Способ определения загрязненности снегового покрова техногенными компонентами

 

Изобретение относится к мониторингу окружающей среды для выделения участков загрязнения снегового покрова. Согласно заявленному способу отбирают пробы снега, их тают, фильтруют снеготалую воду, высушивают твердый осадок, просеивают до фракции менее 1 мм. Просеянную часть каждой пробы анализируют при помощи бинокулярного стереоскопического микроскопа с определением магнитных и немагнитных частиц с помощью намагниченной металлической иголки. Затем устанавливают процентное соотношение техногенных компонентов, по которым проводят построение изолиний и выделяют загрязненные участки территории. Технический результат: экспрессное определение загрязненности снегового покрова. 1 табл., 14 ил.

Изобретение относится к мониторингу окружающей среды для выделения участков загрязнения снегового покрова, установления источников загрязнения и зон влияния промышленных предприятий.

Загрязнение снега интересует многих исследователей, так как снеговой покров является идеальной депонирующей средой. В снеге фиксируются преимущественно частицы техногенного происхождения, поступающие за счет выбросов промышленных предприятий и других загрязнителей. Снеговой покров урбанизированных территорий представляет собой систему, в которой продукты техногенеза накапливаются в течение зимнего периода, а в процессе таяния включаются в природные и техногенные циклы миграции. В почве накапливаются вещества из снега, не подверженные процессам полного разрушения, которые особо опасны для живых организмов в виде пылевой составляющей.

Известен способ определения техногенной загрязненности снегового покрова тяжелыми металлами группы железа (железо, кобальт, никель), выбранный в качестве прототипа [Полное описание к патенту РФ №2176406, МПК 7 G 01 V 9/00, 3/00, G 01 N 27/76, опубл. 27.11.2001], включающий отбор проб снега, их таяние, фильтрацию снеготалой воды, высушивание твердого осадка, просеивание до фракции менее 1 мм, поочередное помещение отсеянной твердой фракции в кювету из немагнитного материала, установление кюветы на платформу датчика магнитной восприимчивости, измерение магнитной восприимчивости, затем вынесение полученных значений на карту исследуемой территории, построение изолиний магнитной восприимчивости и выделение загрязненных участков территории тяжелыми металлами группы железа по трехкратному превышению значений магнитной восприимчивости относительно фона.

Однако этим способом проводят определение загрязнения снегового покрова на площади без учета вещественного состава техногенных компонентов, что не позволяет выявлять и дифференцировать источники загрязнения.

Задачей настоящего изобретения является экспрессное определение загрязненности снегового покрова, включающей изучение вещественного состава техногенных компонентов, что позволяет выявлять причину загрязнения и выделять загрязненные участки снегового покрова и устанавливать источники-загрязнители на территории городов и других населенных пунктов на стадии рекогносцировочных или детальных эколого-геохимических исследований.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения загрязненности снегового покрова техногенными компонентами так же, как в прототипе, заключающемся в отборе проб снега, их таянии, фильтрации снеготалой воды, высушивании твердого осадка, просеивании до фракции менее 1 мм, определении в них наличия загрязняющих компонентов, вынесении полученных значений на карту исследуемой территории, построении изолиний и выделении загрязненных участков территории по превышению значений относительно фона, отличающемся тем, что просеянную часть каждой пробы анализируют при помощи бинокулярного стереоскопического микроскопа с определением магнитных и немагнитных частиц с помощью намагниченной металлической иголки, затем устанавливают процентное соотношение техногенных компонентов, по которым проводят построение изолиний и выделяют загрязненные участки территории.

Предлагаемый способ, по сравнению с известным, дает возможность конкретизировать участки загрязнения снегового покрова не только тяжелыми металлами группы железа, а также другими химическими элементами, из которых могут состоять частицы техногенного происхождения, что позволяет устанавливать источники загрязнения и выделять предприятия-загрязнители на различных стадиях исследований.

Полученные с его помощью результаты повышают минералогическую, геохимическую, экологическую и социальную эффективность работ за счет экспрессности и достоверности исследований.

Фиг.1 - металлические микрочастицы округлой формы специфического черного цвета с металлическим блеском. Размер их колеблется от 1 мм до 0,5 мм и менее.

Фиг.2 - цементная пыль представляет собой микрокристаллическую массу серого цвета. Размер отдельных частиц изменяется от сотых долей мм до 1 мм.

Фиг.3 - карта распределения цементной пыли в твердом осадке снега на территории экспериментального хозяйства Сибирского Ботанического сада (ЭХСБС). Цифровые значения указывают величину процентного содержания техногенных составляющих. Заштрихованные участки выделяют области повышенного и аномального загрязнения снегового покрова.

Фиг.4 - микрочастицы округлой формы белого (4а) и серого (4б) цвета. Частицы полупрозрачны и размер их изменяется от десятых долей мм до 1 мм.

Фиг.5 - карта распределения стекловидных микрочастиц округлой формы белого и серого цвета на территории ЭХСБС. Заштрихованные участки выделяют области аномального загрязнения снегового покрова.

Фиг.6 - частицы отходов металлообработки. Размер частиц изменяется от десятых долей мм до 1 мм. Цвет изменяется от бурого до черного.

Фиг.7 - карта распределения магнитных металлических микрочастиц на территории ЭХСБС. Заштрихованные участки выделяют области повышенного и аномального загрязнения снегового покрова.

Фиг.8 - частицы кирпичной крошки со специфичным кирпичным цветом и формой. Размеры частиц от десятых долей мм до 1 мм.

Фиг.9 - карта распределения частиц кирпичной крошки на территории ЭХСБС. Заштрихованные участки выделяют области повышенного загрязнения снегового покрова.

Фиг.10 - характерный облик частиц отходов (шлак, сажа, зола) тепловых котельных.

Фиг.11 - карта распределения частиц шлака, золы и сажи на территории ЭХСБС. Заштрихованные участки выделяют области повышенного и аномального загрязнения снегового покрова.

Фиг.12 - частицы биогенного происхождения (семена, останки насекомых).

Фиг.13 - характерные частицы отходов (опилки) столярного цеха научно-производственной фирмы (НПФ) “Квадро”.

Фиг.14 - карта распределения опилок (отходы столярного цеха НПФ “Квадро”) на территории ЭХСБС. Заштрихованные участки выделяют области повышенного и аномального загрязнения снегового покрова.

Вещественный состав твердого осадка снеговых проб (в процентных содержаниях, %) приведен в таблице.

Пример выполнения предлагаемого способа. На территории экспериментального хозяйства Сибирского Ботанического сада (ЭХСБС) г.Томска было отобрано 47 проб снега весом по 12-15 кг по сети 100100 метров. После отбора пробы таялись при комнатной температуре, фильтровалась снеготалая вода, высушивался твердый осадок снега, просеивался до фракции менее 1 мм, затем часть из каждой пробы весом 1-1,5 г, необходимым для заполнения кюветы, истиралась до состояния пудры. Истертая часть проб анализировалась с помощью рентгено-структурного анализа на установке ДРОН-3М для диагностики природных составляющих, среди которых были определены кварц, полевой шпат и слюда. В таблице приводится часть этих данных. Оставшаяся часть просеянных неистертых проб изучалась с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа (МБС-9) с определением магнитных и немагнитных частиц с помощью намагниченной металлической иголки и последующего установления процентного соотношения всех природных и техногенных составляющих методом сравнения с эталонными кружками [Вахромеев С.А. Руководство по минераграфии. - М.: Государственное издательство геологической литературы, 1950, с.178-181]. Вещественный состав твердого осадка снеговых проб был представлен различными частицами природного, техногенного и биогенного происхождения (таблица). Среди магнитной фракции выделены частицы различной формы, размера и цвета, которые характерны для чугунолитейного производства, металлообработки и железнодорожного транспорта. Немагнитная фракция была представлена цементной пылью, частицами природного происхождения, опилками, а также материалом тепловых котельных и других источников загрязнения. Среди частиц биогенного происхождения фиксировались семена различных растений и останки насекомых.

Полученные результаты вынесли на карту, после чего провели построение изолиний техногенной составляющей. Ореолы повышенных значений загрязнения характеризовались величинами более 3-5%, а аномальные в области более 15%. Участки максимального загрязнения характеризованы значениями более 25%, что отражает специфику производств предприятий.

Анализ вещества и ореолов загрязнения территории ЭХСБС показал следующее. Металлические микрочастицы округлой формы специфического черного цвета с металлическим блеском были выявлены во всех пробах (фиг.1). Размер их колебался от 1 мм до 0,5 мм и менее. По данным лазерного микроанализа на установке LMA-10 в составе частиц были определены железо, марганец, титан, хром, кремний и ряд других элементов. Для данных частиц характерны магнитные свойства, которые легко определялись с помощью намагниченной металлической иголки. Максимальное количество техногенных частиц было установлено в пробах №1, 2, 3, 4, 5 и 10 (таблица). Данные образования характерны для отходов чугунолитейного производства.

Цементная пыль представляла собой микрокристаллическую массу серого цвета (фиг.2). Размер отдельных частиц изменялся от сотых долей мм до 1 мм. Основная доля цемента была установлена в пробах № 46 и 43 территории научно-производственной фирмы (НПФ) "Квадро", где процентное содержание равнялось соответственно 80 и 40% (таблица). На карте распределения цементной пыли в твердом осадке снега был выявлен довольно обширный ореол в южной части площади ЭХСБС, который приурочен к производственным цехам НПФ "Квадро" (фиг.3). Ореол по уровню загрязнения делился на три зоны. Зона слабого загрязнения имела в среднем размеры 500800 метров, при этом доля цементной пыли колебалась в интервале от 5 до 10%. Зона воздействия повышенной или средней степени загрязнения определялась параметрами 360400 метров. Часть данного ореола (от 10 до 15%) приходилась на площадь ЭХСБС при ширине 100 м и простирании до 200 метров. Зона аномального или сильной степени загрязнения (более 15%) имела локальный характер и при размерах 200150 метров была сосредоточена на территории НПФ "Квадро" и его прилегающей площади. Таким образом, зона активного воздействия НПФ "Квадро" определялась радиусом 400 метров, из которого 200 метров приходилось на территорию ЭХСБС. Радиус пассивного загрязнения бетонно-растворного цеха НПФ "Квадро" составлял 500 метров, из которого 300 метров попадал на площадь ЭХСБС.

Микрочастицы округлой формы белого (а) и серого (б) цвета в максимальном количестве фиксировались в пробах №8 и 7 (таблица). Частицы полупрозрачны и размер их изменялся от десятых долей мм до 1 мм (фиг.4). Микроэлементный состав характеризовался присутствием кремния, магния, алюминия, меди, железа и других компонентов (по данным лазерного микроанализа). Частицы данного облика характерны преимущественно для отходов тепловых котельных. На карте распределения данных микрочастиц основной ореол аномального загрязнения был установлен в северной части территории ЭХСБС (фиг.5). Доля техногенной составляющей равнялась 20% и выше. Размер ореола составлял 1200500 метров. Основной вклад в загрязнение вносила государственная районная электрическая станция (ГРЭС-2).

Частицы отходов металлообработки представляли собой техногенные образования с сильными магнитными свойствами (фиг.6). Размер частиц определялся от десятых долей мм до мм. Цвет изменялся от бурого до черного. Поверхность частиц была покрыта кавернами различной формы. Максимальное количество микрочастиц наблюдалось в пробах №45 (15%), №32 (7%) и №23 (7%). Данные частицы могут быть продуктом металлообработки, а также результатом интенсивного движения железнодорожного транспорта. Наиболее характерный ореол аномального загрязнения фиксировался в западной части изучаемой территории вдоль железной дороги по простиранию 1 км при ширине 200-300 м (фиг.7). Здесь наиболее характерны металлические частицы, образующиеся при эксплуатации железнодорожного транспорта.

Частицы кирпичной крошки характеризовались специфичным кирпичным цветом и формой (фиг.8). Размеры частиц изменялись от сотых долей мм до 1 мм. Основная масса была сосредоточена в пробе №6 (10%) и №22 (14%). На карте распределения частиц кирпичной крошки в твердом осадке снега фиксировался ореол в юго-западной части территории ЭХСБС (фиг.9). Зона повышенной или средней степени загрязнения (7-9%) имела размеры по простиранию 800 м при ширине 300 м, тогда как участки сильного загрязнения более локальны (200150 м). Источником загрязнения в данном случае выступал кирпичный завод.

Шлак, зола и сажа являлись характерными отходами тепловых котельных (фиг.10). Облик частиц бесформен, черного или грязно-серого цвета, их размер колебался от 1 мм до десятых долей мм. Максимальное количество фиксировалось в пробах №17 (32%) и №18 (33%). Основная доля вещества была сосредоточена в северной части территории ЭХСБС (фиг.11). Здесь наиболее сильно проявилось влияние поселковой тепловой котельной и отопления частного сектора п.Степановка. Размер ореола составлял 500600 метров. В восточной части площади ЭХСБС был установлен ореол загрязнения среднего уровня с размерами по простиранию 500 метров при ширине 150 м за счет влияния объектов сектора индивидуальной застройки микрорайона "Зональный".

Частицы биогенного происхождения были представлены семенами различной растительности и останками насекомых (фиг.12). Частицы имели различную форму, цвет и размеры. Содержание данных образований представлено в таблице.

Опилки - отходы столярного цеха НПФ "Квадро". Цвет и форма данных частиц весьма характерна (фиг.13). Основная масса вещества фиксировалась в пробе №34 (55%). На карте распределения частиц были установлены ореолы загрязнения различной степени (фиг.14). Ореолы повышенного или слабой степени загрязнения (более 10%) фиксировались на площади размером 800700 метров, тогда как аномального или средней степени загрязнения (более 20%) имели параметры 600200 метров. Ореол максимального загрязнения в основном был установлен вне территории ЭХСБС с размерами 150100 м.

Ореолы распространения частиц различного типа позволили выделить площади загрязнения и установить предприятия-загрязнители данной территории. По результатам исследования были установлены участки загрязнения снегового покрова на территории ЭХСБС г.Томска и выявлены предприятия-загрязнители, среди которых НПФ “Квадро”, ГРЭС-2, кирпичный завод, поселковая котельная с отоплением частного сектора и железнодорожный транспорт.

Представленные данные являются составной частью эколого-геохимического и многоцелевого минералого-геохимического картирования и направлены на создание технологий этих картировании, а также отработки методологии геоэкологического мониторинга.

Формула изобретения

Способ определения загрязненности снегового покрова техногенными компонентами, включающий отбор проб снега, их таяние, фильтрацию снеготалой воды, высушивание твердого осадка, просеивание до фракции менее 1 мм, определение в них наличия загрязняющих компонентов, вынесение полученных значений на карту исследуемой территории, построение изолиний и выделение загрязненных участков территории по превышению значений относительно фона, отличающийся тем, что просеянную часть каждой пробы анализируют при помощи бинокулярного стереоскопического микроскопа с определением магнитных и немагнитных частиц с помощью намагниченной металлической иголки, затем устанавливают процентное соотношение техногенных компонентов, по которым проводят построение изолиний и выделяют загрязненные участки территории.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14