Идентификация источников поступления меди в снежный покров и расчет химической нагрузки на бассейн р. Обь в области влияния г. Барнаула

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Кафедра безопасности жизнедеятельности в техносфере

Идентификация источников поступления меди в снежный покров и расчет химической нагрузки на бассейн р. Обь в области влияния г. Барнаула

(курсовая работа)

Выполнил студентка

 

Проверил преподаватель

_____________

Работа  защищена __________

Оценка ___________________

 

 

 

 

 

 

 

Барнаул 2013

Содержание

 

Введение………………………………………………………3

Цели и задачи…………………………………………………3

Методика  и техника эксперимента………………………..….3

Результаты  обработки данных…………………………...……5

Выводы………………………………………………………..16

Литература……………………………………………………17

 

 

 

 

В таблицах использованы следующие обозначения:

Si - Площадь снежного покрова,10 ,км ;

Vi - объём  снеговой воды для i-ой точки  отбора, л;

Vi/Si -  удельный  объём снеговой воды с 1м в i-ой точки отбора л/км ;

α- Коэффициент  местного стока;

β- Коэффициент  пересчета размерностей величин;

h- Средняя высота снежного покрова, м;

y- Удельный сток ПФ ТМ кг/км , *10 ;

L - Суммарная химическая нагрузка, кг;

C_i,j- Концентрация общая и растворимых в воде и сорбированных на ЧС форм ТМ (сумма ТМ в фильтрате и осадке), мкгТМ/л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В условиях повышенной антропогенной  нагрузки на урбанизированных территориях  снежный покров может служить  эффективным индикатором атмосферного загрязнения различными токсичными веществами, в том числе тяжелыми металлами.

В период весеннего снегового  паводка происходит интенсивное  поступление тяжелых металлов в  русловую сеть за короткий период времени  в 15 - 20 дней. Резкое увеличение химического  стока, особенно с урбанизированных территорий, может оказывать негативное воздействие на качество поверхностных  вод малых городских притоков и крупных рек Сибири. Исследование состояния вод актуально в  научном и практическом плане, так  как экологическое состояние  питьевой воды влияет на здоровья населения  г. Барнаула.

Государственные контролирующие организации экологического профиля  не уделяют должного внимания контролю состояния снежного покрова окрестностей г. Барнаула.

Цель и задачи

Идентифицировать источники  загрязнения снежного покрова

окружающей среды  медью, в области влияния г. Барнаула и его окрестностях, опираясь на данные 2003 г. 

На основании данных эксперимента нужно отобразить линии  изоконцентрат на физической карте  площади съемки распределения

- водорастворимых форм  меди 

- сорбированных форм меди

-изоконцентрат суммы сорбированных и водорастворимых форм меди.

Анализ источников загрязнения  снежного покрова с помощью программы  «SURFER - 8.0»[2].

Посчитать химическую нагрузку с представленной территории: урбанизированной , лесостепь, сосновый бор, пойма реки.

Методика и техника эксперимента

Отбор образцов снега  производился трубчатым пластиковым  снегомером с внутренним диаметром 32 мм в период максимального снегозапаса. В каждой точке отбирали 8-12 снеговых кернов, врезая снегомер на всю глубину снежного покрова в местах, расположенных на расстоянии около 1 метра в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. методом транссекционного квадрата. После взятия снежного керна его нижняя часть тщательно очищается от частиц подстилающей поверхности, затем керны помещали в полиэтиленовый контейнер и равномерно перемешивали. Объединенные, таким образом, для каждой точки образцы снега (всего 38 образцов) взвешивали на технических весах и доставляли в аналитическую лабораторию в замороженном виде. Под снежным покровом в тех же местах дополнительно отбирали образцы подстилающей поверхности (22 почвогрунта). Почвогрунты отбирали в верхнем горизонте на глубине около 5 см, та же помещали в двойные пластиковые пакеты и доставляли в аналитическую лабораторию в охлажденном виде.

В лабораторных условиях из каждого образца снежной  массы брали аликвотную часть  массой приблизительно 1 кг, выдерживали  при комнатной температуре до полного таяния и фильтровали  на установке ГР-60 в среде аргона через мембранный фильтр с диаметром  пор 0,45 мкм. В фильтрате определяли интегральные гидрохимические показатели и анализировали на общее содержание Си, Cd, Pb, Zn методом инверсионной вольтамперометрии с помощью вольтамперометрического комплекса ТА-2, снабженного комплексом аттестованных в системе ГОСТ РФ методик на ртутнопленочном электроде штырькового типа с серебряной подложкой. Содержание Fe и Мп определили методом атомной абсорции в пламени после общего 10-кратного концентрирования. Фильтры с осадками просушивали под ИК-лампой до постоянной массы и затем взвешивались на аналитических весах. По разности масс фильтра с осадком чистого фильтра определили массу твердых частиц в пробе[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты обработки данных

Таблица 1 – Результаты определения водного стока водорастворимых и сорбированных форм меди (Cu) в снежном покрове.

№ Места отбора проб	СCu в фильтрате, [мкг/л]	СCu в осадке, [мкг/л]	Сумма СCu , [мкг/л]	Модуль водного стока, л/(км2*с)	Сумма, мкг/км2∙с	С.Ш.,°	В.Д.,°
1	5.06	6.64	12.7	12,3	156,21	53.12	83.63
2	1.31	6.18	7.49	9,2	68,908	53.12	83.62
3	1.67	4.21	5.88	19,5	114,66	53.26	83.67
4	0.73	9.11	9.84	8,8	86,53	53.32	83.79
5	2.36	9.56	11.92	9,0	107,28	53.39	83.78
6	7.34	1.41	8.75	6,6	57,75	53.21	83.46
7	0.39	4.49	4.88	8,0	39,04	53.21	83.5
8	2.64	0.19	2.83	9,1	25,753	53.34	83.96
9	0.43	9.75	10.18	7,5	76,35	53.21	83.56
10	2.6	3.72	6.32	9,8	61,936	53.38	84
11	2.17	3.26	5.43	17,6	95,568	53.3	84,21
12	0.83	1.97	2.8	8,9	24,92	53.4	83.99
13	3.28	9.75	13.03	12,3	160,269	53.49	83.88
14	3.25	5.52	8.77	11,2	98,224	53.55	83.84
15	1.04	8.63	9.67	14,3	138,281	53.54	83.81
16	5.12	6.45	11.57	10,5	121,485	53.4	84.02
17	4.72	7.39	12.11	18,8	227,668	53.46	83.92
18	3.35	8.17	11.52	14,7	169,344	53.47	83,95
19	1.88	3.71	5.59	10,4	58,36	53.34	83.78
20	3.94	4.06	8	11,3	90,4	53.34	83.78
21	3.59	4.12	7.71	13,2	101,772	53.34	83.78
22	3.71	4.19	7.9	8,8	69,52	53.34	83.78
23	6.51	0.58	7.09	14,7	104,223	53.34	83.77
24	9.1	9.09	18.19	14,0	254,66	53.34	83.77
25	5.14	1.78	6.92	11,7	80,964	53.34	83.77
26	1.8	0.01	1.81	12,9	23,349	53.34	83.77
27	2.81	5.06	7.87	12,8	100,736	53.35	83.71
28	1.88	4.94	6.82	12,1	82,522	53.35	83.71
29	1.31	5.8	7.11	7,9	56,169	53.35	83.71
30	1.33	0.09	1.42	11,5	16,33	53.32	83.78
31	1.26	2.74	4	11,6	46,4	53.32	83.78
32	4.36	0.1	4.46	13,3	59,318	53.32	83.78
33	1.7	9.95	11.65	12,5	145,625	53.32	83.78
34	7.68	2.84	10.52	9,6	100,992	53.37	83.72
35	6.51	0.12	6.63	10,8	71,604	53.37	83.72
36	0.25	0.14	0.39	9,5	3,705	53.37	83.72
37	0.51	2.81	3.32	12,8	42,496	53.37	83.72
38	0.97	2.15	3.12	10,8	33,696	53.42	83.5

 

 

Рисунок 1 – Места отбора снежных  кернов в 2003 г.

                                   * - № точек отбора проб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С. Ш.

В. Д.

Рисунок 2 –  Изоконцентраты водорастворимых форм Cu [мкг/л] в талой воде в 2003 г.

                                * - № точек отбора проб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С. Ш.

 В. Д.

Рисунок 3 - Изоконцентраты сорбированных форм Cu [мкг/л] в талой воде в 2003 г.

                                * - № точек отбора проб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С. Ш.

 В. Д.

Рисунок 4 – Изоконцетраты суммарного содержания водорастворимых и сорбированных форм Cu [мкг/л] в талой воде на исследуемой территории в 2003 г.

                                  * - № точек отбора проб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет величины химического  стока:

Таблица 2 – Результаты определения химического  стока меди.

№ п. рис. 1-3	Площадь снежного покрова; 102 м2	Природный комплекс	[y]; мкг/с
1	0,643	Лесостепь	0,0011
2	0,804		0,0009
8	0,804		0,0002
10	0,643		0,0004
11	0,643		0,0007
12	0,804		0,0002
16	0,804		0,0011
17	0,804		0,002
18	0,804		0,0015
3	0,643	Сосновый бор	0,0016
13	0,804		0,0028
14	0,804		0,0017
15	0,643		0,002
4	0,804	Город	0,0045
6	0,804		0,003
19	0,804		0,003
20	0,804		0,0047
21	0,643		0,0043
22	0,804		0,0036
23	0,643		0,0044
24	0,643		0,0106
25	0,643		0,0034
26	0,804		0,0012
27	0,643		0,0042
28	0,643		0,0035
29	0,804		0,0029
30	0,643		0,0007
31	0,643		0,0019
32	0,643		0,0025
33	0,643		0,0061
34	0,804		0,0053
35	0,804		0,0037
36	0,804	Город	0,0002
37	0,804		0,0022
5	0,804	Пойма	0,0009
7	0,804		0,0003
9	0,804		0,0007
38	0,804		0,0003

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт объёма снеговой воды для i-того отбора V_i:

Таблица 3 – Результаты вычислений величины объёма снеговой воды для  i-того отбора (V_i) во время паводка (15 дней):

	Средняя высота снежного покрова; м	Площадь снежного покрова; ∙102 М2	Vi; Л	; л/м2
1	0,61	0,643	3,9	610
2	0,59	0,804	4,7	590
3	0,69	0,643	4,4	690
4	0,55	0,804	4,4	550
5	0,41	0,804	3,3	410
6	0,53	0,804	4,3	530
7	0,44	0,804	3,5	440
8	0,48	0,804	3,9	480
9	0,57	0,804	4,6	570
10	0,79	0,643	5,1	790
12	0,54	0,804	4,3	540
13	0,73	0,804	5,9	730
14	0,71	0,804	5,7	710
15	0,78	0,643	5	780
16	0,69	0,804	5,5	690
17	0,57	0,804	4,6	570
18	0,72	0,804	5,8	720
19	0,45	0,804	3,6	450
20	0,43	0,804	3,5	430
21	0,65	0,643	4,2	650
22	0,71	0,804	5,7	710
23	0,68	0,643	4,4	680
24	0,55	0,643	3,5	550
25	0,57	0,643	3,7	570
26	0,56	0,804	4,5	560
27	0,62	0,643	4	620
28	0,61	0,643	3,9	610
29	0,53	0,804	4,3	530
30	0,52	0,643	3,3	520
31	0,65	0,643	4,2	650
32	0,63	0,643	4,1	630
33	0,71	0,643	4,6	710
34	0,52	0,804	4,2	520
35	0,54	0,804	4,3	540
36	0,53	0,804	4,3	530
37	0,6	0,804	4,8	600
38	0,38	0,804	3,1	380

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суммарная химическая нагрузка на водосток во время паводка:

Таблица 4 – Результаты вычислений суммарной химической нагрузки (L) на водосток во время паводка

Природный комплекс	№ пробы	Сi,j*(Vi/Si)	∑ (Сi,j*(Vi/Si))	Sj, км2	L, кг
Лесостепь	1	7747	47662,3	356	1866
	2	4419,1
	8	1358,4
	10	4992,8
	11	4452,6
	12	1512
	16	7983,3
	17	6902,7
	18	8294,4
Сосновый бор	3	4057,2	27338,4	312	1877
	13	9511,9
	14	6226,7
	15	7542,6
Город	4	5412	91940,2	116	6932
	6	4637,5
	19	2515,5
	20	3440
	21	5011,5
	22	5609
	23	4821,2
	24	10395
	25	3944,4
	26	10136
	27	4897,4
	28	4160,2
	29	3768,3
	30	7384
	31	2600
	32	2809,8
	33	8271,5
	34	5470,4
	35	3580,2
	36	206,7
	37	1992
Пойма	5	4887,2	14022,6	380	5861
	7	2147,2
	9	5802,6
	38	1185,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Идентификация источников загрязнения снежного покрова  медью в окресностях г. Барнаула и их возможные источники

Идентифицированы  источники загрязнения снежного покрова медью в окрестностях г. Барнаула методом обработки данных в системе «Surfer-8.0». В соответствии с полученными изоконцентратами (рис. 2) идентифицированы места с повышенным содержанием водорастворимых форм  меди в снеговом покрове:

• г. Барнаул (проспект Красноармейский, проспект Социалистический, парк Юбилейный) (№ точек: 19-26, 34-37)
• пос. Степное (точка №1)
• пос. Сибирский (точка №14)
• трасса на Заринск (точки №10,11)

В соответствии с полученными изоконцентратами  (рис. 3) обнаружены места с повышенным содержанием сорбированных форм  меди в снеговом покрове:

• территория между реками Мал. Черемшанка и Бол. Черемшанка (точки №17,18)
• г. Новоалтайск(точки №12,16)
• Речной порт (точка №4)
• пос. Ильича (точка №5)
• с. Санниково (точка №9)
• окресности с. Зудилово (точка №13)
• пос. Кармацкий (точка №15)
• пос. Укладочный (точка №16)
• пос. Сибирский (точка №14)
• Трасса на Бийск (точки №10,11)

Это можно объяснить тем, что:

1. Одним из основных источников загрязнения снежного покрова медью являются пылевые выбросы и твердые аэрозоли ТЭЦ.
2. Предприятия машиностроения и металлообработки.
3. Печное отопление частного сектора, а так же сел и деревень.
4. Загрязнение сорбированными формами меди в окресностях с Зудилово и пос. Сибирского может являться последствием возможной утилизации в пос. Сибирском ВЧ в связи с международным договором о разоружении. В ракетном топливе содержаться тяжелые металлы и при его сжигании они выделяются, попадают в почву, откуда проникают в живые организмы и аккумулируются там.
5. На федеральной трассе М-52 из Барнаула в Новосибирск (она же трасса на Бийск) ежедневно проходит большой поток автомобилей, при этом распространение выбросов от транспорта может распространяться на 100 – 200 метров в зависимости от направления ветра. Этим объясняется большие концентрации водорастворимых и сорбированных форм меди по трассе на Бийск.
6. Кроме указанных выше возможных источников загрязнения можно так же отметить близкое расположение Барнаула к границе с Казахстаном, где активно работает тяжелая промышленность, выбросы которой из высокорасположенных труб могут распространяться на большие расстояния.
7. В районе точек 1 и 2 мы наблюдаем большую концентрацию водолрастворимых форм меди. Это может объясняться близким расположением пос. Южного, который отапливается ТЭЦ. Выбросы аэрозолей этой  ТЭЦ распространяются в направлении ветра, поэтому концентрация их наблюдается северо-восточнее самого поселка.

Направление ветра, преобладающее над Сибирью, имеет  западное, юго - западное направление. Левый берег реки Обь, на котором  находится Барнаул существенно  выше, чем правый. Следовательно,  аэрозольные загрязнения медью, концентрируются восточнее и  ниже городских территорий.

Сравнивая рис. 2,3  и 4, мы наблюдаем схожесть расположения изоконцентрат на 3 и 4 рисунках. Отличие  изоконцентрат водорастворимых  форм Cu в талой воде от сорбированных и суммированных форм объясняется тем, что сорбированные формы фиксируются на той территории, где выделяються, водорастворимые формы переносятся вместе с потоком воды, атмосферными осадками и влагой в воздухе. Содержание сорбированных форм Cu в талой воде намного больше, чем растворенных, поэтому мы видим схожесть расположения изоконцентрат собрированных и суммированных форм.

Вычислены величины:

- химический сток меди в русловую  сеть

- суммарная химическая нагрузка (L) на водоток во время снегового паводка (15 дней)

Эти величины различны для разных природных комплексов. Химическую нагрузку характеризует модуль химического  стока и для урбанизированных территорий он самый большой, т. к. в черте города наибольшее количество источников загрязнения. И действительно, если мы возьмем отношение количества стока меди в русловую сеть к площади, с которой этот сток происходит, то увидим, что территории города вносят наибольший вклад в удельную химическую нагрузку.

Выводы

1. В результате работы были идентифицированы следующие источники поступления различных форм меди в снежный покров: пылевые выбросы и твердые аэрозоли ТЭЦ, предприятий машиностроения и металлообработки, печного отопления частного сектора, а так же сел и деревень, выхлопные газы автомобилей. Эти источники находяться в г. Барнауле, г. Новоалтайске, пос. Степное, с. Зудилово, пос. Сибирский, пос. Ильича, пос. Кармацкий, пос. Южный, пос. Кармацкий, пос Укладочный, трасса на Заринск и трасса М-52.
2. Расчет химической нагрузки на р. Обь в области влияния г. Барнаула позволил нам выявить существенный вклад урбанизированных территорий по сравнению с удельной нагрузкой всех остальных территорий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы:

1. И.В. Индюшкин, С.В. Темерев, «Оценка объёмов снегового стока металлов в водоток в рамках модели «накопление-смыв» для урбанизированных территорий» [1]
2. Программное обеспечение «Surfer 10.0» [2]