В последние годы проблема рационального использования природных ресурсов вызывает большой интерес в связи с загрязнением окружающей среды и истощением запасов полезных ископаемых. Процесс разработки полезных ископаемых сопровождается вторжением в окружающую среду и нарушением природного равновесия. Среди природно-техногенных образований, сформированных в результате деятельности горнодобывающей промышленности, особое место занимают хвостохранилища. Образование хвостохранилищ создает благоприятные условия для проявления ветровой эрозии и, как следствие, ведет к значительному запылению прилегающих территорий. Одним из примеров пылевого загрязнения от техногенных образований являются хвостохранилища обогатительных фабрик закрывшегося в 1997 г. Джидинского вольфрамо-молибденового комбината (ДВМК), который располагался в черте г. Закаменска Республики Бурятия.
В хвостохранилищах комбината было накоплено 44,5 млн т отходов обогащения на площади 12 км2 [1]. Как показали экологические исследования, проводившиеся в разные годы в этом районе, более 65 лет под воздействием производственных отходов комбината оказались загрязненными токсичными элементами атмосфера, почва, растительность, поверхностные и подземные воды. В 2011 г. в рамках реализации федеральной целевой программы техногенные пески, прилегающие в селитебной зоне г. Закаменска, были перемещены за его пределы в отвал в пади Барун-Нарын с целью их дальнейшей переработки. Однако это еще более усугубило критическую ситуацию, поскольку хвостохранилище переместили на возвышенность с восточной стороны в 1,5 км от города. Вертикальные потоки воздуха над нагретой поверхностью вызывают появление пылевых столбов радиусом от 5 до 100 м и высотой до 2 км. Под действием ветрового потока и прогрева земной поверхности техногенные пески переносятся на близлежащие территории. Мелкие частицы при сильном ветре составляют 3–40 % от величины суммарного переноса пыли [2]. По степени своего вредного воздействия одним из наиболее значимых факторов, влияющих на загрязнение атмосферного воздуха и на здоровье населения, согласно документам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), являются мелкодисперсные фракции аэрозоля PM10 (частицы размером менее 10 мкм) и субмикронные фракции аэрозоля (частицы размером менее 1 мкм) [3]. По российским нормам, среднее за сутки содержание PM10 в воздухе не должно превышать 0,06 мг/м3 (ПДКсс). Максимальный разовый уровень предельно допустимой концентрации (ПДКм.р.) для PM10 составляет 0,3 мг/м3 [4].
Сложившаяся неблагоприятная экологическая обстановка предопределяет актуальную проблему исследования – необходимость получения натурных данных о концентрациях мелкодисперсной и субмикронной фракций аэрозоля и пути их переноса в атмосфере г. Закаменска и прилегающих территорий к хвостохранилищам Джидинского вольфрамо-молибденового комбината.
В статье приводятся результаты специальных рекогносцировочных исследований мелкодисперсных и субмикронных фракций аэрозоля для объективной оценки воздействия хвостохранилищ Джидинского вольфрамо-молибденового комбината на качество атмосферного воздуха г. Закаменска.
Материалы и методы исследования
Отборы проб воздуха проводились в октябре 2014 г. и 2015 г. в пунктах 1, 2, 3 (рис. 1) на фильтры АФА-ХА с помощью высокообъёмного пробоотборника мелкодисперсного аэрозоля PM10 фирмы Andersen Instruments Inc. (США) со скоростью прокачки воздуха 1,7 м3/мин. Дополнительно в октябре 2015 г. в пункте 4 проводились измерения счетной концентрации аэрозольных частиц с помощью диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА) [5]. Диффузионный спектрометр аэрозолей позволяет с высокой точностью в реальном режиме времени измерять концентрацию аэрозольных частиц диаметром до 0,2 мкм, а также распределение их содержания по размерам.
Рис. 1. Пункты отбора проб мелкодисперсных и субмикронных фракций аэрозоля в атмосферном воздухе г. Закаменска
Методом атомно-абсорбционной спектрометрии с помощью спектрометра КВАНТ–Z.ЭТА проведен химический анализ мелкодисперсного аэрозоля PM10 на содержание кадмия (Cd), свинца (Pb), хрома (Cr), никеля (Ni), мышьяка (As). За весь период наблюдения было отобрано 118 проб. Одновременно с отбором проб воздуха проводились измерения метеорологических параметров с помощью акустического метеокомплекса АМК-03 [6].
Пункт № 1 расположен в селитебной городской зоне вблизи бывшего ДВМК, ранее рядом с которым находились первичные техногенные отходы хвостохранилища «Лежалые пески».
Пункт № 2 можно считать условно «фоновым», который расположен на склоне горного хребта на расстоянии 3 км от скоплений техногенных песков.
Пункт № 3 расположен непосредственно на территории Барун-Нарынского хвостохранилища.
Пункт № 4 находится в центральной части города в жилом массиве вблизи пересечения автомобильных дорог.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследование ветровых характеристик района. Город Закаменск расположен в межгорной котловине, вплотную к нему примыкают средневысотные горы с абсолютными отметками 1300–1400 м. Часто наблюдаются приземные инверсии (повышение температуры воздуха с высотой) в сочетании с периодами слабых ветров, что приводит к застою воздуха. Поскольку в г. Закаменске отсутствует метеорологическая станция наблюдения, для исследования ветровых характеристик (скорости и направления ветра) использованы фондовые данные за 3-летний период (1999–2001 гг.) ближайшей метеорологической станции Цакир (с. Цакир расположено в 23 км от районного центра – г. Закаменска). Обработано и проанализировано 18503 данных измерений.
Во все сезоны года в суточном ходе скорости ветра максимум наблюдается в 18 ч и минимум в 06 ч. Средняя годовая скорость ветра невелика и составляет 1,5 м/с. Максимальные значения скорости ветра наблюдались весной в мае, в отдельные дни порывы ветра достигали до 34 м/с. Минимальные значения с преобладающей градацией скорости ветра 0–2 м/с выявлены в зимний период. Отличительной чертой ветрового режима является большая повторяемость штилей: зимой – 26 %, весной – 11 %, летом – 8 %, осенью – 18 %, что способствует накоплению загрязняющих веществ над городом.
Анализ данных по повторяемости направления ветра позволяет сделать вывод о том, что во все сезоны года преобладают западное, юго-западное и северо-западное направления ветра. В зимний период преимущественно наблюдаются ветра западного направления (40 %), наименьшую повторяемость имеют ветра юго-восточного (2 %), северного (6 %), южного (7 %), северо-восточного (8 %) и восточного (9 %) направлений. Весной, летом и осенью преобладание западного ветра сохраняется (26 %, 24 %, 32 %), но отмечается возрастание повторяемости восточного направления ветра 15 %, 22 % и 15 % соответственно. В весенне-летний период при преобладании восточного направления ветра техногенная пыль с Барун-Нарынского хвостохранилища переносится на город, создавая тем самым неблагоприятную экологическую обстановку и угрозу риска здоровья населения.
Пространственно-временное распределение мелкодисперсной фракции аэрозоля PM10. На рис. 2 представлен суточный ход массовой концентрации мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10. В течение суток значения концентрации PM10 варьировались в интервале 0,001–0,333 мг/м3. Из рис. 2 видно, что максимальные концентрации РМ10 наблюдались в пункте 3 на Барун-Нарынском хвостохранилище, значения которых выше в 1,8 раза, чем в пункте 1 и выше в 30,9 раза, чем в пункте 2 (условно «фоновый» пункт). Повышенный уровень мелкодисперсного аэрозоля связан с тем, что с подстилающей поверхности хвостохранилища, контуры которого являются незакрепленными, открытыми и эрозионно-опасными, под воздействием ветра происходит подъем и перенос аэрозольных частиц. Рассчитано, что с одного гектара сухой поверхности хвостохранилища при скорости ветра от 0,5 до 0,8 м/с в атмосферу поступает от 2,0 до 5,0 т мелкодисперсной пыли в сутки [7].
Рис. 2. Суточный ход массовой концентрации РМ10 , октябрь 2014 г.
В пункте 3 в суточном ходе массовой концентрации РМ10 максимум приходится на дневные и ночные, а минимум на утренние часы. Амплитуда составила 0,192 мг/м3. Среднесуточная концентрация РМ10, составила 0,247 мг/м3, что превысило ПДКсс в 4,1 раза. В дневное время с ростом температуры и усилением турбулентных процессов в приземном слое атмосферы наблюдался высокий уровень массовой концентрации РМ10, который превышал максимально разовые ПДКмр в 1,1 раза.
В селитебной городской зоне (пункт 1) в течение дня также наблюдались повышенные значения концентрации РМ10 с максимумом 0,167 мг/м3 в вечерние часы. Если в пункте 3 на высокий уровень концентрации РМ10 влияет непосредственно Барун-Нарынское хвостохранилище, то в пункте 1 повышенные значения мелкодисперсной фракции аэрозоля могут быть вследствие влияния нескольких факторов. Во-первых, пункт 1 расположен на территории, к которой раньше вплотную примыкали техногенные пески хвостохранилище «Лежалые пески». Однако рекультивированное хвостохранилище в 2011 г., на котором отсутствует растительный покров, а верхний слой, представляющий собой смесь погребенного ранее гумусового горизонта и отходов производства, по-прежнему является источником поступления в атмосферу мелкодисперсных взвешенных частиц и тяжелых металлов [8]. Во-вторых, расположенные в пределах 300–400 м от пункта 1 котельная города и завода «Литейщик» вносят дополнительный вклад в загрязнение воздуха. В пункте 1 среднесуточная концентрация РМ10 превышала ПДКсс в 2,3 раза.
Наиболее чистый воздух наблюдался в пункте 2, который расположен на возвышенности и менее подвержен влиянию антропогенной эмиссии. В данном пункте суточный ход массовой концентрации РМ10 слабо выражен. Среднесуточная концентрация РМ10 составила 0,009 мг/м3.
Содержание субмикронной фракции аэрозоля. В октябре 2015 г. проведены натурные наблюдения за микрофизическими характеристиками аэрозоля в атмосфере г. Закаменска в пункте 4, который находился в центральной части города в жилом массиве. Установлено, что в течение суток преобладает субмикронная фракция аэрозоля, представленная модой Айткена (0,01 мкм < d < 0,08 мкм) и аккумуляционной модой (0,08 мкм < d < 0,2 мкм), что свидетельствует об антропогенном происхождении аэрозольных частиц. Из рис. 3 видно, что в течение суток 14.10.15–15.10.15 максимум общей счетной концентрации аэрозоля приходится на утренние и дневные часы. Максимальное содержание аэрозоля составило 7538 частиц/см3.
Рис. 3. Суточный ход среднечасовых значений общей счетной концентрации субмикронной фракции аэрозоля в приземном слое атмосферы г. Закаменска
По данным акустического метеокомплекса АМК-03 в период измерений часто наблюдалось преобладание северо-восточного и восточного ветра со стороны Барун-Нарынского хвостохранилища, что может служить основной причиной аэрозольного загрязнения атмосферы в пункте 4. Следует отметить, что подобные высокие концентрации аэрозолей характерны для пустыни Гоби в период прохождения пыльной бури, когда общая счетная концентрация увеличивалась до 8000 частиц/см3 [9]. В ночные и вечерние часы также наблюдается повышенный уровень счетной концентрации аэрозоля (до 4131 частиц/см3). Дополнительный вклад в аэрозольное загрязнение атмосферы вносит автотранспорт, выхлопные газы которого оказывают существенное влияние на состояние приземного аэрозоля в окрестностях пункта 4.
Содержание тяжелых металлов в мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10. Проведен химический анализ на тяжелые металлы мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10, отобранной в пункте 1. Содержание химических элементов, представляющих собой приоритетные загрязнители, прежде всего обусловлено их поступлением из нескольких источников: хвостохранилищ с высокими концентрациями тяжелых металлов, от завода «Литейщик», от котельной города и автотранспорта. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что тяжелые металлы образуют следующий ряд концентраций: Pb > Ni > Cu > Cr > Cd > As > Zn. Результаты элементного анализа мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10 представлены на рис. 4.
Рис. 4. Процентное содержание тяжелых металлов в мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10
В мелкодисперсной фракции аэрозоля РМ10 по массовой доле преобладают свинец Pb и никель Ni, концентрации, которых в течение дня изменялись от 43,64*10-5 до 73,6*10-5 мг/м3 и от 35,80*10-5 до 64,29* *10-5 мг/м3 соответственно. В суточном ходе практически по всем анализируемым элементам максимальные концентрации тяжелых металлов отмечаются в дневные часы. Выявлено, что содержание свинца превышало в 2 раза предельно допустимую среднесуточную концентрацию (ПДК = 30*10-5 мг/м3). Отметим, что свинец по своему воздействию на организм человека относится к веществам 1 класса опасности. Содержание остальных тяжелых металлов в атмосферном воздухе не превышает соответствующие им гигиенические нормативы [10].
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования пространственно-временного распределения мелкодисперсной фракции аэрозоля позволяют сделать вывод, что в атмосфере г. Закаменска наблюдается увеличение концентрации РМ10 при восточном и северо-восточном направлении ветра со стороны Барун-Нарынского хвостохранилища. Наиболее подверженными влиянию антропогенной нагрузки являются пункты 1 и 3, находящиеся в непосредственной зоне воздействия техногенных песков хвостохранилищ Джидинского вольфрамо-молибденового комбината. Выявлено высокое содержание аэрозольных частиц субмикронной фракции с общей счетной концентрацией, равной 7538 частиц/см3, сравнимое с концентрацией в пустыне Гоби в период прохождения пыльных бурь. Обнаружено, что содержание свинца в атмосфере Закаменска превышает предельно допустимую среднесуточную концентрацию в 2 раза.
Результаты исследования пространственно-временного распределения мелкодисперсной и субмикронной фракций аэрозоля в атмосфере г. Закаменска могут быть использованы для оценки риска здоровью населения, для успешного осуществления мероприятий по ликвидации накопленных экологических последствий деятельности Джидинского вольфрамо-молибденового комбината в рамках реализации федеральной целевой программы «Охрана озера Байкал и социально-экономическое развитие Байкальской природной территории на 2012–2020 годы».
Работа выполнена в рамках базового финансирования проекта № 0336-2019-0007.
Библиографическая ссылка
Цыдыпов В.В., Жамсуева Г.С., Заяханов А.С., Стариков А.В., Дементьева А.Л., Нагуслаев С.А., Бальжанов Т.С., Сунграпова И.П. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ДЖИДИНСКОГО ВОЛЬФРАМО-МОЛИБДЕНОВОГО КОМБИНАТА НА СОДЕРЖАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ И СУБМИКРОННОЙ ФРАКЦИИ АЭРОЗОЛЯ В АТМОСФЕРЕ ГОРОДА ЗАКАМЕНСКА // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 4. – С. 81-86;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37112 (дата обращения: 19.04.2024).