Жакатаева, Б.Т. Природные и антропогенные условия

Жакатаева, Б.Т.
Природные
и
антропогенные
условия
загрязнения
воздушного
бассейна
Центрального
Казахстана/
Б.Т.
Жакатаева
//Вестник
КарГУ:Сер.Биология,
медицина,
география. - 2005. - №3. - С.59-63
Условиями загрязнения воздушного бассейна любого региона являются как
природные, так и антропогенные факторы. К природным факторам можно
отнести рельеф местности, синоптико-метеорологические условия,
обусловливающие продуваемость региона воздушными токами и фоновое
загрязнение атмосферы, к антропогенным - основные источники
атмосферных загрязнений (их географическое расположение, мощность,
временная и пространственная динамика, виды, параметры труб,
выбрасывающих загрязнения, оснащенность очистительными сооружениями,
нормирование загрязнений и уровень претворения природоохранных
мероприятий и т.д.).
Центральный Казахстан находится на наиболее возвышенной части
Казахского мелкосопочника - Сары-Арке, которая представляет собой
своеобразную, весьма неоднородную в геолого-геоморфологическом
отношении природную страну. Абсолютные высоты мелкосопочника
колеблются в среднем в пределах 400-1000 м. Рельеф осложнен
мелкосопочными возвышениями и межсопочными понижениями, речными
долинами, сухими руслами водотоков с бессточными впадинами, озерными
котловинами. Характерным признаком территории являются выходы
плотных пород в виде скал, каменистых нагромождений россыпей, сильно
расчлененных и хаотичных по рельефу. Западная часть рассматриваемой
территории более равнинная, представлена в виде сглаженного
мелкосопочника, восточная часть более возвышенная, с абсолютной высотой
1565 м. На возвышенных мелкосопочниках заметны элементы высотной
поясности. Высоты речных долин колеблются в пределах 400-600 м.
Горы средних высот расположены по территории хаотично и в виде
островных возвышений. Условия рельефа Центрального Казахстана
обусловливают, таким образом, свободную циркуляцию воздушных потоков,
не способствуя созданию застойных условий для атмосферных загрязнений.
Анализ синоптико-метеорологических условий загрязнения воздушного
бассейна Центрального Казахстана показывает, что наиболее полная и
объективная оценка ситуации осложнена их большой изменчивостью и
нечеткой выраженностью, а также относительно недлительным рядом
наблюдений за загрязнением атмосферы, причем с интервалами. Тем не
менее даже по имеющимся данным можно выявить наиболее устойчивые
тенденции. На формирование климата территории оказывают влияние
континентальный воздух умеренных широт, движущиеся с западным
переносом воздушные массы местного происхождения - центра Евразии, а
также трансформированные воздушные массы Арктики и тропических
широт. Климат Центрального Казахстана континентальный и крайне
засушливый.
Продолжителыюсть солнечного сияния, основного климатообразующего
фактора, составляет 2300-2400 часов в год, с максимумом в июле месяце.
Величины годовых суммарных радиаций дости-гают в среднем 100 ккал/см2
в год, а рассеянной - до 48 ккал/см2 в год. Среднегодовая температура
воздуха колеблется от +2,4° на севере области и до +6,7° - на юге. Средняя
температура января колеблется от -17,9°С на севере и северо-востоке
региона, до -14,4°С - в южной части региона. Средняя температура июля
колеблется от +18,5°С до +20,4°С. Продолжительность теплого периода - от
198 дней в восточной, болде возвышенной части, до 207-220 дней - в
западной, менее возвышенной части региона. Безморозный период
составляет соответственно 90-100 и 110-135 дней в году [1].
На фоне солнечной радиации, возрастающей к югу области, увеличивается
повторяемость
антициклональных
ситуаций,
усиливающих
континентальность климата, уменьшающих количество осадков. В северной
и восточной части области в среднем выпадает 300-350 мм осадков, в южной
- 100-150 мм. в год. Максимум приходится на июль - 41-57 мм, минимум - на
январь - 8-18 мм. Снежный покров на большей части территории держится 45,5 месяца, в южных районах региона 3-3,5 месяца. В малоснежные суровые
зимы почва промерзает до глубины двух метров. Одним из основных
метеорологических
факторов,
влияющих
на
концентрацию
и
распространение атмосферного загрязнения, является ветровой режим.
Условия рельефа, как было указано выше, обусловливают формирование
активного ветрового режима в сочетании с синоптическими условиями.
Значительные различия в скорости и направлении ветра связаны с
обширностью и сложным рельефом территории Центрального Казахстана.
Средняя годовая скорость ветра в северных районах 4,5-5 м/с, в южных - 3,54,5 м/с. При рассмотрении влияния основных метеорологических величин на
уровень загрязнения атмосферы, замечено, существенную роль оказывают
режимы общей циркуляции атмосферы, а вместе с ними - режим ветра,
солнечная радиация, температурный режим, влажность воздуха и осадки.
Циркуляционные условия атмосферы г. Караганды формируются под
влиянием циклонической деятельности, динамика которой обусловлена
западным переносом. На тер-риторию области поступают три типа
трансформированных воздушных масс - арктические, полярные и
тропические. Все они имеют свои особенности формирования уровня
загрязнения атмосферы. Циклоническая - пасмурная, часто с ветрами и
осадками погода. Это способствует рассеиванию, вымыванию вредных
веществ из атмосферы, соответственно, уменьшению концентрации
атмосферного загрязнения.
В холодный период существенную роль оказывает западный отрог
азиатского антициклона. Среднесуточная температура января при этом
составляет -12,7° С, скорость ветра — 2,5 м/с, относительная влажность
воздуха - 87 % (для станции Караганда [2]). При подобных метеоусловиях
нередко наблюдаются приподнятые инверсии. Инверсии формируются в
результате выхолаживания земной поверхности, при слиянии теплых и
холодных фронтов, т.е на фронтах окклюзии. Вероятность их повтора в
холодный период составляет 18 %. Инверсии образуют своеобразный
«потолок», препятствующий подъему и рассеиванию относительно нагретых
выбросов из производственных источников. Приземные инверсии чаще
образуются в ночные часы, поэтому ночью отмечается увеличение
концентрации примеси в 0,5-0,7 раза. Днем же происходит их рассеивание.
Наиболее мощные инверсии образуются при антициклональной погоде в
зимний период в сочетании с сильными ночнымн выхолаживаниями.
Мощность таких инверсий по данным аэрологических наблюдений - от 200
до 400 м, а высота расположения колеблется в большинстве случаев от 500
до 1200 м. При слабых ветрах низкие и неорганизованные выбросы имеют
тенденцию к скапливанию в приземном слое. При значительных ветрах (7-10
м/с) и отсутствии инверсий в приземном слое примеси рассеиваются и мало
достигают поверхности земли. При сильных ветрах (скорость 12-15 м/с и
более) наблюдается перенос примесей на значительные расстояния от
источников. На содержание примесей в атмосферс оказывает влияние и
направление ветра. Анализ показывает, что концентрация атмосферного
загрязнения увеличивается при западных, северных и северозападных
направлениях, а наименьшая -при юго-восточных. Это объясняется
расположением основных источников загрязнения атмосферы на территории
региона.
Солнечная радиация также влияет на уровень и концентрацию
атмосферного загрязнения. При высокой интенсивности солнечного сияния в
атмосфере происходят сложные фотохимические реакции, например
окисление оксида серы с образованием сульфатных аэрозолей. При наличии
в атмосфере окислов азота и органических веществ в ясные солнечные дни
возможны процессы с образованием крайне вредного фотохимического
смога. Атмосферные осадки, так же как и ветер, относятся к факторам
самоочищения атмосферы. Среднегодовая сумма осадков в Караганде
составляет около 300 мм, наибольшая часть которых (более 70 %)
приходится на теплый период [1]. Отмечено некоторое снижение
концентрации атмосферных примесей после выпадения осадков, - в
холодный период более чем в 1,5-2 раза, в теплый - в 2-2,3 раза. Однако
осадки становятся источниками загрязнения почвы и водоемов. Кроме того,
относительно небольшое количество дней с осадками в области существенно
не влияет на общее уменыпение концентрации атмосферного загрязнения. В
переходные периоды (в марте, ноябре) отмечается наибольшее количество
дней с туманами (в среднем 4-5 в году). При туманах концентрация
загрязнений увеличивается, так как его капли поглощают вредные вещества
как вблизи от поверхности земли, так и из вышележащих загрязненных слоев
воздуха. Например, при растворении в каплях тумана двуокиси серы
образуются капли более токсичной серной кислоты. При этом происходит
возрастание массовой примеси, поскольку из 1 г двуокиси серы образуется
1,5 г серной кислоты. Аналогичным образом происходит переход двуокиси
серы в серную кислоту в атмосферных осадках, что является одной из
причин образования кислотных дождей.
Фоновое загрязнение обусловлено в основном ведущими потоками в
данной местности. (Как известно, в широтах умеренного климатического
пояса поток направлен с запада на восток почти во всей толще тропосферы.)
Поэтому с ними переносятся на большие расстояния атмосферные
загрязнения с территорий, расположенных западнее не только Центрального
Казахстана, но и страны в целом. Например, на территорию Восточной
Европы попадают атмосферные загрязнения с Западной Европы [3].
Центральный Казахстан - один из ведущих индустриальных регионов
республики, представляющий собой территориально-производственный
комплекс с развитой тяжелой промышленностью. Это угольнометаллургический и химико-машиностроительный район республики
международного значения. Все важнейшие отрасли связаны, прежде всего, с
добычей коксующегося угля, цветных, черных и редких металлов и
необходимых для металлургии вспомогательных видов сырья. В основе
территориально-промышленного комплекса лежат три промышленных узла Караганда-Темиртауский,
Балхашский
и
Жезказганский.
Здесь
функционирует промышленность, специализирующаяся на производстве
энергоемкой и материалоемкой продукции черной и цветной металлургии,
добыче угля и руд ряда ценных полезных ископаемых. Также представлены
предприятия машиностроения, химической промышленности, производства
строительных материалов, легкой, пищевой и других отраслей. Границы
Центрально- Казахстанского экономического района являются и границами
Карагандинской области. В состав наиболее мощного и развитого КарагандаТемиртауского промышленного узла входят также города Абай, Сарань,
Шахтинск и ряд поселков городского типа. Этот промышлен-ный узел связан
единым технологическим потоком: угольные шахты - углеобогатительные
фабрики - коксохимический завод - доменный, сталелитейный и прокатные
цехи металлургического комбината г. Темиртау. Балхашский и
Жезказганский промышленные узлы выросли на основе развития полного
производственного цикла цветной металлургии, главным образом, медной
промышленности. В каждом их них функционируют мощные горнометаллургические комбинаты (БГМК и Жезказганцветмет), куда входят
рудники и карьеры открытых разработок, обогатительные фабрики и
медеплавильные заводы. В обоих узлах есть все стадии производства меди,
вплоть до рафинирования и выпуска медного проката. Имеются также
предприятия, производящие предметы народного потребления.
В
Карагандинской
области
существенным
источником
загрязнения атмосферы является
топливно-энергетический комплекс
(ТЭК) - сложная межотраслевая система добычи и производства топлива и
энергии, их транспортировки, распределения и использования. Весомая доля
электроэнергии республики, в т.ч. и Центрального Казахстана,
вырабатывается тепловыми станциями на основе карагандинских и
экибастузских углей.
Значительная доля атмосферного загрязнения региона (85 %) приходится на
предприятия обрабатывающей промышленности. В среднем ежегодно это
составляет от 1000 до 1400 тыс. тонн атмосферных выбросов за
рассматриваемый период. Причем на выбросы металлургической
промышленности приходится 98 % из общего атмосферного загрязнения
области. Анализ изменения объема атмосферных загрязнений области в
динамике лет показывает, что до 1997 г. наблюдается тенденция к снижению
примерно на 13-16% ежегодно, начиная с 1991 г., что связано с уменьшением
общего объема производств в СНГ и в республике. Начиная с 1998 г., идет
устойчивый рост атмосферного загрязнения на 3-4% ежегодно (см. рис).
Известно, что наиболее загрязненными промышленными центрами являются
г. Балхаш, на долю которого приходится 43% общего атмосферного
загрязнения области, и г. Темиртау - 29%. Доля атмосферного загрязнения
Жезказгана и Караганды составляют 16 и 7% соответственно [6].
Анализ вклада в антропогенное атмосферное загрязнение области
отдельных предприятий в среднем за год показывает, что весомая доля - 40 %
- приходится на корпорацию «Казахмыс», 27% - на Балхашский горнометаллургический комбинат, 18% - на «Миттал Стил Темиртау» [4].
Жезказганцветмет выбрасывает около 8% атмосферных загрязнений. В
Балхаше более половины выбросов (54,4%) поступает в атмосферу без
очистки. По данным Облстатуправления в среднем за 2004 г. выбросы
вредных веществ на одного жителя г. Балхаша составляют 12 тонн, в г.
Темиртау - 2 тонны. Устойчивый рост общего объема выбросов в воздушный
бассейн региона связан с увеличением объемов промышленного
производства объектов отраслей металлургии, теплоэнергетики.
Наиболее
распространенными
вредными антропогенными веществами
в атмосферном воздухе региона
являются пыль, сернистый ангидрид,
сероводород, окислы углерода, окислы
азота, аммиак, фенол и другие. Одним
из показателей загрязнения атмосферы
является индекс загрязнения (ИЗА),
позволяющий учитывать сочетание основных загрязнителей с суммацией
действия. Анализ показал что уровень ИЗА в городе Караганде несколько
ниже, чем в Темиртау - 8,01 и 9,43 соответственно. В динамике лет замечена
тенденция к увеличению (в обоих городах). В годовом ходе ИЗА в г.
Караганде замечено, что имеется увеличение его в январе-феврале в
холодный период, и июне-августе - в теплый. Это связано зимой - с
антициклональной погодой и установлением штиля, летом - с увеличением
общей запыленности атмосферы на фоне малоградиентного поля давления. В
г. Темиртау годовой ход ИЗА имеет один максимум в марте-апреле, второй -
в октябре-декабре.
Анализ годового хода концентрации отдельных примесей показывает, что в
г. Караганде концентрация пыли уменьшается по сравнению ПДК в сентябре,
фенола - увеличивается на 2 ПДК (0,06 мг/м3) в апреле. Концентрация
остальных примесей - диоксида азота, оксида углерода, оксида азота,
диоксида серы в целом в течение года меняется мало, и ход относительно
ровен. В г. Темиртау в годовом ходе концентрации пыли максимум
приходится на апрель-май - 3 ПДК (0,45 мг/м3), аммиака - на июль - 1,7 ПДК
(0,05 мг/м3). В течение года в среднем наблюдается превышение фенола на
3,4 ПДК (0,01 мг/м3) в ноябре-декабре. Годовой ход остальных примесей оксида азота, сероводорода, диоксида серы ровен и меняется мало.
Превышения наблюдаются в отдельные дни на несколько ЦЦК (5-10) при
неблагоприятных метеоусловиях (НМУ), препятствующих рассеиванию
примесей в атмосфере. Среднемесячные показатели загрязнений по видам не
превышают ПДК. В годовом ходе резких изменений в концентрации оксида
азота, диоксида серы не отмечалось. Превышения ПДК отмечается по фенолу
(5,6 ПДК), окиси углерода (2,2 ПДК), двуокиси серы, формальдегиду.
Превышение норм загрязнения отмечается в январе, феврале, октябре и
ноябре, преимущественно в дни со штилем или со среднесуточной скоростью
ветра 2-3 м/с. Анализ наблюдений за загрязнением атмосферы с 1998 по 2004
гг. показал, что превышение ПДК по пыли наблюдается от 1,8 ПДК в теплый
период, с пов-торяемостью 28%, до 5,6 ПДК в холодный период, с
повторяемостью 34%, что связано с увеличением числа штилей в
антициклональную погоду зимой, а также с увеличением объема выбросов
теплоэнергетики с содержанием пыли и золы [5].
Таким образом, к антропогенным факторам атмосферного загрязнения
Центрального Казахстана относятся предприятия обрабатывающей
промышленности и теплоэнергетики, самых технологически и экологически
«грязных» производств во всем мире. Но природные условия самоочищения
атмосферы Центрального Казахстана «работают» на рассеивание и
уменьшение концентрации атмосферного загрязнения.
Список литературы
1. Агроклиматические ресурсы Карагандинской области Казахской ССР. Л.: Гидрометиздат, 1991.
2. Байшоланов С.С. Метеорология жəне климатология. - Алматы: Қазак унті, 2000.
3. Белов П.Н. Загрязнение воздуха в городах и вблизи автомагистралей
Московской области // Вестн. МГУ. Сер. 5. Геогр. -1998.-№5.
.4. Жакатаева Б.Т. Синоптические условия загрязнения атмосферы в
Карагандинской области // Вестн. КарГУ. Сер. Биол., мед., геогр. - 2004.-№ 1.
5. Жакатаева Б.Т. Антропогенные составляющие атмосферного загрязнения
в Центральном Казахстане // Материалы междунар. науч.-практ. конф.,
посвящ. 80-летию Е.А.Букетова. - Т. 3. - Караганды, 2005.
6. Экологическая обстановка в Карагандинской области. Данные
Облстатуправления // Индустр.Караганда. -2004. 4 нояб.; 2005. 7 июня.
7. Данные Государственного гидрометеоархива по загрязнению
атмосферного воздуха г. Караганды за 1998-2003 годы.