Патент на изобретение №2325640

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2325640 (13) C1
(51) МПК

G01N31/00 (2006.01)
G01V9/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 27.10.2010 – может прекратить свое действие

(21), (22) Заявка: 2007103950/04, 01.02.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

01.02.2007

(46) Опубликовано: 27.05.2008

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
ВАЛЕТДИНОВ Р.К., ГОРШКОВА А.Т., ВАЛЕТДИНОВ А.Р. Вестник Татарстанского отделения РЭА, 2004, №2, с.43-46. SU 857900 A1, 25.08.1981. SU 1543365 A1, 15.02.1990. RU 2176406 C2, 27.11.2001. RU 2229737 C1, 27.05.2004. RU 2188442 C2, 27.08.2002. SU 875266 A1, 25.10.1981. RU 2285916 C1, 20.10.2006. WO 01/96833 A1, 20.12.2001.

Адрес для переписки:

420087, г.Казань, Даурская, 28, Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан

(72) Автор(ы):

Валетдинов Айрат Ренатович (RU),
Валетдинов Ренат Кадырович (RU),
Валетдинов Фидель Ренатович (RU),
Горшкова Асия Тихоновна (RU),
Фридланд Сергей Владимирович (RU),
Шлычков Анатолий Петрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан (RU)

(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области экологического мониторинга окружающей среды. Способ включает отбор проб снега и определение реальных поступлений химических элементов на определенную площадь снежного покрова в единицу времени, причем определяют реальное поступление химических элементов на снежный покров в виде поступления химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, после чего вычисляют индекс интенсивности реального загрязнения из отношения реального поступления химических элементов к их реальному предельно допустимому поступлению, вызывающему повышение содержания химических элементов в 1 кг снега, размещенного на 1 м2 снежного покрова, на 1 ПДК. Достигается получение сопоставимых результатов о процессах загрязнения снежного покрова в различных регионах. 4 табл.

Изобретение относится к области экологического мониторинга окружающей среды.

Одна из важнейших проблем крупных городов – всевозрастающее загрязнение окружающей среды химическими элементами, которое представляет опасность для живых организмов и, в первую очередь, для человека.

Химические элементы, входящие в состав органических и неорганических выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферный воздух, поступают на подстилающую поверхность (почва, снег, растительный покров) с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и могут накапливаться в ней.

Снег обладает уникальной способностью извлекать из атмосферного воздуха загрязняющие вещества во время снегопада, сорбировать на поверхности снежного покрова атмосферные выпадения и аккумулировать их в своей массе от начала установления снежного покрова до его схода. Поэтому снежный покров является очень точным индикатором загрязненности природной среды, позволяющим учитывать не только массу выпадений атмосферных осадков и загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, но и последующее загрязнение водных объектов и почв.

Нужно отличать:

загрязнение – привнесение в окружающую среду физических, химических или биологических веществ в количествах, оказывающих негативное воздействие на человека, флору и фауну (процесс);

загрязненность – степень насыщения окружающей среды различными загрязняющими веществами. Например, загрязненность природных вод – это содержание в воде загрязняющих веществ, вызывающих превышение установленных норм ее качества (результат).

Для того чтобы охарактеризовать загрязненность снежного покрова химическими элементами, иногда ограничиваются определением их концентраций в снеговой воде [1]. По концентрациям можно выявить техногенные аномалии загрязненности на обследуемой территории. Однако вследствие пространственной и временной неоднородности снежного покрова по массе снега на единицу площади концентрации загрязняющих веществ не характеризуют достоверную степень загрязненности территории.

Для сравнительной оценки степени загрязненности снежного покрова наиболее часто используется коэффициент концентрации элемента в снеговой воде:

Ксхф

где: Кс – коэффициент концентрации;

Сх – содержание элемента в конкретной пробе, мг/л;

Сф – фоновое содержание элемента, мг/л;

Этот метод был разработан в 1982 г. Институтом минералогии и геохимии редких элементов [2].

Основными недостатками этого метода являются:

1. Вследствие временной и пространственной изменчивости снежного покрова концентрация загрязняющих веществ в нем не может служить характеристикой его загрязненности.

2. При использовании фоновых показателей концентраций:

– произволен выбор участка для отбора проб снега с целью определения фонового показателя;

– значения фоновых показателей зависят от характера метеорологических условий, количества снежных осадков и загрязняющих веществ, приносимых снеговыми облаками из дальних регионов;

– ежегодно имеют другое значение в связи с полной сменой снежного покрова;

– значения фонового показателя различны для разных регионов;

– суммарный показатель загрязненности, полученный сложением коэффициентов концентрации химических элементов, имеющих различную токсичность, не отражает истинную степень “вредности” загрязненной среды;

– не ясно, к какому объекту окружающей среды (человек, животные, рыбы, растения и др.) относится оценка опасности загрязненности;

– в связи с отсутствием оценочной шкалы опасности загрязненности снежного покрова по суммарному показателю загрязненности теряется смысл определения суммарного показателя по фоновым значениям.

Более корректные результаты, связанные с “вредностью” загрязненного объекта, можно получить при определении уровня индивидуального загрязнения по кратности превышения (коэффициент опасности – Ко) фактической концентрации (Сх) над соответствующими значениями ПДК, установленными для данного вида водопользования [3, 4]

Кох/ПДК [5]. Но и в этом случае остаются неопределенности, связанные с временной и пространственной изменчивостью снежного покрова.

Значения концентраций загрязняющих веществ в снеговой воде (мг/л) характеризуют лишь чистоту снега, но не дают сведений о количестве (массе) загрязняющих веществ, поступающих на загрязняемую территорию. Этот недостаток устраняется при определении массы поступления загрязняющих веществ на единицу площади за определенный период времени (мг/м2·время). Имеется возможность охарактеризовать загрязненность территории по модулю поступлений загрязняющих веществ (мг/м2·время) и выявить аномальные зоны загрязненности по массе поступлений. В этом случае исключаются погрешности, связанные с неоднородностью по массе снежного покрова, но не учитываются санитарно-гигиенические, токсикологические свойства химических элементов и не имеется возможности определить их суммарный эффект.

С целью оценки загрязненности снежного покрова в зависимости от количества (массы) загрязняющих веществ, поступивших на единицу площади за определенный период времени, и их “вредности” в отношении живых организмов предлагалось нормировать фактические поступления по отношению к предельно допустимым поступлениям [6] (прототип). Предельно допустимое поступление (ПДПСп) – это количество вещества (загрязнителя), поступающего на определенную площадь в единицу времени в количествах, образующих концентрации, не превышающие установленные ПДК. Выбор ПДК зависит от характера водопользования водных объектов, в которые поступают талые снеговые воды.

Для рыбохозяйственных водоемов расчет ПДПСпр.х. на снежный покров производится по формуле:

ПДПСпр.х.=ПДКр.х.·Мcp., мг/(м2·время),

где: ПДКр.х. – предельно допустимая концентрация вещества для рыбохозяйственных водоемов, мг/л;

Мcp. – средняя масса снега (кг) на единице площади (1 м2) обследованной территории к моменту отбора проб (5 зимних месяцев), определенная по результатам многолетних наблюдений (кг/(м2·5 мес)).

Для водоемов хозяйственно-питьевого назначения расчет ПДПСпх.п. на снежный покров производится по формуле:

ПДПСпх.п.=ПДКх.п.·Мcp., мг/(м2·время).

В городе Казани средний многолетний запас снега равен 170 кг/(м2·5 мес). Это “фоновое” значение поступлений снега на территории г.Казань за 5 зимних месяцев. “Фоновые” значения предельно допустимых поступлений химических элементов на снежный покров г.Казани вычисляются с использованием “фоновых” поступлений снега (табл.1).

Таблица 1
“Фоновые” предельно-допустимые поступления (ФПДПСп) некоторых химических элементов (водорастворимые формы) при запасе снега 170 кг/(м2·5 мес)
Элемент ПДКр.х. мг/л ФПДПСпр.х. мг/(м2·5 мес) ПДКх.п. мг/л ФПДПСпх.п. мг/(м2·5 мес)
Fe 0,1 17 0,3 51
Cd 0,005 0,85 0,001 0,17
Со 0,01 1,7 1,0 170
Mn 0,01 1,7 0,1 17
Cu 0,001 0,17 1,0 170
Ni 0,01 1,7 0,1 17
Pb 0,006 1,02 0,03 5,1
Cr 0,02 3,4 0,05 8,5
Zn 0,01 1,7 1,0 170

Для оценки загрязненности снежного покрова используются индексы загрязненности снежного покрова (ИЗСп), рассчитываемые как отношение фактического поступления к предельно допустимым поступлениям [6].

Таким образом, и в этом случае используются “фоновые” показатели, пригодные для корректного описания загрязненности снежного покрова только для конкретного региона, но с определенной погрешностью используемые в этих целях и для других территорий.

Для получения сопоставимых результатов о процессах загрязнения снежного покрова в различных регионах, не зависимых от “фонового” запаса снега и соответственно от “фоновых” предельно допустимых поступлений химических элементов на снежный покров, в данном предлагаемом изобретении предлагается ввести новый показатель – реальное предельно допустимое поступление химических элементов на снежный покров (РПДПСп).

РПДПСп – это поступление химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, вызывающее повышение содержания химического элемента в 1 кг снега, размещенного на 1 м2 снежного покрова, на 1 ПДК. Значения ПДК определяются в зависимости от вида водопользования объектов, в которые поступают талые воды. Например, для рыбохозяйственных водных объектов используются рыбохозяйственные ПДКр.х. Исходя из определения ПДК и РПДПСп химических элементов они имеют численно равные значения, отличаясь лишь размерностью (табл.2).

Таблица 2
Реальные предельно-допустимые поступления некоторых химических элементов на 1 кг снега на 1 м2 депонирующей поверхности
Химический элемент ПДКр.х. [3] мг/л РПДПСпр.х. мг/м2 ПДКх.п. [4] мг/л РПДПСпx.п. мг/м2
Cd 0.005 0.005 0.001 0.001
Fe 0.1 0.1 0.3 0.3
Mn 0.01 0.01 0.1 0.1
Cu 0.001 0.001 1.0 1.0
Ni 0.01 0.01 0.1 0.1
Pb 0.006 0.006 0.03 0.03
Cr 0.02 0.02 0.05 0.05
Zn 0.01 0.01 1.0 1.0

С использованием РПДПСп можно определить индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова (ИИРЗСп) химическими элементами за определенный период времени.

ИИРЗСп=РП, мкг/(м2·t)/РПДПСп, мкг/м2; 1/t,

где: t – продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год), РП – реальное поступление загрязняющего вещества на 1 м2 снежного покрова за период времени t, мкг/(м2·t).

Индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова характеризует скорость, с которой происходит накопление химического элемента в массе снега 1 кг, поступившего на 1 м2 депонирующей поверхности и повышающее загрязненность снежного покрова на соответствующее количество единиц ПДК. Таким образом, например, 150 1/t можно расшифровать следующим образом: в течение периода времени t (сутки, месяц, год) происходит увеличение загрязненности снега (снеговой воды) массой в 1 кг, поступившего на 1 м2 депонирующей поверхности, на 150 единиц соответствующих РПДПСп (рыбохозяйственных или хозяйственно-питьевых). Чем больше значение ИИРЗСп, тем быстрее содержание химических элементов в снежном покрове достигнет 1 ПДК.

Исходя из этого сущность изобретения заключается в следующем.

1. В результате снегомерных съемок на обследуемой территории отбираются пробы снега, определяется масса снега в пробе и рассчитывается поступление снега (Пснега) на обследуемую территорию (кг/(м2·1 мес).

2. Снеговые воды анализируются на содержание в них химических элементов.

3. Определяется реальное поступление химических элементов на 1 м2 обследуемой подстилающей поверхности по формуле:

РП=Пснега·С, мкг/(м2·t),

где: С – концентрация химического элемента в снеговой воде, мг/л,

t – период времени от момента установления снежного покрова до взятия проб.

4. Вычисляется индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова на обследуемой территории химическими элементами (ИИРЗСп) за определенный период времени по формуле:

ИИРЗСп=РП, мкг/(м2·t)/РПДПСп, мкг/м2; 1/t,

где: РП – реальное поступление химического элемента, мкг/(м2·t);

t – продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

ИИРЗСп оценивает скорость загрязнения снежного покрова в зависимости от массы поступления загрязняющих веществ и их санитарно-токсикологических характеристик и характеризует интенсивность техногенного поступления химических элементов на снежный покров (снеговые воды).

Основными преимуществами предлагаемого способа оценки загрязнения снежного покрова являются:

1. Возможность сравнения техногенной нагрузки на снежный покров (снеговые воды) для любых (различных) регионов, отличающихся массой поступления снега, и в ретроспективе лет (малоснежные и многоснежные), так как не используются средние, “фоновые” значения запаса снега.

2. Отсутствие погрешностей, вносимых в оценку загрязненности снежного покрова, при использовании единого для всех регионов и периодов времени “фонового” поступления снега. Например, определенного для условий г.Казани (170 кг/(м2·5 мес)).

В 1 кг массы снега условно сконцентрированы поступления химических элементов за весь период с момента установления снежного покрова до взятия проб. Поэтому для определения индекса реальной загрязненности снежного покрова необходимо значение индекса интенсивности реального загрязнения снежного покрова разделить на интенсивность поступления снега, фактически выпавшего на исследуемую территорию, за тот же период. При этом исключается необходимость использования значений “фонового” поступления снега.

В связи с тем что продолжительность образования и сохранения снежного покрова меняется ежегодно и различна в различных регионах, предпочтительнее вести все расчеты с использованием поступлений химических элементов и снега в течение одного месяца. С использованием индексов интенсивности реального загрязнения снежного покрова имеется возможность:

– охарактеризовать относительную скорость загрязнения депонирующей поверхности химическими элементами независимо от количества поступающего снега;

– сравнивать различные регионы по скорости загрязнения химическими элементами в ретроспективе лет;

– оценить степень загрязнения снеговой воды одним или несколькими химическими элементами;

– определить приоритетные химические элементы, загрязняющие водные объекты;

– оценить интенсивность техногенной нагрузки выбросов химических элементов на окружающую среду;

– оценивать интенсивность загрязнения снежного покрова любыми загрязняющими веществами.

Примеры

В табл.3 рассматриваются оценки загрязнения снежного покрова по индексу интенсивности реального загрязнения снежного покрова химическими элементами по результатам обследования, проведенного в Республике Татарстан (РТ) и в крупных промышленных центрах РТ в 2005 и 2006 гг.

Таблица 3
Сравнение интенсивностей загрязнения снежного покрова РТ и крупных промышленных центрах РТ по средним показателям поступлений химических элементов (ХЭ) и снега
Элемент Со Mn Cu Ni Pb Cr Zn Интенсивность поступления снега, кг/(м2·1 мес) Сумма индексов пяти ХЭ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
РПДПСпр.х., мкг/м2 5 10 1 10 6 20 10
г.Альметьевск 2006 г.
Поступление ХЭ мкг/(м2·1 мес) 3,68 228,8 149,8 165,2 26,1 24,1 1044,7 32,8
ИИРЗСп, 1/1 мес 0,7 22,9 149,8 16,5 4,4 1,2 104,5 298,1
ИРЗСп 0,02 0,7 4,6 0,5 0,1 0,04 3,2 32,8 9,1
ИФЗСп 0,02 0,7 4,4 0,5 0,1 0,04 3,1 34 8,8
г.Бугульма 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 54,5 437,7 133 147,1 39,8 14,2 2522 35,3
ИИРЗСп, 1/1 мес 10,9 43,8 133 14,7 4 0,7 252,2 454,6
ИРЗСп 0,3 1,24 3,8 0,4 0,1 0,02 7,1 35,3 12,8
ИФЗСп 0,3 1,29 3,9 0,4 0,1 0,02 7,4 34 13,3
г.Елабуга 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 4,6 197,7 92,6 102,9 10,6 5,6 727 21,8
ИИРЗСп, 1/1 мес 0,9 19,8 92,6 10,3 1,8 0,28 72,7 197,2
ИРЗСп 0,04 0,91 4,2 0,47 0,08 0,01 3,3 21,8 8,96
ИФЗСп 0,03 0,58 2,7 0,3 0,05 0,01 2,1 34 5,7
г.Зеленодольск 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 9,9 781 299 181 27,8 13 1800 22,1
ИИРЗСп, 1/1 мес 2 78,1 299 18,1 4,6 0,65 180 579,8
ИРЗСп 0,09 3,5 13,5 0,82 0,2 0,03 8,1 22,1 26,1
ИФЗСп 0,06 2,3 8,8 0,53 0,1 0,02 5,3 34 17
г.Казань 2005 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 6,4 318,4 204,2 218 54,4 16 1200 20,8
ИИРЗСп, 1/1 мес 1,3 31,8 204 21,8 9,1 0,8 120 386,7
ИРЗСп 0,06 1,53 9,8 1,05 0,4 0,03 5,8 20,8 18,6
ИФЗСп 0,04 0,95 0,6 0,6 0,27 0,02 3,5 34 11,3
г.Казань 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 8,7 323 359 118 31,8 15 1814 28
ИИРЗСп, 1/1 мес 1,7 32,3 359 14,7 5,3 0,75 181,4 592,7
ИРЗСп 0,06 1,15 12,8 0,5 0,19 0,03 6,5 28 21,1
ИФЗСп 0,05 0,95 10,6 0,4 0,16 0,02 5,3 34 17,4
г.Лениногорск 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 13,1 210,1 137,8 254,4 18,4 9,2 872,2 33,8
ИИРЗСп, 1/1 мес 2,6 21 137,8 25,4 3,1 0,5 87,2 274,5
ИРЗСп 0,08 0,6 4,1 0,8 0,1 0,01 2,6 33,8 8,2
ИФЗСп 0,08 0,6 4,1 0,8 0,1 0,01 2,6 34 8,2
г.Набережные Челны 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 6,5 146,5 112,9 116,3 11,5 9,5 1010 20
ИИРЗСп, 1/1 мес 1,3 14,6 112,9 11,6 1,9 0,5 101 454,6
ИРЗСп 0,06 0,7 5,6 0,6 0,1 0,03 5,1 20 12,1
ИФЗСп 0,04 0,43 3,3 0,3 0,05 0,01 3 34 7,1
г.Нижнекамск 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 9,5 23,6 129,5 154,1 45,7 9,3 1274 24
ИИРЗСп, 1/1 мес 1,9 23,6 125,9 15,4 7,6 0,5 127,4 300
ИРЗСп 0,08 0,98 5,25 0,6 0,3 0,02 5,3 24 12,4
ИФЗСп 0,06 0,69 3,7 0,45 0,2 0,01 3,7 34 8,7
Республика Татарстан 2005 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 17 1077 125 117 34 15 882 26
ИИРЗСп, 1/1 мес 3,4 107,7 125 11,7 0,7 0,75 88,2 333,3
ИРЗСп 0,13 4,14 4,8 0,45 0,03 0,03 3,4 26 12,8
ИФЗСп 0,1 3,17 3,7 0,34 0,02 0,02 2,6 34 9,8
Республика Татарстан 2006 г.
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 39,5 168 190 119 18 13 1330 25,4
ИИРЗСп, 1/1 мес 7,9 16,8 190 11,9 3 0,68 133 359,5
ИРЗСп 0,31 0,66 7,5 0,47 0,12 0,02 5,2 25,4 14,1
ИФЗСп 0,23 0,49 5,6 0,35 0,09 0,02 3,9 34 10,6
Свинцовый комбинат г.Зыряновск, 1985 г. [7]
Поступление ХЭ, кг/(км2·сут) 0,12
Поступление ХЭ, мкг/(м2·1 мес) 3600
ИИРЗСп, 1/1 мес 600
ИРЗСп
ИФЗСп 17,6 34

По данным табл.3 можно сделать сравнительные выводы о техногенной нагрузке в крупных промышленных центрах и районах РТ (табл.4).

Таблица 4
Ранжирование крупных промышленных центров и районов РТ по индексу интенсивности реального загрязнения снежного покрова.
№ п.п. Год обследования Регион ИИРЗСп ИРЗСп ИФЗСп
1 2006 Елабуга 197,2 9,0 5,7
2 2006 Наб. Челны 242 12,1 7,1
3 2006 Лениногорск 274,5 8,2 8,2
4 2006 Альметьевск 298,1 9,1 8,8
5 2006 Нижнекамск 300 12,1 8,8
6 2005 РТ 333,3 12,8 9,8
7 2006 РТ 359,5 14,1 10,6
8 2005 Казань 386 18,6 11,3
9 2006 Бугульма 454,6 12,8 13,3
10 2006 Зеленодольск 578,8 26,1 17,0
11 2006 Казань 592,7 21,1 17,4

В материалах заявки использованы следующие сокращения:

Интенсивность поступления – реальное поступление химических элементов на снежный покров за единицу времени, мкг/(м2·1 мес).

ИИРЗСп – индекс интенсивности реального загрязнения снежного покрова.

ИРЗСп – индекс реальной загрязненности снежного покрова, учитывающий реальное поступление снега на данной территории.

ИФЗСп – индекс “фоновой” загрязненности снежного покрова, полученный с использованием “фонового” поступления снега на территорию г.Казани, 170 кг/(м2·5 мес) или 34 кг/(м2·1 мес)

Литература

1. Василенко В.Н., Назаров И.М. и др. Мониторинг загрязнения снежного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 182 с.

2. Ревич Б.Н., Сает Ю.И., Смирнова Р.С., Сорокина Е.П. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982. – 111 с.

3. Перечень нормативов ПДК и ОБУВ вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. – М.: изд-во ВНИРО, 1999. – 305 с.

4. ГН 2.1.5.689-98. ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Формула изобретения

Способ оценки интенсивности загрязнения снежного покрова, включающий отбор проб снега и определение реальных поступлений химических элементов на определенную площадь снежного покрова в единицу времени, отличающийся тем, что определяют реальное поступление химических элементов на снежный покров в виде поступления химических элементов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, после чего вычисляют индекс интенсивности реального загрязнения из отношения реального поступления химических элементов к их реальному предельно допустимому поступлению, вызывающему повышение содержания химических элементов в 1 кг снега, размещенного на 1 м2 снежного покрова, на 1 ПДК.

Categories: BD_2325000-2325999