Патент на изобретение №2342684

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОГЕННОЙ НАГРУЗКИ МЕТАЛЛОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

(57) Реферат:

Изобретение относится к экологической геофизике, в частности к способам мониторинга аэрогенного загрязнения окружающей среды. Сущность: отбирают пробы снега в пунктах, удаленных на расстояния более 30 м от антропогенных объектов. Пробы оттаивают, получают твердую фракцию путем фильтрования. Определяют количества каждого металла в твердой фракции. Вычисляют величины нагрузки, создаваемой поступлением каждого металла в окружающую среду, сопоставляют их с фоновыми значениями и вычисляют суммарные показатели нагрузки Z_P. Помимо этого, 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. На фильтрах, относящихся к выборке, определяют количество каждого металла методом 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_PM, по которому рассчитывают значения Z_P для всей совокупности значений К_PM. Технический результат: повышение надежности. 6 ил.

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 P₀ – 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 s10^-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_PMZ_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 а₁ – 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 a₁=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 а₁, _a0, _a1. График функции _Zпред(К_PM) приведен на фиг.5. Предлагаемый способ применим в диапазоне, где выполняется условие Z_PZпред. 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_P48.25 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.

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.

РИСУНКИ