способ определения аэрогенной нагрузки металлов на окружающую среду

Формула изобретения

Способ определения аэрогенной нагрузки металлов на окружающую среду, включающий отбор проб снега, таяние проб, получение твердой фракции путем фильтрования, определение количества каждого металла в твердой фракции, вычисление величин нагрузки, создаваемой поступлением каждого металла в окружающую среду, сопоставление их с фоновыми значениями и вычисление суммарных показателей нагрузки Z _P, отличающийся тем, что пробы снега отбирают в пунктах, удаленных на расстояния более 30 м от антропогенных объектов, измеряют дифференциальные магнитные моменты фильтров с осажденной пылевой фракцией, вычисляют величины магнитной нагрузки, сопоставляют с фоновыми значениями, вычисляют коэффициенты относительного увеличения магнитной нагрузки К_PM, из всей совокупности значений К_РМ составляют представительную выборку размером, достаточным для статистического анализа, количество каждого металла определяют на фильтрах, относящихся к выборке, при этом применяют метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, проводят регрессионный анализ зависимости между величинами К_PM и Z_P в выборке, находят уравнение регрессии Z_P на К _РМ, по которому рассчитывают значения Z _P для всей совокупности значений К_РМ .

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к экологической геофизике, а именно к способам мониторинга аэрогенного загрязнения окружающей среды металлами. Оно может быть использовано для составления карт интенсивности атмосферного выпадения металлов на земную поверхность, а также интенсивности загрязнения атмосферного воздуха металлами.

Техногенные загрязнители, поступающие на земную поверхность, депонируются в снежном покрове. Известно, что интенсивность аэрогенного загрязнения химическим элементом численно характеризуется массой этого элемента, накопленного в снежном покрове на единице земной поверхности в единицу времени [1]. В более поздних работах для этой характеристики используется термин «нагрузка» элемента на окружающую среду (см., например, [2]). Этот показатель позволяет получить информацию о загрязнении различных компонентов природной среды, в том числе и воздуха. «В практике контроля за окружающей средой при оценке состояния воздуха почти всегда анализируется пыль или аэрозоль, накопившаяся на фильтре» [3].

Известен способ оценки загрязнения снега - способ биоиндикации, основанный на измерении оптической плотности суспензии одноклеточных зеленых и сине-зеленых водорослей в пробах снеговой воды [4]. Известный способ имеет существенные недостатки: во-первых, им фиксируются загрязнители, выпавшие в подвижных формах, и не определяются потенциально опасные менее подвижные формы; во-вторых, способ трудоемок и неоднозначен, так как зависит от состояния используемых тест-объектов.

Известен способ составления карт поверхностной плотности загрязнения снегового покрова, в котором в качестве количественной характеристики используется альбедо снежного покрова [5]. Однако данным методом фиксируется только общая загрязненность снежного покрова, и результаты зависят от физических характеристик снежного покрова и от атмосферных параметров.

Известен способ определения загрязнения снега, основанный на изучении магнитной восприимчивости проб снега, отобранных в пунктах, расположенных непосредственно на территории предприятий и населенных пунктов, где в снежном покрове высока концентрация частиц ферромагнитных металлов (железа, кобальта, никеля) [6]. Эти частицы являются продуктами работы различных машин и механизмов и поступают в снежный покров в результате неорганизованных выбросов. Магнитная восприимчивость частиц кристаллического железа, кобальта и никеля на порядок выше магнитной восприимчивости аэротехногенных частиц. Недостатки известного способа: во-первых, определяется загрязнение среды лишь вблизи источников загрязнения; во-вторых, способ ориентирован на определение частиц ферромагнитных металлов, поступивших в результате неорганизованных выбросов. Данный способ не фиксирует аэрогенное загрязнение и загрязнение неферромагнитными металлами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является известный способ определения суммарного показателя нагрузки, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в отборе снеговых проб массой 5-7 кг из шурфов, вскрывающих всю мощность снегового покрова, измерении площади шурфа, фиксации времени в сутках от начала снегостава, получении твердой фракции путем фильтрования, освобождении от посторонних примесей путем просеивания, определении массы пыли, вычислении пылевой нагрузки по формуле Р _п=P₀/S·t, где P ₀ - масса пыли в пробе, S - площадь шурфа, t - время от начала снегостава до момента отбора пробы, определении приближенно-количественным спектральным методом концентраций каждого металла в пыли С _i, вычислении нагрузки каждого металла по формуле Р _(общ)i=С_i·Р_п , расчете суммарного показателя нагрузки по формуле

где K_Pi=Р_(общ)i /P_фi - коэффициент относительного увеличения общей нагрузки i-го элемента, Р_(общ)i - нагрузка элемента в исследуемом пункте, Р_фi - нагрузка i-го элемента в фоновой зоне, n - число учитываемых элементов [7]. Недостатками известного способа является высокая трудоемкость, высокая стоимость и низкая надежность. Высокая трудоемкость и высокая стоимость связаны с большой массой снега в каждой пробе и большим количеством химических анализов. Низкая надежность связана с тем, что при использовании приближенно-количественного спектрального метода расшифровка спектрограмм основана на субъективном опыте и в значительной мере на интуиции спектроскописта.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и надежности при определении суммарных показателей аэрогенной нагрузки металлов на окружающую среду с одновременным снижением затрат.

Поставленная задача решается тем, что отбирают пробы снега, оттаивают, получают твердую фракцию путем фильтрования, определяют количество каждого металла в твердой фракции, вычисляют величины нагрузки, создаваемой поступлением каждого металла в окружающую среду, сопоставляют эти величины с фоновыми значениями и вычисляют суммарные показатели нагрузки. При этом пробы снега отбирают в пунктах, удаленных на расстояние более 30 м от антропогенных объектов. Измеряют дифференциальные магнитные моменты фильтров с осажденной пылевой фракцией, вычисляют величину магнитной нагрузки, сопоставляют с фоновыми значениями, вычисляют коэффициенты относительного увеличения магнитной нагрузки К_РМ. Из всей совокупности значений К_РМ составляют представительную выборку размером, достаточным для статистического анализа. Количество каждого металла определяют на фильтрах, относящихся к выборке, при этом применяют метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, проводят регрессионный анализ зависимости между величинами К_РМ и Z_P в выборке, находят уравнение регрессии Z_P на К _РМ, по которому рассчитывают значения Z _P для всей совокупности значений К_РМ .

Физическая основа предлагаемого способа заключается в том, что пылевидные соединения металлов, поступающие в атмосферу в результате различных технологических процессов, состоят из тонких и супертонких частиц, включая частицы нанодиапазона, а также сферических частиц различных размеров, так называемых «сфер сгорания», являющихся продуктами высокотемпературной переработки твердого минерального сырья и топлива. Последние представляют собой пористые образования разных размеров, состоящие из сильномагнитных окислов железа, окислов кремния, окислов алюминия и других металлов. Эти частицы сорбируют мелкие частицы металлов, содержащиеся в атмосфере. Благодаря низкой плотности они перемещаются с воздушными потоками на большие расстояния и встречаются повсеместно [8], но наиболее высокое их содержание обнаружено в атмосферных выпадениях на урбанизированных территориях [9]. В этих же зонах в атмосфере наблюдаются повышенные концентрации пылевых соединений металлов. «Сферы сгорания» обладают относительно высокой объемной магнитной восприимчивостью порядка 0.1 ед. СИ, что более чем в 1000 раз превышает магнитную восприимчивость природной пыли. Поэтому присутствие в пылевой фракции «сфер сгорания» с одной стороны значительно повышает магнитный момент фракции, а с другой стороны сопровождается повышенным количеством металлов в этой фракции. Эта связь с определенной степенью приближения может быть выражена линейным уравнением. Дифференциальный магнитный момент пылевой фракции измеряется непосредственно на фильтрах без разрушения фильтров и не зависит от температуры и влажности.

Способ осуществляют следующим образом. На обследуемой территории отбирают пробы снега с интервалами, зависящими от величины градиентов интенсивности загрязнения. В зонах аэрогенного загрязнения от автотранспорта величина магнитной нагрузки наиболее интенсивно изменяется на расстояниях 30-100 м при движении средней интенсивности и на расстояниях 30-300 м при высокой интенсивности движения (фиг.1). Поэтому интервалы между пунктами отбора проб должны составлять 20-100 м. При загрязнении от стационарных источников, например от предприятий, производящих черновую медь, зоны с высокими градиентами простираются в зависимости от направления на расстояния до 4-10 км. В этих зонах интервалы между пунктами должны составлять 100-500 м (фиг.2). В зонах среднего и слабого загрязнения интервалы могут быть увеличены до 1-2 км. Обязательным условием является отбор проб в одной или нескольких зонах, расположенных в пределах обследуемой территории или вне ее, но относящихся к той же геологической формации и удаленных более чем на 1 км от передвижных источников и котельных, на 15 км от заводов по переработке и обработке металлов и на 25 км в наветренном направлении от заводов, переплавляющих руды.

Пробы отбирают в однотипных элементах ландшафта в местах, удаленных от антропогенных объектов на расстояния, превышающие 30 м. Последнее условие связано с тем, что в непосредственной близости от дорог, промышленных предприятий, жилых домов и других антропогенных объектов в снежном покрове кроме «сфер сгорания» присутствуют значительные количества частиц сильномагнитных сплавов железа, кобальта и никеля, поступивших туда непосредственно в виде неорганизованных выбросов. Поскольку плотность этих частиц, по крайней мере, на порядок превышает плотность «сфер сгорания», то они обладают и на порядок более высокой объемной магнитной восприимчивостью (дифференциальным магнитным моментом единицы объема). Поэтому на территориях антропогенных объектов магнитный метод фиксирует загрязнение железом, кобальтом и никелем [6]. Главные источники подобного рода загрязнения - снегоочистительные и другие уборочные работы. При очистке дорог от снега интенсивность загрязнения возрастает по мере удаления от дорог, достигает максимума на расстоянии 10 м, затем снижается и становится пренебрежимо малой только на расстоянии 30 м [10].

Одна проба имеет массу 1 кг и содержит n=3÷12 колонок снега, отбираемых с помощью пробоотборника площадью поперечного сечения s 10^-3 м² на всю глубину снежного покрова. Колонки отбирают методом конверта со стороной квадрата 1 м или по мини-профилям, перпендикулярным направлению максимального градиента загрязнения, с интервалом 1 м.

Пробы оттаивают методом «быстрого таяния» на стандартных фильтрах «синяя лента» с размером пор 1-2.5 мкм. В слабом переменном магнитном поле измеряют дифференциальные магнитные моменты dM/dH (первая производная магнитного момента М по напряженности магнитного поля Н) твердой фракции, осажденной на фильтрах. Для измерений используют, например, приборы марок KLY-1, KLY-2, KLY-3 фирмы "Geofizika" г.Брно, Чехия. dM/dH=( - _фильтр) , где - отсчет прибора при измерении фильтра с осадком, _фильтр - отсчет прибора при измерении чистого фильтра, - постоянная прибора. Относительная отсчетная погрешность измерения магнитного момента пыли, получаемой из 1 кг снега, не превышает ±1%. Вычисляют величины магнитной нагрузки по формуле Р_M=(dM/dH)/St, где S=s·n - площадь отбора пробы, и величины коэффициентов относительного увеличения магнитной нагрузки К_РМ=Р _M/Р_M(фон).

Из всей совокупности значений К_РМ составляют представительную выборку размером, достаточным для статистического анализа. Фильтры, относящиеся к выборке, подвергают химическому анализу методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой для определения суммарных показателей нагрузки металлов. Предварительно для всех элементов выборки оцениваются значения К_РМ - погрешности определения коэффициентов К_РМ и Z_P - погрешности определения показателей Z_P химико-аналитическим методом. Величины этих погрешностей в разных пунктах варьируются за счет параметра S, зависящего от плотности и высоты снежного покрова. В том случае, если в выборке обнаруживаются элементы, для которых К_PM Z_P, магнитные измерения повторяют N раз и вычисляют _КРМ - среднюю квадратическую погрешность определения среднего коэффициента К_PM. При этом _КРМ в (N-1) раз меньше погрешности одного измерения К_PM. Количество повторных измерений N выбирается таким, чтобы выполнялось условие _КРМ< Z_P.

Для каждого фильтра, относящегося к выборке, определяют количество каждого из n исследуемых металлов Р_0i, вычисляют величины общей нагрузки P_(общ)i=P_0i/St и коэффициенты относительного увеличения общей нагрузки К _Pi. Далее по формуле (1) для всех проб, относящихся к выборке, вычисляют суммарные показатели нагрузки металлов Z _P. Проводят регрессионный анализ зависимости между величинами К_PM и Z_P. Получают регрессионное уравнение, которое в случае линейной корреляции записывается в виде

где а₀ и а ₁ - коэффициенты регрессии. Для всей совокупности значений К_РМ по уравнению регрессии (2) рассчитывают значения Z_P.

Результаты представляют в виде таблиц, графиков вдоль определенных трансектов или изолиний поля на картах.

Фиг.1 - изменение аэрогенной магнитной нагрузки с расстоянием от автострады. 1 - высокая, 2 - средняя интенсивность движения.

Фиг.2 - изменение аэрогенной магнитной нагрузки с расстоянием от источников пылевых выбросов при производстве черновой меди, западное (наветренное) направление. Максимумы: 1 - от трубы отражательной печи (высота 120 м), 2 - от трубы конверторного цеха (высота 150 м).

Фиг.3 - перечень проб в выборке, составленной из совокупности значений К _РМ, полученных по результатам снегового опробования полигона, с указанием источников аэрогенного загрязнения. Границы зон приняты на расстояниях: от передвижных источников и котельных - 500 м, от заводов, связанных с вторичной переработкой и обработкой металлов, - 5 км, от медеплавильного завода - 15-23 км в зависимости от направления.

Фиг.4 - выборка значений коэффициентов относительного увеличения магнитной нагрузки К_PM, коэффициенты нагрузки каждого металла К_Pi и суммарные показатели нагрузки металлов Z_P, полученные для этих проб по результатам химического анализа.

Фиг.5 - статистическая зависимость Z_P от К _PM. Источники аэрогенного загрязнения (расшифровка в таблице на фиг.1): 1 - а; 2 - а, г; 3 - г; 4 - б, г; 5 - а, в, г; 6 - а, б, г; 7 - а, б; 8 - вне зон влияния известных источников. I - регрессия Z_P на К_PM . II - _Zпред (предельная погрешность, с которой по регрессионному уравнению вычисляется Z _P). Точка пересечения линий Z_P (К _PM) и сопрел (К_PM) соответствует Z_Pmin.

Фиг.6 - карта распределения суммарных показателей нагрузки металлов на северо-западной окраине г. Ревда и прилегающей территории, построенная предлагаемым способом. 1 - рельеф, 2 - Z_P, 3 - автодороги.

Пример

Предлагаемый способ прошел экспериментальную проверку на Среднем Урале, на полигоне протяженностью 90 км в направлении на запад от г. Екатеринбурга. Полигон включает юго-западную часть г. Екатеринбурга, северную часть г. Ревда (промзона) и территории, расположенные между городами Екатеринбург и Ревда, а также западнее и южнее г. Ревда, характеризуемые горно-таежным ландшафтом в различной степени антропогенно-преобразованным. Пункты отбора расположены в лесных массивах и лесопарках в зонах аэрогенного загрязнения различных стационарных и передвижных источников, а также на территориях, удаленных от источников аэрогенного загрязнения. Пробы оттаяны на фильтрах «синяя лента». На приборе KLY-1 измерены дифференциальные магнитные моменты фильтров с осадком и вычислены значения магнитной нагрузки. Из проб, отобранных вне зон влияния источников аэрогенного загрязнения, минимальные величины магнитной нагрузки получены в 26 км южнее г. Ревда. Эта зона выбрана в качестве условного фона. Вычислены коэффициенты относительного увеличения магнитной нагрузки К _PM. Из всей совокупности значений оставлена выборка, содержащая 39 значений параметра К_PM, полученных на пробах, отобранных в зонах влияния основных источников аэрогенного загрязнения полигона, а также в зонах, удаленных на расстояния более 1 км от передвижных источников, 15 км от заводов по обработке и переработке металлов и 25 км в наветренном направлении от медеплавильного завода (фиг.3). Определены погрешности К_PM=±(0.004÷0.009) и Z_P=±(0.004÷0.013) соответственно. Расчет погрешностей Z_P проведен с учетом определений девяти металлов: меди, свинца, цинка, железа, марганца, титана, никеля, хрома, кадмия, методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой. Для снижения погрешностей К_PM на пробах, относящихся в выборке, проведено 5 серий повторных магнитных измерений и вычислены средние значения К_PM. При этом средние квадратические погрешности определения среднего коэффициента К _PM составили _КPM=±(0.002÷0.005), следовательно, выполнено условие _KPM< Z_P. Средние значения коэффициентов К_PM, составившие выборку, приведены в таблице (фиг.4) и на графике (фиг.5). Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой на фильтрах определены количества меди, свинца, цинка, железа, марганца, титана, никеля, хрома, кадмия, вычислены коэффициенты относительного увеличения общей нагрузки каждого металла и значения суммарных показателей нагрузки (таблица на фиг.4) и (график на фиг.5). Установлена линейная связь между значениями относительного увеличения магнитной нагрузки в выборке и суммарными показателями нагрузки металлов. Определены коэффициенты регрессии а₀=-4.01 и a ₁=7.5 и стандартные отклонения _a0=±16.016 и _a1=±0.21. Полученная регрессия Z_P на К_PM показана на фиг.5. При расчете параметра Z_P с помощью уравнения регрессии предельная погрешность _Zпред определена по уравнению

с учетом полученных численных значений а ₁, _a0, _a1. График функции _Zпред(К_PM) приведен на фиг.5. Предлагаемый способ применим в диапазоне, где выполняется условие Z_{P Zпред}. Величина Z _Pmin - нижняя граница диапазона рассчитана из совместного решения уравнений (2) и (3). Получено Z_Pmin =48.25. Графическое решение показано на фиг.5. По уравнению (2) с учетом полученных численных значений коэффициентов регрессии вычислены значения Z_P для всей совокупности величин К_PM, полученных при снеговом опробовании полигона. Условие Z_P 48.25 выполнено на территориях городов Ревда и Екатеринбург и в антропогенно-преобразованных лесных массивах, окружающих г. Ревда на расстояниях до 5-25 км в зависимости от направления ветра. Карта распределения суммарных показателей аэрогенной нагрузки металлов, составленная для территории со сложным горным рельефом, охватывающей северо-западную часть г. Ревда (промзона) и прилегающие к ней лесные массивы, представлена на фиг.6.

Полевые испытания показали высокую эффективность, производительность и надежность предлагаемого способа. Повышение производительности обусловлено тем, что масса проб снега уменьшена до 1 кг. Снижение затрат достигнуто благодаря уменьшению количества химических анализов, повышение надежности - благодаря тому, что химические анализы проводятся методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, а магнитные измерения повторяются многократно.

Таким образом, предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными способами. Предлагаемый способ позволяет повысить производительность и надежность определения суммарных показателей нагрузки металлов на окружающую среду с одновременным снижением затрат.