Оценка загрязненности тяжелыми металлами снежного покрова на территории Южного Казахстана

Снежный покров играет огромную роль во многих природных процессах. Он является эффективным накопителем аэрозольных за­грязняющих веществ (ЗВ), выпадающих из ат­мосферного воздуха. В снежном покрове могут наблюдаться загрязняющие вещества, которые не улавливаются наземными наблюдениями и расчетными данными по выбросам в атмос­феру. Именно качество снежного покрова ярко демонстрирует влияние различных источников загрязнения атмосферного воздуха на поверх­ности земли [1].

Анализ качества снежного покрова позволя­ет проследить пространственное распределение загрязняющих веществ по территории Южного Казахстана и получить достоверную картину зон влияния конкретных промышленных предпри­ятий и других объектов на состояние окружаю­щей среды. Результаты исследований по хими­ческому составу снежного покрова могут дать представление о переносе вредных примесей на значительные расстояния.

В качестве самостоятельной территории ис­следования была выбрана территория Южного Казахстана южнее 48 параллели.

В данной работе использованы результаты лабораторных исследований отдела химико-ана­литической лаборатории центра гидрометеоро­логического мониторинга г. Алматы. Исследова­на динамика основных характеристик снежного покрова, определен химический состав атмос­ферных осадков и дана оценка загрязненности снежного покрова по территории Южного Ка­захстана за период 2005-2009 гг.

Для территории Южного 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 Южного Казахстана являются пред­приятия черной и цветной металлургии, топлив­ные электростанции и котельные, добывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, авто­транспорт и др.

Среднемноголетнее распределение количе­ства атмосферных осадков за период залегания снежного покрова на территории Южного Ка­захстана представлено на рисунке 1. Анализ дан­ных метеорологических станций осуществлялся нами по возможности с запада на восток, т.е. с увеличением долготы, так как это соответствует основному направлению переноса воздушных масс. Так, среднее количество годовых сумм осадков изменяется в основном от 6 мм/год и ме­нее до 267 мм/год и более.

Анализ данных метеорологических станций осуществлялся нами по возможности с запада на восток, т.е. с увеличением долготы, так как это соответствует основному направлению переноса воздушных масс. Так, среднее количество годо­вых сумм осадков изменяется в основном от 6 мм/год и менее до 267 мм/год, и более.

Из рисунка 1 видно, что над западом тер­ритории от Каспия до долготы Жезказгана среднегодовое количество осадков примерно равное на всех станциях, и в общем не пре­вышает 61 мм за период залегания. В райо­не МС Шымкент - Бурно-Октябрьское имеет место максимум осадков до 90 мм, что обу­словлено влиянием горных массивов, распо­ложенных южнее. От Шымкента к Балкашу годовое количество осадков понижается. На этих станциях оно составляет около 50 мм/ год и менее. Ближе к горам среднегодовое количество атмосферных осадков за период залегания достигает максимальной отметки 245 мм на (МС Мынжилки). Обусловлено это расположением данной станции на высоте бо­лее 3017 м над уровнем моря, где количество выпавших атмосферных осадков достига­ет максимальных значений и период залега­ния в некоторые годы равен 190 дней в году (2008-2009 гг). В районе Алматы - Мынжил­ки имеет место максимум осадков в среднем за период залегания от 140 мм (на МС Алматы агро) до 245 мм (на МС Мынжилки). Так же и на других предгорных станциях у северных склонов Илейского Алатау, количество осадков за период залегания достаточно велико, при довольно высокой межгодовой изменчивости. Оно снижается до 77 мм/год на (МС Улкен Нарын). Количество выпавших осадков увеличи­вается с запада на восток, что естественно. Пе­риод залегания атмосферных осадков различен в зависимости от орографии и местных усло­вий он изменяется от 1 дня на МС Пешной до 190 дней на МС Мынжилки.

Содержание микроэлементов в снеге коле­блется в очень широком диапазоне главным об­разом в зависимости от степени антропогенного влияния. Для территории Южного 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. Распределение металлов в различных компонентах окружаю­щей среды фиксируют источники загрязнения и зоны их воздействия [2].

Оценка содержания металлов в атмосфере воздуха проводится по среднесуточным кон­центрациям. Из-за трудоемкости отбора проб воздуха и сложности их анализа на широкий спектр химических элементов в городах, как правило, металлы в атмосферном воздухе не контролируются. Кроме того, в условиях круп­ных городов со сложной промышленно-сели-тебной застройкой ограниченное число ста­ционарных постов не позволяет получить до­стоверную информацию о пространственном распределении загрязняющих веществ на всей территории [3].

На рисунке 2 представлено среднемноголет-нее распределение свинца в снежном покрове Южного Казахстана.

Наибольшие накопления свинца в снежном покрове выявлены на МС Жезказган в 36,3 мкг/л (в 2009 году - 53,4 мкг/л) и на МС Балкаш 29,2 мкг/л (в 2006-2007 годы 57,5 мкг/л), а минималь­ные на МС Зайсан - 0,0 мкг/л, Бурно-Октябрь­ское - 0,85 мкг/л, Актау-0,07 мкг/л.

Можно видеть, что максимумы концентра­ции свинца в снеге наблюдаются над районами интенсивной добычи полиметаллических руд и их переработки. При этом в атмосферу поступа­ет большое количество пыли из районов рудни­ков. Кроме того, образующиеся при плавлении технологические газы выбрасываются в атмос­феру без очистки от диоксида серы и пыли, со­держащей тяжелые металлы - медь, свинец, мы­шьяк и др.

Из рисунка 2 видно также, что очаг загрязне­ния свинцом носит достаточно локальный харак­тер над Жезказганом и Балкашом.

Медь поступает в воздух с выбросами рудни­ков металлургических производств. В выбросах твердых веществ она содержится в основном в виде соединений, преимущественно оксида меди.

В целом в снежном покрове на террито­рии Южного Казахстана среднемноголетние концентрации меди колебались от 0,18 мкг/л (МС Есик) до 28,13 мкг/л (МС Жезказган) (рис. 3). Наблюдается повышенное содержа­ние меди в снежном покрове МС Шымкент (24,66 мкг/л), Улкен Нарын (15,70 мкг/л), Балкаш (23,25 мкг/л). Необходимо отметить, что данный период характеризуется высокими концентра­циями меди и в среднем за год они составляют 41,99 мкг/л.

По нашим предположениям, такие высокие концентрации меди обусловлены переносом и различием условий выпадения и накопления в снежном покрове.

Повышенные концентрации меди не носят такого локального характера, как свинец. Над большей частью рассматриваемой нами терри­тории она повышенная. На этом фоне выделяют­ся максимумы над Жезказганом - Шымкентом и Балкашом - Алматы. Такие различия, возможно, объясняются тем, что медь поступает в атмос­феру не только от металлургических комбина­тов, но и также с рудников, разбросанных по большой территории, в отличие от свинца медь дольше держится в атмосфере. Повышенное со­держание меди в городах Жезказган, Балхаш, Шымкент формируется под непосредственным антропогенным влиянием близлежащих про­мышленных центров, таких, как АО Казахмыс, ПО Жезказганцветмет (г. Жезказган), ПК «Юж-полиметалл», предприятие по производству свинца и его производных (Шымкент), ПО «Бал-кашцветмет», Балкашский горно-металлургиче­ский комбинат (БГМК).

Высокие концентрации меди в Текели связа­ны с тем, что там находится горнодобывающее предприятие Текелийского горно-обогатитель­ного комбината «ОАО «Казцинк». На востоке ТО «Востокцветмет», медно-химический комбинат в Шемонаихинском районе. Минимальные же концентрации меди отмечены на МС Есик (0,18 мкг/л), Ганюшкино (2,13 мкг/л).

Благодаря своим физическим и химическим свойствам, кадмий нашел очень широкое приме­нение в технике и промышленности (особенно, начиная с 50-х годов ХХ века). Основные сферы его использования: для антикоррозионного по­крытия (т.н. кадмирования) черных металлов, особенно в тех случаях, когда имеется их контакт с морской водой, а также для производства ни­кель-кадмиевых электрических аккумуляторов. Кадмий используется в стержнях-замедлителях атомных реакторов, некоторые соединения кад­мия обладают полупроводниковыми свойствами и т. д. Довольно долго кадмий применялся для из­готовления красителей (пигментов) и в качестве стабилизатора при производстве пластмасс (в частности полихлорвинила), однако в настоящее время, в силу его токсичности, в этих целях он практически не используется. Кадмий содержит­ся в выбросах предприятий металлургии, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), свинцово-цинковых заводов и т.д.

Как видно из рисунка 4, области высоких концентраций кадмия расположены локально над Жезказганом и Балкашом, т.е. аналогично концентрациям свинца. Средние многолетние накопления кадмия в снежном покрове Южного Казахстана превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) на МС Балкаш (5,31 мкг/л ПДК), Жезказган (5,32 мкг/л ПДК), повышено накопление кадмия на МС Пешной (0,58 мкг/л) и на МС Шымкент в (0,74 мкг/л). На остальной территории накопление кадмия ниже нормы.

В среднем по территории Южного Казахстана концентрация кадмия составила 0,88 мкг/л, что очень близко к ПДК, (ПДК Cd-1). Это обусловле­но региональным загрязнением, расположением в непосредственной близости крупных комбинатов, вследствие деятельности которых наблюдаются концентрации, превышающие ПДК в несколько раз. Данная тенденция характерна для промыш­ленных городов, какими и являются Балкаш и Жезказган. В результате глобального загрязнения окружающей среды этим элементом уровни его содержания в верхних горизонтах почв, вероятно, повышены, поэтому значения, сообщаемые как фоновые можно также рассматривать как данные о загрязнении почв.

Основные антропогенные источники (As) связаны с промышленной деятельностью (об­работка металлов, химические заводы по пере­работке минералов серы и фосфора, сжигание угля, геотермальные электростанции) и с ис­пользованием мышьяк содержащих пестицидов, особенно в фруктовых садах. Существенными источниками поступления мышьяка в окружа­ющую среду являются также отходы горно-обо­гатительных и металлургических предприятий, моющие средства и сжигание нефти. Подвиж­ность мышьяка в почве прямо пропорциональна уровню его поступления и обратно пропорцио­нальна времени и содержанию железа и алюми­ния. Токсичность этого элемента определяется содержанием в почвах его растворимых форм. Мышьяк в воздух поступает из минеральных ис­точников, районов мышьяковистого оруднения (мышьяковый колчедан, реальгар, аурипигмент), а также из зон окисления пород полиметалличе­ского, медно-кобальтового и вольфрамового ти­пов, а также при сжигании угля. 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. В растворенной форме мышьяк встре­чается в трех- и пятивалентной форме, главным образом в виде анионов. Мышьяк относится ко 2 второму классу опасности, т.е. это высоко опас­ные вещества, ПДК равно 50 мкг/л [4].

Среднемноголетние значения мышьяка в снежном покрове на территории Южного Казах­стана мышьяком представлено на рисунке 5.

Как видно из рисунка 5 можно видеть, что, несмотря на возможность поступления мышьяка из почв и горных пород, основное его поступле­ние - это выбросы предприятий по переработке полиметаллических руд в Жезказгане, Балхаше, а также в районах Казахстанского Алтая и Шымкента.

Самое высокое накопление мышьяка в снеж­ном покрове наблюдается в городе Балхаш, где имеет место максимум (41,07 мкг/л), в отдельные годы максимум достигает 2 ПДК (2008-2009 гг.), обусловлено это воздействием промышленных предприятий (Балкашский Горно-Металлурги­ческий Комбинат). Среднемноголетнее содер­жание мышьяка в снежном покрове Жезказгана составило (19,66 мкг/л), Зайсан (10,75 мкг/л). Минимальные значения мышьяка наблюдались на МС Мынжилки (0,37 мкг/л).

В отличие от химически чистой воды атмос­ферные осадки в естественных условиях всегда содержат различные примеси, влияющие на рН. Благодаря наличию в атмосфере углекислого газа рН даже очень чистых осадков бывает близ­ким к 5,6. В незагрязненной атмосфере могут присутствовать кислотообразующие вещества естественного происхождения, вследствие чего за нижний предел естественного закисления принята величина рН=5,5. Во всяком случае, рН>5,8 атмосферных осадков свидетельствует не о закислении, а о защелачивании.

Следует отметить, что осадки вымывают из атмосферы как кислотные, так и щелочные при­меси, поэтому в случае их соизмеримого количе­ства происходит нейтрализация осадков уже на момент их выпадения, и значения рН становятся равными 5,2-5,8. В результате имеет место су­щественная минерализация осадков при значе­ниях рН, близких к нейтральным.

Величина водородного показателя рН, ха­рактеризующая активность водородных ионов раствора, является важным свойствам раство­ра. Величина рН является мерой активной кис­лотности воды, которая создается в результате взаимодействия растворенных электролитов и газов.

В зависимости от уровня рН осадков можно условно разделить на несколько групп (табл. 1).

Результаты определения среднемноголетних значений рН отобранных проб в снежном покро­ве приведены на рисунке 6. Кислотность проб в снежном покрове за 2005-2009 годы в основном имеет характер нейтральной и слабощелочной среды. Среднемноголетние значения величины рН осадков изменялись от 5,3 на МС Мынжилки до 6,8 - МС Жезказган. В целом по территории Южного Казахстана среднемноголетние показа­тели pH составляют 6,0 и относятся к слабоще­лочному уровню кислотности.

Величина pH имеет тенденцию к понижению при движении с запада на восток по южной ча­сти территории Казахстана. Объяснение этому факту пока не найдено.

На основе проведенных исследований мно­голетних данных по содержанию тяжелых ме­таллов в снежном покрове Южного Казахстана, установлено следующее:

1. Мониторинг снежного покрова является наиболее экономичным методом контроля каче­ства окружающей среды. Послойный отбор проб снега позволяет получить динамику загрязнения за зимний период, а всего лишь одна проба по всей толще снежного покрова дает представи­тельные данные о загрязнении за период от на­чала образования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы.
2. В ходе выполнения работ обозначились районы, уровень загрязнения которых самый высокий. Это характеризующие состояние за­грязнения окружающей среды и источники (Бал-каш и Жезказган). В этих районах отличаются локальные очаги высоких концентраций свинца, кадмия и мышьяка.
3. Что же касается меди, то ее концентрации тоже высоки, но практически над всем югом рассматриваемой территории. Области высоких концентраций менее локальны. Это Жезказган-Шымкент и Балкаш-Алматы, а также Казахстан­ский Алтай. Показано, что накопление загряз­няющих веществ (As, Cd, Cu, и.д.р.) в снежном покрове существенно различается на разных по степени антропогенной нагрузки территориях Южного Казахстана. В урбанизированных ре­гионах их накопление в несколько раз выше по сравнению с фоновыми.
4. Водородный потенциал при движении с запада на восток заметно колеблется, однако его величина в этом колебании понижается. Осадки (снег) имеют характер нейтральной или слабо­щелочной среды (pH-6,0).Концентрации ЗВ в снеге заметно коле­блются от года к году, что станет предметом на­ших следующих исследований.

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.