О содержании тяжелых металлов в снежном покрове Северного Казахстана

Приводятся результаты исследования загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова на территории Северного Казахстана. Были использованы данные 25 метеорологических станций севернее 48 параллели. Исследована динамика основных характеристик снежного покрова, определен химический состав и дана оценка загрязненности снежного покрова по территории за период 2005-2010 гг.

Снежный покров (СП) играет огромную, подчас исключительную роль, во многих при­родных процессах. Химический состав СП определяет направленность процессов почвоо­бразования, способствует удобрению почв пи­тательными веществами, оказывает влияние на формирование химического состава природных вод, ледников, снежников, снежных лавин, спо­собствует формированию водно-снеговых льдов, предотвращает глубокое промерзание почв и грунтов, влияет на болотообразовательные про­цессы, карст, на разные стороны хозяйственной деятельности человека, на состояние различных коммуникаций и сооружений.

Исследование химического состава СП необ­ходимо для решения региональных природоох­ранных задач, в частности, для количественного определения поступления взвешенных, раство­римых минеральных и органических веществ в СП в результате взаимодействия системы атмос­фера - СП - природные воды - человек и оценки загрязнения приземного слоя атмосферы - само­го мощного постоянно действующего фактора загрязнения окружающей среды, оказывающего сильное негативное воздействие не только на че­ловека, биоценозы, трофическую цепь, но и на важнейшие природные среды. Изучение загряз­нения воздушного бассейна территории - наибо­лее актуальная задача охраны окружающей сре­ды, использующая комплексные данные. Оцен­ка загрязнения приземной атмосферы крупных промышленно-урбанизированных территорий очень сложна в техническом и методическом от­ношениях.

Чутким и надежным индикатором загрязне­ния воздушного бассейна является, в частности, СП, который отражает основные тенденции рас­пределения загрязняющих веществ в атмосфере. В СП фиксируются загрязняющие вещества, ко­торые не улавливаются наземными наблюдения­ми или расчетными данными по выбросам в ат­мосферу. Изучение химического состава СП по­зволяет прогнозировать и появление кислотных атмосферных осадков. Результаты исследований по химическому составу атмосферных и сне­говых осадков дают представление о переносе вредных примесей на значительное расстояние, в том числе с сопредельных территорий. Требо­вания к экологическим параметрам окружающей природной среды предусматривают многообра­зие видов наблюдений за состоянием загрязне­ния ее отдельных объектов.

В качестве объекта исследования была вы­брана территория Северного Казахстана выше 48 параллели, поскольку здесь можно проследить не только влияние климатических факторов, но и воздействие районов с неблагополучной эко­логической обстановкой на состав атмосферных выпадений, а также оценить роль трансгранич­ного переноса ЗВ. При выполнении данного исследования были использованы пробы снега, отобранные на метеорологической сети Казги-дромета, выполненные в соответствии с единой методикой отбора проб. Химический анализ вы­полнен в аттестованной химлаборатории Казги-дромета в г. Алматы тоже в соответствии с суще­ствующими требованиями и стандартами, при­нятыми в метеорологии. Следовательно наши результаты анализа можно сравнить с результа­тами, полученными для смежных территорий.

В данной работе исследована динамика ос­новных характеристик снежного покрова, опре­делен химический состав атмосферных осадков и дана оценка загрязненности снежного покрова микроэлементами по территории Северного Ка­захстана за период 2005-2010 гг.

Для территории Северного Казахстана боль­шой интерес вызывает изучение поведения и распространения тяжелых металлов во всех сре­дах, включая мониторинг снежного покрова. Ос­новными промышленными источниками загряз­нения природной среды тяжелыми металлами на территории Северного Казахстана являются предприятия черной и цветной металлургии, те­пловые электростанции и котельные, нефтепере­рабатывающие предприятия, добывающие пред­приятия, автотранспорт и др.

Среднемноголетнее распределение количе­ства атмосферных осадков за период залегания снежного покрова на территории Северного Ка­захстана представлено на рисунке 1. Среднее количество годовых сумм осадков изменяется в основном от 30 мм/год и менее до 135 мм/год и более. На рассматриваемой территории средне­годовое количество осадков примерно равное на всех станциях (рис. 1).

Максимум осадков до 135 мм имеет место на МС Риддер, что обусловлено влиянием гор­ных массивов. На западной части территории среднее количество осадков снижается. На этих станциях оно составляет около 30-60 мм/год (Жалпактал, Жымпиты).

В зависимости от степени антропогенного влияния содержание микроэлементов в снежном покрове меняется в достаточно широком диа­пазоне. Для территории Северного Казахстана большой интерес вызывает изучение поведения и распространения тяжелых металлов во всех средах, особенно на основе мониторинга снеж­ного покрова. Металлы содержатся в большин­стве видов промышленных, энергетических и автотранспортных выбросов в атмосферу и яв­ляются индикаторами техногенного воздействия этих выбросов на окружающую среду.

На рисунке 2 представлены концентрации свинца в снежном покрове по станциям региона. Можно отметить, что наибольшие накопления свинца отмечены в районе г. Астана - 5,1 мкг/л, а минимальные - на МС Щучинск - 0,0 мкг/л, Аркалык - 0, 7 мкг/л.

Среднемноголетнее распределение количества атмосферных осадков за период залегания СП на территории Северного Казахстана за 2005-2010-е годы

Среднемноголетнее распределение концентрации свинца (Pb) в снежном покрове на территории Северного Казахстана за 2005 по 2010-е годы

Из рисунка 2 видно также, что на территории Северного Казахстана концентрации свинца в СП не превышают ПДК.

Концентрации свинца в осадках в среднем невелики (рис. 2). Они понижаются при смеще­нии к востоку от западных районов до Аркалыка, затем снова растут на участке от Щучинска до Семипалатинска и Риддера. Максимальные его концентрации имеют место над Актюбинским промышленным районом (район Хромтау) и над Астаной. Над Астаной отмечается основной максимум (5 мкг/л).

Наряду со свинцом в атмосферу выбрасывают­ся без очистки диоксид серы и пыль, содержащие тяжелые металлы - медь, свинец, мышьяк и др.

В выбросах твердых веществ медь содержит­ся в основном в виде соединений, преимуще­ственно оксида меди. На рисунке 3 представлено распределение меди по территории Северного Казахстана.

Среднемноголетнее распределение концентрации меди (Cu) в снежном покрове на территории Северного Казахстана за период с 2005 по 2010-е годы

В целом в снежном покрове среднемно-голетние концентрации меди колебались от 2,8 мкг/л (МС Аркалык) до 27,0 мкг/л (МС Пав­лодар). Высокое содержание меди в снежном по­крове наблюдается на МС Астана (25,0 мкг/л), Актобе (23,3 мкг/л), Семей (20,9 мкг/л), Риддер (20,3 мкг/л). Над большей частью рассматрива­емой нами территории наблюдаются повышен­ные концентрации меди. Минимальные же кон­центрации меди отмечены на МС Аркалык (2,8 мкг/л), Щучинск (3,9 мкг/л).

Одним из наиболее токсичных металлов является кадмий, довольно широко применяв­шийся для изготовления красителей (пигментов) и в качестве стабилизатора при производстве пластмасс (в частности полихлорвинила), Кад­мий содержится в выбросах предприятий ме­таллургии, ряда химических предприятий (про­изводство серной кислоты), свинцово-цинковых заводов и т. д.

На представленном рисунке 4, видно, что об­ласти наиболее высоких концентраций кадмия расположены локально над районам г. Астаны, где ПДК превышен в 3 раза, а также на станции Жагабулак, где концентрации кадмия близки к 1 ПДК. В тоже время средние многолетние на­копления кадмия в снежном покрове Северного Казахстана на большей его части ниже нормы.

В среднем по территории Северного Казахстана концентрации кадмия колеблются от 0,1 до 3,3 мкг/л.

Мышьяк (рис. 4) относится ко второму клас­су опасности, т.е. это высокоопасное вещество, ПДК равно 50 мкг/л [4]. Основными источни­ками мышьяка в природную среду являются продукты сгорания нефти, отходы горно-обога­тительных и металлургических предприятий, а также применяемые в быту моющие средства. Некоторое количество мышьяка поступает из почв, а также в результате разложения расти­тельных и животных организмов. В природных водах соединения мышьяка находятся в раство­ренном и взвешенном состоянии, соотношение между которыми определяется химическим со­ставом воды и значениями рН.

Основные антропогенные источники (As) связаны с промышленной деятельностью. Это обработка металлов, химические заводы по пе­реработке минералов серы и фосфора, сжигание угля, геотермальные электростанции, и с исполь­зованием мышьякосодержащих пестицидов, особенно в фруктовых садах.

Осредненные пятилетние значения мышьяка в снежном покрове по территории Северного Ка­захстана предоставлены на рисунке 5.

Среднемноголетнее распределение концентрации кадмия (Cd) в снежном покрове на территории Северного Казахстана за период с 2005 по 2010-е годы 

Из рисунка 5 видно, что, в среднем на рассматриваемой территории содержание мышьяка в СП значительно ниже ПДК.  Самое высокое содержание мышьяка в снежном покрове наблюдается в восточной части рассматриваемой территории Павлодар, Семи-ярка, Семей, где его величины колеблются от 2,0 мкг/л до 2,4 мкг/л. Минимальные значения мышьяка наблюдались на МС Жалпактал - 0,1 мкг/л и Жагабулак - 0,2 мкг/л.

Среднемноголетнее распределение концентрации мышьяка (As) в снежном покрове на территории Северного Казахстана за период с 2005 по 2010-е годы

Кислотность осадков определяется концен­трацией иона водорода Н+. Дождевая и облачная вода имеют в основном слабокислую реакцию, их рН<7. В воде облаков и осадков перемешаны сильные и слабые кислоты, частично их нейтра­лизуют щелочи (рис. 6).

Среднемноголетнее значение pH в снежном покрове на территории Южного Казахстана за 2005-2010-е годы

Значение рН также возрастает при попада­нии в осадки почвенной пыли в районах со ще­лочными почвами. Ионы водорода поступают в раствор за счет диссоциации кислот в растворе. Сильные кислоты, например, азотная, диссо­циируют почти полностью. Для слабых кислот(угольная) степень диссоциации тем больше, чем больше их концентрация. Одним из естествен­ных источников поступления ионов водорода в раствор является диссоциация молекул воды. Причиной диссоциации является то, что моле­кулы воды поляризованы (на атоме кислорода находится частичный отрицательный заряд, на атомах водорода - частичный положительный), поэтому они оттягивают к себе ту часть другой молекулы, что имеет противоположный заряд.

С промышленными выбросами в атмосферу поступают вещества, приводящие к образова­нию сильных кислот - соляной, серной, азотной, фтористоводородной. Поступление в атмосферу хлористого и фтористого водорода локализовано в районах со специфическими производствами, например выпуском алюминия. Вещества, со­держащие оксиды серы и азота, присутствуют в выбросах многих отраслей промышленности.

Выпадение кислотных дождей вызывает за-кисление природной среды, следствием чего яв­ляется:

  • -      вымывание тяжелых металлов из почв, что повышает их мобильность в почвенном раство­ре и, следовательно, их доступность для живых организмов;
  • -      изменение соотношения в почве кальция и алюминия в сторону уменьшения кальция, что приводит к задержкам роста корневой системы;
  • -      усиление коррозии различных материа­лов и конструкций - машин, зданий, в том числе уникальных памятников старины.

Кислотность облачной среды и выпадающих осадков в основном определяется процессами окисления соединений серы и азота, а также пре­образованием органических соединений и фото­химическими процессами. В течение года также происходят изменения химического состава и кислотности осадков.

Результаты определения среднемноголетних значений рН отобранных проб в снежном покро­ве приведены на рисунке 6. Кислотность проб в снежном покрове за 2005-2010-е годы в основном имеет характер нейтральной и слабощелочной среды. В целом по территории Северного Казах­стана среднемноголетние показатели pH состав­ляют 6,0 и относятся к слабощелочному типу.

Из графика на рисунке 6 видно, в западной части Казахстана самые высокие величины рН имеют место над Актюбинском (6,49), ближе к центральной части рН понижается до 6,12 (Ар-калык). Далее к востоку они снова растут, дости­гая величины 6,20-6,40 (Павлодар). Величины рН значительны над промышленными центрами Караганда, Павлодар и Шемонаиха.

Минимальная величина рН наблюдается над северо-западом Кустанайской области и в районе Кокчетавской возвышенности (Щучинск 5,42).

В качестве выводов можно отметить следу­ющее:

  1. Наибольшие накопления свинца отмечены в районе г. Астана в 5,1 мкг/л, а минимальные на МС Щучинск - 0,0 мкг/л, Аркалык - 0, 7 мкг/л. Территория Северного Казахстана по содержа­нию свинца в СП не превышает ПДК.
  2. В целом в снежном покрове среднемно-голетние концентрации меди колебались от 2,8 мкг/л (МС Аркалык) до 27,0 мкг/л (МС Пав­лодар). Высокое содержание меди в снежном покрове наблюдается МС Астана (25,0 мкг/л), Актобе (23,3 мкг/л), Семей (20,9 мкг/л), Риддер (20,3 мкг/л).
  3. Наиболее высокие концентрации кадмия расположены локально над районом г. Астаны. Они превышают ПДК в 3 раза. Также высокие концентрации кадмия имеют место в Западном Казахстане, на станциях Жагабулак и др., т.е. в районе Актюбинского промышленного райо­на. Средние многолетние накопления кадмия в снежном покрове Северного Казахстана на боль­шей части территории Северного Казахстана ниже нормы.
  4. В среднем на рассматриваемой территории содержание мышьяка в СП значительно ниже ПДК. Самое высокое содержание мышьяка в снежном покрове наблюдается в восточной ча­сти рассматриваемой территории, т.е. Павлодар, Семиярка, Семей, где имеют место величины от 2,0 мкг/л до 2,4 мкг/л. Минимальные значения мышьяка наблюдались на МС Жалпактал - 0,1 мкг/л и Жагабулак - 0,2 мкг/л.
  5. Кислотность проб в снежном покрове за 2005-2010-е годы в основном имеет характер нейтральной и слабощелочной среды. Средне-многолетние значения величины рН осадков изменялись от 5,43 на МС Семиярка до 6,49 -МС Актобе. В целом по территории Северного Казахстана среднемноголетние показатели pH близки к 6,0 и относятся к слабощелочному типу.

 

Литература

1    Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покро­ва. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 123 с.

2    Ревич Б.А., Сает Ю.Е., Смирнова Р.С., Со­рокина Е.П. Методические рекомендации по гео­химической оценке загрязнения территории го­родов химическими элементами. - М.: ИМГРЭ,1982. - 78 с.

3    Буштуева К.А., Парцеф Д.П., Беккер А.А., Ревич Б.А. Выбор зон наблюдений в крупных промышленных городах для выявления влияния атмосферных загрязнений на здоровье населения // Гигиена и Санитария. - М., 1964. - № 1. - С. 4-6.

4    Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1987. - 718 с.

Фамилия автора: А. Р. Жумалипов
Год: 2011
Город: Алматы
Категория: География
Яндекс.Метрика