Введение

   В последние годы в городе Донецке наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению качества атмосферного воздуха. В воздушный бассейн города поступает большое количество загрязняющих веществ, среди которых особое место занимают тяжелые металлы, и в их числе свинец.

   Соединения свинца, концентрация которых в атмосферном воздухе города Донецка не превышают ПДКс.с., имеют способность к аккумуляции в окружающей среде и в организме человека.

Актуальность темы

   Актуальность роботы состоит в том, что свинец входит в перечень приоритетных загрязнителей наряду с ртутью, кадмием, что требует проведения глобальных действий в связи с использованием этих тяжелых металлов.

Объект исследования

   Объектом исследования является атмосферный воздух города Донецка.

Методы исследования

   В работе использованы следующие методы исследований: сбор, систематизация и статистический анализ данных о загрязнении воздушного бассейна г. Донецка свинцом; методы математического моделирования и регрессионного анализа.

Цель исследования

   Анализ состояния атмосферного воздуха г. Донецка при загрязнении его соединениями свинца, выявление наибольших вкладчиков загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха свинцом, прогноз концентраций свинца в атмосферном воздухе на будущие периоды и разработка мероприятий по уменьшению выбросов свинца от стационарных и передвижных источников.

Научная новизна

   Новизна работы состоит в разработке математических моделей для прогнозирования будущих уровней загрязнения атмосферного воздуха соединениями свинца, в проведении сводного расчета рассеивания выбросов свинца от стационарных и передвижных источников выбросов и построении на основе этого расчета карт загрязнения приземного слоя воздуха г. Донецка свинцом.

 Практическое значение полученных результатов

    Полученные в работе данные могут быть использованы при разработке программы по улучшению состояния атмосферного воздуха г.Донецка.

 Источники загрязнения атмосферного воздуха свинцом

   Влияние природных источников свинца на его концентрацию в окружающей среде незначительно. Свинец поступает в окружающую среду в результате разрушения горных пород. К источникам свинца в атмосферном воздухе относятся силикатные пыли, вулканические галогенные аэрозоли, зола и дымы лесных пожаров, аэрозоли морских солей, метеорные и метеоритные дымы и свинец, выделяющийся при распаде радона [1]. Из антропогенных источников на протяжении последних 70 лет основным автотранспорт, в особенности в районах с интенсивным его движением из-за использования присадок тетраэтилсвинца как антидетонатора. Антропогенными источниками свинца, поступающего в атмосферный воздух, являются сжигание каменного угля, работа металлургических предприятий, а также предприятий химической и коксохимической промышленности, от которых в атмосферный воздух поступает оксид свинца.

   Статистические данные по выбросам загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников в городе Донецке показывают, что выбросы от стационарных источников уменьшаются, а по передвижным источникам  – увеличиваются. В 2008 году вклад автотранспорта в суммарные выбросы по городу Донецку достиг 40,9% [10]. В работе проведен анализ распределения автотранспорта по категориям (рис. 1).

Рис. 1  –  Процентный состав автотранспорта по г. Донецку

   Анализ данных по категориям автотранспорта показывает, что в Донецке почти 85% автотранспорта приходится на легковой автотранспорт [9]. Сравнение усредненных удельных выбросов от грузового, пассажирского и легкового автотранспорта показывает, что удельный выброс свинца от пассажирского автотранспорта при использовании этилированного бензина вдвое больше, чем при использовании этилированного бензина грузовым и пассажирским автомобильным транспортом.

Круговорот свинца в окружающей среде

   Перенос и распространение свинца от стационарных и передвижных источников в окружающую среду происходит главным образом через атмосферу. Крупные сбросы могут происходить непосредственно в естественные воды и на поверхность почвы, но в этих случаях свинец локализуется вблизи мест сброса вследствие очень низкой растворимости соединений, которые образуются при контакте с почвой и водой [8]. Перенос свинца из атмосферного воздуха в другие среды сегодня плохо изучен, и механизмы удаления свинца из воздуха, поняты не до конца. Однако, ряд данных указывают на то, что существенная часть свинца удаляется из атмосферного воздуха путем сухого и мокрого осаждения на почвы и водоемы.

Рисунок анимирован 7 кадров с задержкой 70, постоянный повтор, размер 220 КБ

1  – город, 2  – промышленные стоки, 3  – аэрозольные выбросы, 4  – аэрозоль, 5  – металл сорбированный фитипланктоном, 6  – взвеси, 7  – осадки, 8  – металл сорбированный поверхностью донных отложений, 9  – металл в донных отложениях, 10 –   растворимые формы металла.

Рисунок 2 – Круговорот свинца в окружающей среде

   Свинец легко удаляется из воды, когда она проходит через почву и донные отложения. Это происходит благодаря высокой способности органических веществ прочно связывать свинец. Благодаря этому механизму очищения концентрация свинца, как в естественных водах, так и в системах водоснабжения обычно низкая.

   Перенос взвешенного в воздухе свинца на биоту может происходить прямым и косвенным путями. Растения накапливают свинец за счет выпадения осадков: прямым путем — через надземные части растений, или косвенным путем — через почву. Попав в растения, свинец аккумулируется в них.

Анализ загрязнения атмосферного воздуха г. Донецка соединениями свинца и прогноз его будущего состояния

   В настоящее время концентрации свинца в атмосферном воздухе г. Донецка анализируется на двух постах Донецкого областного центра по гидрометеорологии: в Куйбышевском и Буденовском районах.

   Динамика среднегодовых концентраций свинца (Q, доли ПДК) в атмосферном воздухе г. Донецка представлена на рисунке 3.

Рисунок 3  – Динамика среднегодовых концентраций свинца в атмосферном воздухе за период 2003 – 2009 гг.

   Анализ рисунка 2 позволяет сделать вывод о том, что начиная с 2005 г. произошел рост концентраций свинца с небольшим спадом в 2009 г. Увеличение концентраций свинца объясняется увеличивающимся количеством автотранспорта на дорогах Донецка, наличием «пробок», в которых выброс загрязняющих веществ увеличивается из-за работы двигателя на «холостом» ходу. Небольшое уменьшение концентраций свинца в 2009 году можно объяснить внедрением Программы поэтапного прекращения использования этилированного бензина и экономическим кризисом.

   Известно, что на рассеивание выбросов любого загрязняющего вещества значительное влияние оказывают метеорологические условия.

    В работе был проанализирован годовой ход концентрации свинца (рис.4).

 Рис. 4 – Годовой ход концентраций свинца в атмосферном воздухе г. Донецка в 2009 г.

    Анализ годового хода показал, что минимум концентраций свинца наблюдается в марте, максимум – в июле. Такой ход концентраций обусловлен влиянием метеорологических факторов на рассеивание выбросов от стационарных и передвижных источников выбросов.

    Условиями, при которых происходит накопление свинца в атмосферном воздухе, является скорость ветра 0 – 1 м/с, туманы, инверсии температуры, количество осадков менее 0,5 мм/сутки.

   С целью прогноза будущих концентраций свинца в атмосферном воздухе с помощью метода множественной регрессии были получены математические модели зависимости концентрации свинца от температуры воздуха, скорости ветра, мощности выброса и коэффициента самоочищения атмосферы, рассчитанного по методике [7].

CPb=1,647 + 0,966•k + 0,005•M – 1,073•t + 1,478•V (1)

где СPb – концентрация соединений кадмия, мкг/м3;

      М – мощность выбросов от стационарных источников выбросов, т/год;

      К – коэффициент самоочищения атмосферы; t – температура воздуха, °С;

      v – скорость ветра, м/с.

 Полученное регрессионное уравнение можно использовать при следующих значениях предикторов: 0,327 <M<0,81; 1,71<K<2,94; – 10<t<25,2; 2,79<v<6,56.

   Уравнение (1) позволяют сделать прогноз концентраций свинца при изменении мощности выбросов, температуры воздуха, скорости ветра и коэффициента самоочищения атмосферы.

Мероприятия по устранению негативного воздействия свинца

   Анализ источников свинцового загрязнения, степени загрязнения атмосферного воздуха свинцом, влияния этого загрязнения на здоровье населения и возможных путей его сокращения и устранения негативных последствий позволяет наметить следующую систему мероприятий по сокращению выбросов свинца в атмосферный воздух:

    – активизировать фундаментальные и прикладные научные исследования по свинцовой проблематике в рамках утвержденных Верховной Радой Украины, расширить объем и тематику исследований, осуществляемых в пределах своей компетенции министерствами и ведомствами;

    – обеспечить привлечение отечественных и иностранных инвестиций для модернизации, строительства новых технологических установок и реконструкции, соответствующих металлургических, химических и машиностроительных предприятий;

     – организовать систему комплексного экологического мониторинга за содержанием свинца в различных компонентах окружающей среды, особенно в городах с крупными источниками выбросов свинца;

    – внедрить международный стандарт ЕВРО (Евро-0, Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5) позволяющий контролировать выбросы от автотранспорта посредством штрафов за превышение утвержденных стандартов;

     – разработать систему мероприятий по утилизации вторичного свинцового сырья, предусматривающую, в частности, упорядочение сбора и переработки амортизированных аккумуляторов;

    – внедрить двухступенчатую систему медико-биологического мониторинга населения, включающую определение свинца в волосах при массовом обследовании и в крови (для групп повышенного риска);

     – организовать проведение лечебно-профилактических мероприятий по снижению воздействия свинцового загрязнения на состояние здоровья детского населения, особенно в городах с крупными источниками выбросов свинца в окружающую среду;

     – разработать список загрязненных свинцом территорий, наиболее опасных для здоровья населения, а также реестр стационарных источников загрязнения окружающей среды свинцом;

      – разработать предложения по организации на базе существующих лабораторий методических аналитических центров по определению свинца в объектах окружающей среды и биосубстратах;

     – подготовить предложения по организации системы информирования населения о свинцовом загрязнении окружающей среды, предусматривающие подготовку информационных изданий об опасности воздействия свинца на здоровье, мерах личной профилактики, а также мероприятия по обязательному информированию населения о наличии свинца в товарах [5].

Выводы

   При сжигании этилированного бензина в окружающую среду поступает примерно 70% всего антропогенного выброса этого металла. Важным источником антропогенного свинца являются выплавка и обработка металлов, а также сжигание угля.

    Свинец является высокотоксичным металлом для живых организмов. Установлено, что неорганические соединения свинца нарушают обмен веществ и выступают ингибиторами ферментов [4]. Длительное потребление вод является причиной хронических заболеваний, а способность замещать кальций в костях приводит к повышенной их хрупкости. Мутагенным действием свинец не обладает, однако его повышенное содержание в организме приводит к серьезным аномалиям развития плода (деформации скелета); он обладает способностью к аккумуляции и имеет чрезвычайно длительный период полувыведения.

    Проведенные в работе анализ и обработка статистических данных по концентрациям свинца и метеорологическим условиям города Донецка позволили построить математическую модель для прогноза загрязнения атмосферного воздуха г.Донецка свинцом при меняющихся метеорологических условиях.

Список используемой литературы

    1. РД 52.04.306 – 92 Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха // 2002 г. – 124 с.

    2. Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга //  2005 г. – 123 с.

    3. Ливанов П. А. Свинцовая опасность и здоровье населения / Соболев М. Б., Ревич Б. А.  // Рос. Сем. Врач. 1999, № 2. – 126 c.

    4. Корбанова А. И.Свинец и его действие на организм / Сорокина Н. С., Молодкина Н. Н. и соавт // Мед. труда и пром. экология, 2001. – 178 с.

    5. Агеева Ю.В., Брущенко А.Е.  доц. Беляева И.В. Анализ состояния атмосферного воздуха города Донецка/ [электронный ресурс]  – режим доступа: www.bestreferat.ru/referat-98590.html.

   6. Лапина С.Н. Способность атмосферы различных районов Саратовской области к самоочищению / Полянская Е.А., Фетисова Л.М. // Известия Саратовского университета т.8. сер. Науки о Земли, вып. 2, 2002. – 67стр.

    7. Малинин А.А. Свинец и проблемы экологии / [электронный ресурс]  – режим доступа: http://www.mixzona.ru/referat/referat/61694/.

    8.  Загрязнение среды свинцом/ [электронный ресурс]  – режим доступа:   http://www.5ka.su/ref/life/1_object88391.html.

    9. Плюмбум, или Опасная игра/ [электронный ресурс]  – режим доступа:  http://www.psdoc.boom.ru/plumbum.html.

    10. Обзор проблемы загрязнения кадмием, свинцом и ртутью  INVENTORY / [электронный ресурс]  – режим доступа:  http://www.ecoaccord.org/pop/doc/INVENTORY_RESULTS.doc.