Эта сеть станций, распределенная по всему Земному шару, включает станции двух типов:
88
– станции по измерению основного загрязнения атмосферы (ОЗА) –
для наблюдений о долгосрочных изменениях состава атмосферы,
представляющих интерес для формирования погоды и климата;
– станции по измерению регионального загрязнения атмосферы
(РЗА) – для наблюдений о долгосрочных изменениях состава атмо-
сферы, обусловленных изменениями на региональном уровне.
Плотность сети станций по измерению ОЗА – примерно 10 станций, соответствующим образом распределенных по поверхности Земного шара, должны удовлетворить пространственные потребности
этой сети по отбору проб. В свою очередь минимальная плотность сети по измерению РЗА, обеспечивающая представительность отбора
проб региона, должна составлять не менее одной станции на 5·10
5 км2
Однако в тех случаях, когда та или иная страна – член ВМО – имеет
несколько климатических регионов, необходимо иметь более высокую
плотность. Эти дополнительные станции должны быть распределены
таким образом, чтобы иметь данные наблюдений по каждому климатическому району.
Станции ОЗА должны располагаться в районе, где не предполагается каких-либо существенных изменений в системе природопользования по крайней мере в течение 5–10 лет в пределах 100 км во всех
направлениях от нее. Она должна быть расположена в стороне от
главных центров техногенных загрязнений океанских (морских) и
воздушных маршрутов, желательно на изолированных островах или
в горах выше зоны леса. Пункты расположения станций не должны
быть подвержены влиянию со стороны таких естественных явлений,
как вулканическая деятельность, лесные пожары, пыльные или песчаные бури.
Станции РЗА должны быть расположены в сельской местности,
достаточно далеко удаленной от районов антропогенной деятельности (промышленности, объектов стройиндустрии и т.п.) с тем, чтобы
они не испытывали влияния локальных вариаций концентраций загрязняющих примесей.
Станции ОЗА могут рассматриваться как научно-исследовательские, если они способны к измерениям любых составляющих атмосферы. Однако основное внимание должно быть уделено, прежде всего, тем составляющим, которые будут больше всего влиять на долгосрочное изменение климата. К их числу относятся: диоксид углерода,
аэрозоли, элементный состав осадков и сухих выпадений.
.
89
Станции РЗА должны обеспечивать контроль составляющих атмосферы, наблюдаемых на станциях ОЗА, а также ряд других компонентов воздуха, приоритетных для каждого конкретного региона.
Методы и средства отбора физико-химического анализа проб должны быть стандартизованы в интересах получения достоверной многомерной информации о составе и изменениях атмосферных составляющих. В настоящее время сеть ВМО включает более 200 станций в различных регионах планеты, в том числе и на территории России.
Следуя рекомендациям Рамочной конвенции ООН по изменению
климата, ВМО, МОК (ЮНЕСКО), ЮНЕП и МСНС создали программу
«Глобальная система наблюдений за климатом (ГСНК)», перед которой
поставлена задача организовать долговременную систему наблюдений
за климатом, опираясь на уже существующие системы наблюдений за
атмосферой, океаном и поверхностью суши. ГСНК по существу является программой климатических наблюдений, по которой ведут наблюдения метеорологические станции во всем мире, объединенные в Глобальную систему наблюдений ВМО. Работа метеорологических станций организуется национальными метеорологическими и гидрометеорологическими службами в странах-членах ВМО. В соответствии с
принятыми принципами климатического мониторинга система наблюдений позволит создать базу данных о глобальных и региональных изменениях климата за длительный период времени с целью информирования правительств о происходящих изменениях климата.
В 2003 г. был опубликован «Второй доклад о достаточности глобальных систем наблюдений за климатом в поддержку Рамочной
конвенции ООН по изменениям климата» (GCOS-82, 2003), в котором сформулированы научные требования к систематическим наблюдениям. Согласно этому докладу, климатические наблюдения
необходимы для того, чтобы:
– определить текущее состояние климата и его изменчивость;
– обеспечить мониторинг воздействий естественного и антропогенного происхождения на климат;
– обеспечить исследования по идентификации причин климатических изменений;
– содействовать предсказанию глобальных изменений климата;
– дать характеристику экстремальных явлений, оказывающих
важное влияние на хозяйственную деятельность и приводящих к необходимости разработки адаптационных мер;
– оценить риски и уязвимость.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]