Качество атмосферного воздуха в городах Вологда и Череповец

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Проблема загрязнения атмосферного воздуха в городах

1.1 Понятие атмосферы, состав и загрязняющие вещества

1.2 Метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха в городской среде

1.3 Источники загрязнения воздушной среды

1.4 Показатели качества атмосферного воздуха

2. Материалы и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

3. Геоэкологическая характеристика города Вологды

3.1 Геоэкологическая характеристика города Вологда

3.2 Геоэкологическая характеристика города Череповец

4. Оценка и сравнительный анализ состояния воздушной среды городов Вологда и Череповец

4.1 Состав выбросов источников загрязнения

4.2 Объем и динамика выбросов вредных веществ в атмосферу

4.3 Индекс загрязнения атмосферы в городах Вологда и Череповец

4.4 Организация контроля и мониторинга уровней загрязнения

4.5 Превышения предельно допустимых концентраций

Заключение

Список использованных источников

Введение

загрязнение атмосферный вологда череповец

Природа - целостная система с множеством сбалансированных связей. Нарушение этих связей приводит к изменению установившихся в природе круговоротах веществ и энергии [1, 2].

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества [Там же].

Хозяйственная деятельность человечества в течение последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы -той части нашей планеты, в которой существует жизнь [3].

Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете [4].

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Загрязняющие воздух вещества в результате метеорологических процессов распространяются в атмосфере на значительные расстояния, что в конечном итоге приводит к глобальному загрязнению воздуха. Сейчас уже нет принципиальной разницы в составе атмосферного воздуха сельских и промышленных регионов (разница лишь по количественному содержанию загрязнителей) [Там же].

Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете и, как результат, изменение климатических условий в целом, что несомненно скажется на здоровье и жизнедеятельности человека [4].

В этих условиях первостепенное значение приобретает проблема борьбы с загрязнением атмосферы, которая особенно строго стоит в промышленно развитых странах. Разумное использование природных ресурсов и охрана природы, создание государственных заповедников и национальных парков, увеличение количества зелёных насаждений, сокращение промышленных выбросов вредных химических веществ в атмосферу и развитие безотходной химической технологии - вот основные пути решения экологических проблем, целью которых в конечном итоге является благо всего человечества [Там же].

Цель исследования - провести сравнительный анализ загрязнения атмосферного воздуха городов Вологда и Череповец.

Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

· Изучить воздействие источников загрязнения на окружающую среду в городской среде.

· Дать геоэкологическую характеристику городов Вологда и Череповец как объект исследования.

· Проанализировать состав, объем и динамику выбросов от источников загрязнения в городах Вологда и Череповец.

· Изучить организацию контроля и мониторинга уровней загрязнения атмосферы в исследуемых городах.

· Определить пути снижения уровня загрязнения в городах Вологда и Череповец.



1. Проблема загрязнения атмосферного воздуха в городах

1.1 Понятие атмосферы, состав и загрязняющие вещества

Атмосфера - газовая оболочка Земли, является средой обитания наземных живых организмов (человека, животных и растений), поэтому ее физическое состояние и происходящие процессы и явления оказывают огромное влияние на земную жизнь и формирование условий среды [1].

Атмосферные явления также оказывают большое воздействие на процессы, протекающие в других средах - воде, почве, и существенно влияют на физические условия в них [Там же].

Атмосфера не имеет резко выраженной верхней границы. С высотой плотность воздуха плавно уменьшается, и атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство. В связи с этим высоту атмосферы устанавливают весьма условно [Там же].

Масса всей атмосферы оценивается приближенно от 5,15 до 5,9*1015 тонн, что примерно в миллион раз меньше массы Земли. Почти вся атмосфера сосредоточена в сравнительно тонком слое, прилегающем к земной поверхности: примерно половины массы - в слое до пяти километров, 75 % - в слое до высоты 10 км и около 99 % - в слое до высоты 30 километров [1].

Воздух представляет собой механическую смесь множества газов, в которой во взвешенном состоянии находятся разнообразные жидкие и твердые частицы (атмосферные аэрозоли). В нижних слоях атмосферы в переменных количествах обязательно содержится водяной пар [Там же].

Содержание газов в воздухе принято выражать в процентах к объему чистого и сухого воздуха. В составе воздуха у земной поверхности основными газами являются молекулярный азот (N2) - 78,08 %, кислород - 20,95 % и аргон (Ar) - 0,93 %. В сравнительно небольшом количестве содержатся в воздухе углекислый газ (С02) - 0,033 %. Многие другие газы входят в состав воздуха в очень малых количествах (от тысячных до миллионных и менее долей процента). Это, например, гелий (Не), неон (Ne), криптон (Кг), ксенон (Хе), радон (Rn), водород (Н2), озон, метан (СН4), аммиак (ЫН3), перекись водорода (H2O2), оксиды азота, оксиды серы (SO2 и SO3) [3].

Атмосфера, со всех сторон окружающая земной шар, выполняет важнейшие функции, связанные с жизненными процессами, направленными на поддержание живых организмов. Атмосфера является важнейшим условием появления и развития жизни на Земле [2].

Атмосфера регулирует и такие важнейшие параметры в жизни всего живого, как температура, влажность, давление. Самой общей характеристикой состояния атмосферы является климат. Формирование климата планеты определяется притоком солнечной энергии, особенностями строения подстилающей поверхности, интенсивностью механизмов тепло-, влаго- и массообмена между различными регионами Земли [3].

Циклы кислорода, углерода, азота, воды обязательно проходят атмосферную стадию. Атмосфера - это гигантский резервуар, где различные вещества накапливаются, а главное - благодаря такому ее свойству, как динамичность, распределяются с господствующими ветрами по всему земному шару. Это позволяет обеспечить интенсивность и скорость круговорота веществ в природе и поддерживать целостность природы Земли [Там же].

Для всего живого на Земле важны основные физические и химические свойства атмосферы как части природной среды. Давление атмосферы считается нормальным при величине у поверхности Земли 760,1 мм рт. ст. [4].

В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого давления, что обеспечивает динамику атмосферы и формирование системы господствующих ветров. Это обеспечивает вертикальное и горизонтальное перемешивание воздуха, рассеивание и ассимиляцию загрязняющих веществ. Когда загрязнители смешиваются с достаточно большими объемами воздуха, их концентрация понижается вплоть до порогового уровня, ниже которого их отрицательное воздействие не наблюдается [Там же].

Весьма существенное значение имеет состояние газового баланса в атмосфере. Атмосфера в пределах тропосферы (до высоты 15-16 км), где заключено более 90% всей ее массы, состоит по объему из азота (78,09%), кислорода (20,96%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%); она содержит также весьма малые доли инертных газов и озона [Там же].

Атмосферный азот является гигантским источником первичного «сырья» как для деятельности азотфиксирующих микроорганизмов и водорослей, так и для промышленности азотистых удобрений. Без кислорода невозможно дыхание, а значит, энергетика многоклеточных животных. Вместе с тем кислород - это продукт жизнедеятельности, выделяемый фотосинтезирующими организмами [5].

Накопление в ходе эволюции атмосферы и биосферы всего 1% кислорода создало условия для бурного развития современных форм жизни. При этом образовался озоновый экран - защита от космических лучей высоких энергий. Наблюдается катастрофическое уменьшение кислорода в атмосфере.За последние 10 лет количество его уменьшилось настолько, насколько уменьшилось за предыдущие 10 тысяч лет сокращения [Там же].

К серьезным последствиям может привести резкое сокращение кислорода в атмосфере Его потеря вызвала бы неизбежную замену аэробных форм жизни анаэробными. Углекислого газа (диоксида углерода) в атмосфере значительно меньше, чем кислорода и азота. Однако именно его увеличение за счет антропогенной деятельности сегодня волнует человечество [6].

По данным Национальной исследовательской лаборатории США в городе Боулдере, штат Колорадо, в настоящее время количество СО в атмосфере Земли увеличивается на 10% каждые 20 лет. Имеется много прогностических моделей будущего количества CO2 в атмосфере. Выводы их различаются количественно, но факт роста CO2 в атмосфере в нынешнем столетии признается всеми. Эти изменения, касающиеся ничтожной (по масштабам атмосферы) величины нетоксичного газа, вызывают глобальную экологическую проблему, связанную с изменением климата Земли [7].

Повышение доли углекислого газа всего на 0,1% вызывает затруднение дыхания у животных, сказывается на здоровье человека. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Самоочищение атмосферы - частичное или полное восстановление естественного состава атмосферы вследствие удаления примесей под воздействием природных процессов [9].

Дождь и снег промывают атмосферу благодаря своим абсорбционным способностям, удаляя из нее пыль и растворимые в воде вещества. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который окисляет органические примеси (роль зеленых растений в самоочищении атмосферы от углекислого газа вообще исключительна - почти весь свободный атмосферный кислород имеет биогенное происхождение, то есть около 30 % его выделяют зеленые растения суши, а 70 % кислорода высвобождают водоросли Мирового океана). Ультрафиолетовые лучи убивают микроорганизмы [Там же].

Природный потенциал самоочищения атмосферы во многом обусловлен такими природно-климатических условиями, как особенности подстилающей поверхности (растительность, рельеф), температурный режим, количество выпадающих осадков, циркуляционные процессы в атмосфере и другие. Способность атмосферы к самоочищению зависит также от величины ПЗА (потенциал загрязнения атмосферы). Чем ниже значение ПЗА, тем способность к самоочищению у атмосферы выше [8].

Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) - широко используемая на практике косвенная характеристика рассеивающих способностей атмосферы. Эта величина представляет собой отношение гипотетических среднегодовых (среднесезонных) приземных концентраций примесей от антропогенных источников в данной точке пространства к аналогичным значениям концентрации от таких же источников в некотором «эталонном» районе, где рассеяние примеси принимается наилучшим, а концентрации, соответственно, минимальными [11].

Такая характеристика как ПЗА удобна в том отношении, что не требует сведений непосредственно об измеренных значениях концентрации или источниках загрязнения, а предполагает известными лишь такие климатические характеристики как вероятности слабого ветра (менее 1 м/с), приземных инверсий температуры и туманов [8].

Зоны потенциала загрязнения атмосферы [Там же]: I - низкий, II - умеренный, III - повышенный, IV - высокий, V - очень высокий.

Территория России характеризуется большим разнообразием климатических условий, определяющих потенциал загрязнения атмосферы, то есть перенос и рассеивание примесей, поступающих в воздушный бассейн города с выбросами предприятий и автотранспорта [6]. Они определяют «климат» качества воздуха и частоту эпизодов высокого загрязнения. Выделено пять зон с различными условиями рассеивания примесей. Низкий потенциал загрязнения наблюдается на северо-западе Европейской части России (зона I и II). Особенно неблагоприятные условия для рассеивания (очень высокий потенциал) создаются в Восточной Сибири (зона V) [18].

Среди загрязнителей атмосферы Земли главным компонентом являются углеводороды - продукты сжигаемого на планете топлива. А способов самоочищения у нее три, два из которых относительно непосредственны. В одном случае атмосферные примеси собираются на каплях воды из облаков и затем выливаются в виде дождя, в другом - молекулы атмосферных углеводородов распадаются под воздействием солнечного света. Третий путь - в химическом разрушении вредных веществ [9].

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека - диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ [13].

Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более семидесяти наименований вредных веществ, среди которых - формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, сероуглерод [8].

1.2 Метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха

Метеорологические условия играют важную роль в формировании уровня загрязнения. Под влиянием выбросов от промышленности и автотранспорта, условий переноса, рассеивания и вымывания примесей осадками создается определенный уровень загрязнения [12].

Территория России характеризуется большим разнообразием климатических условий, определяющих потенциал загрязнения атмосферы, перенос и рассеивание примесей, поступающих в воздушный бассейн города с выбросами предприятий и автотранспорта. В последнее время большое значение приобретают исследования закономерностей распространения атмосферных примесей и особенностей их пространственно-временного распределения в зависимости от ветрового режима территории. Они являются основой для объективной оценки состояния и тенденции изменений загрязнения атмосферного воздуха, а также разработки возможных мероприятий по обеспечению чистоты атмосферы [18].

Характер переноса и рассеивания примесей в основном зависит от режима ветра, а также от источника выброса. Для низких и неорганизованных источников выбросов формирование повышенного уровня загрязнения воздуха происходит при слабых ветрах за счет скопления примесей в приземном слое атмосферы, а при очень сильных ветрах происходит убывание концентраций за счет быстрого переноса [19].

В городах с большим количеством низких источников рост уровня загрязнения происходит при снижении скорости ветра до одного до двух м/с. Так, установлено, что концентрации пыли, S0₂, СО и NO₂ повышаются на 30 ? 40% по сравнению с уровнем при других скоростях ветра. Особенно неблагоприятные условия создаются, когда слабые ветры сохраняются длительное время и наблюдаются над значительной территорией [Там же].

При выбросах от промышленных предприятий с высокими трубами значительные концентрации примесей у земли наблюдаются при так называемой «опасной» скорости ветра. Для труб крупных электростанций эта скорость равна четырем ? шести м/с (в зависимости от параметров выбросов), а для сравнительно холодных выбросов от вентиляционных устройств на химических и других предприятиях опасная скорость ветра равна один ? два м/с [16].

Большое влияние на формирование уровня загрязнения воздуха оказывает направление ветра. В городах, где источники выбросов расположены в одном районе, наибольшая фоновая концентрация примеси будет наблюдаться при ветрах со стороны этих источников. В случае рассредоточенных источников выбросов концентрации примесей мало или совсем не зависят от направления ветра. Часто область наибольшего загрязнения воздуха создается в центре города. Однако из-за своеобразия рельефа каждый город реагирует на ветровые условия по-своему, особенно когда рельеф местности сложный [19].

Если предприятия располагаются на окраине или за пределами города, то концентрации в городских кварталах растут при переносе выбрасываемых примесей со стороны источников выбросов. В таких случаях влияние направления ветра на уровень загрязнения воздуха в городе следует специально изучать, поскольку нужно учитывать, что поток воздуха может быть искажен под влиянием сложного рельефа, водоемов, а также непосредственным тепловым воздействием крупных промышленных комплексов. Неблагоприятные направления ветра могут выявляться и при равномерном расположении источников на территории города за счет различных эффектов наложения выбросов [там же].

В отдельных городах, имеющих форму, близкую к прямоугольнику или эллипсу, загрязнение воздуха повышено, когда ветер направлен вдоль этого прямоугольника или большой оси эллипса. В зависимости от скорости ветра на уровне флюгера выявляется наличие двух максимумов загрязнения воздуха: при штиле и при скорости ветра около пяти м/с, что связано с действием двух классов источников высоких и низких. Максимум при штиле более четко проявляется при наличии приземной инверсии, максимум при умеренном ветре ? при ее отсутствии [17].

Для различных городов и сезонов характерными являются следующие закономерности [Там же]:

? при устойчивой стратификации загрязнение воздуха уменьшается с усилением скорости ветра;

? при неустойчивой стратификации максимум загрязнения воздуха отмечается при скоростях ветра, близких к опасным, для основных источников выбросов, расположенных в городе.

Скорость ветра на уровне примерно 500 ? 1000 м может характеризовать интенсивность выноса за пределы города верхней части городской «шапки дыма». Обнаруживается, что с усилением ветра на этих высотах загрязнение воздуха в среднем несколько снижается. В то же время выявляется эффект снижения концентраций при установлении очень слабого ветра (один ? два м/с) на указанных уровнях. Это может быть связано с увеличением подъёма перегретого над городом воздуха [13].

Таким образом, одной из острых экологических проблем настоящего времени является загрязнение атмосферного воздуха выбросами автотранспорта и стационарных источников. Выбросы от промышленных предприятий и транспорта являются основными источниками загрязнения воздушной среды городов вредными (загрязняющими) веществами, которые поступают в атмосферный воздух практически в зоне дыхания человека.

Одними из основных метеорологических факторов, обуславливающих перенос и рассеяние отработавших газов автомобилей и стационарных источников в атмосфере, являются ветровые характеристики. Наибольшие концентрации наблюдаются при штиле и слабых скоростях ветра. С увеличением скорости ветра концентрации загрязняющих веществ уменьшаются. Вблизи автомагистралей опасным (соответствующим максимальным значениям концентрации) является направление ветра вдоль магистрали. По мере удаления от автомагистрали неблагоприятное направление ветра приближается к поперечному (90°) [12].

1.3 Источники загрязнения воздушной среды

Загрязнение атмосферы может иметь естественное (природное) и искусственное (антропогенное) происхождение (рисунок 1) [14].

Рисунок 1 Источники загрязнения атмосферы

Источники антропогенного загрязнения атмосферы - источники загрязнения атмосферы, обусловленные деятельностью человека [14].

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на [Там же]:

· газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды);

· жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей);

· твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества.

В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные), далее предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии,автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов [18].

Роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в развитых промышленных странах Запада несколько иная. Так, например, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и ФРГ приходится на автотранспорт (50-60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16-20% [Там же].

Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и другие) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 миллионов кВт расходует до 20 тысяч тонн угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 тонн SO2 и SO3, 120-140 тонн твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 тонн оксидов азота [16].

Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологичное газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь [Там же].

Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на атомных электростанциях - радиоактивный йод, инертные газы и аэрозоли. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы - отопительная система жилищ (котельные установки) дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок.

Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали, в атмосферу выбрасывается 0,04 тонн твердых частиц, 0,03 тонн оксидов серы и до 0,05 тонн оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, аммиака и других токсичных веществ. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия [Там же].

Химическое производство. Выбросы этой отрасли, хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота, хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль) [27].

Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего, в крупных городах. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений- бенз(а)пирена, альдегидов, оксидов азота и углерода и особо опасных соединений свинца [6].

Наибольшее количество вредных веществ в составе отработавших газов образуется при не отрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в шесть и более раз.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается при добыче и переработки минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) [Там же].

В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов [13].

1.4 Показатели загрязнения воздуха

Для определения уровня загрязнения атмосферы используются следующие характеристики загрязнения воздуха [11]:

Ш средняя концентрация примеси в воздухе, мг/м3 или мкг/м3 (qср);

Ш среднее квадратическое отклонение qср, мг/м3 или мкг/м3 (бср);

Ш максимальная (измеренная за 20 мин) разовая концентрация примеси, мг/м3 или мкг/м3 (qм);

Загрязнение воздуха определяется по значениям средних и максимальных разовых концентраций примесей. Степень загрязнения оценивается при сравнении фактических концентраций с ПДК.

ПДК - предельно допустимая концентрация примеси для населенных мест, установленная Минздравом России. Значения ПДК даны в работе «Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух». Средние концентрации сравниваются с ПДК среднесуточными, максимальные из разовых концентраций - с ПДК максимальными разовыми [14].

В качестве обязательных статистических характеристик используют:

1. повторяемость, %, разовых концентраций примеси в воздухе выше предельно допустимой концентрации (ПДК) данной примеси ;

2. повторяемость, %, разовых концентраций примеси в воздухе выше 5 ПДК ;

3. число случаев концентраций примесей в воздухе, превышающих 10 ПДК.

Используются три показателя качества воздуха: индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), стандартный индекс (СИ) и наибольшая повторяемость превышения ПДК(НП) [16].

1. ИЗА - комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий несколько примесей. Этот показатель характеризует уровень длительного загрязнения воздуха и определен по значениям средних концентраций за расчетный период (месяц, год) пяти загрязняющих веществ [Там же].

Согласно значениям индекса загрязнения атмосферы, принято различать следующие степени загрязнения атмосферного воздуха (таблица 1).

Таблица 1

Оценки степени загрязнения атмосферы

Степень	ИЗА, ед
Градации	Загрязнение атмосферы
I	Низкое	От 0 до 4
II	Повышенное	От 5 до 6
III	Высокое	От 7 до 13
IV	Очень высокое	Больше или равно 14

2. СИ - стандартный индекс, то есть наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Он определяется из данных наблюдений на посту за одной примесью, или на всех постах рассматриваемой территории за всеми примесями за месяц или за год [16].

3. НП - наибольшая повторяемость (в процентах) превышения максимально разовой ПДК по данным наблюдений на посту за одной примесью или на всех постах территории за всеми примесями за месяц или за год.

Уровень загрязнения атмосферы в настоящее время в России остается высоким. В 141 городе (69% городов), степень загрязнения воздуха оценивается как очень высокая и высокая и только в 17% городов - как низкая [18].

На основании выше сказанного, можно сделать следующие выводы.

Вопросы о загрязнении атмосферного воздуха и промышленного развития городов приобретают постепенную актуальность применительно к их разрешению в том или ином городе. Своевременная информация о состоянии окружающей природной среды является основой для выработки оптимальных решений в области охраны природы, а также для оценки их эффективности. Важное методологическое значение для организации системы мониторинга имеют результаты исследований роли эколого - географических факторов в формировании уровней загрязнения и переноса вредных веществ, а также их перераспределения между средами. Город изменяет почти все компоненты природной среды - атмосферу, растительность, почву, рельеф, гидрографическую сеть, подземные воды, грунт и даже климат.



2. Материалы и методы исследования

2.1 Объекты и предметы исследования

Объектом исследования данной дипломной работы являются два города Вологодской области - города Вологда и Череповец.

Город Вологда - областной центр Вологодской области, крупнейший промышленный и культурный центр (рисунок 2) [21].

Рисунок 2 Центральная часть города Вологды

На 01 января 2016 года в городе проживало 312 686 человек. Площадь города составляет 116 км².

Город Вологда является значительным транспортным узлом. Через Вологду проходит федеральная трасса М-8 (Москва - Ярославль - Вологда - Архангельск, с ответвлением Чекшино - Великий Устюг - Котлас), трассы А-114 (Вологда - Новая Ладога, через Череповец) и Р-5 (Вологда - Медвежьегорск, через Кириллов и Вытегру) и трассы местного значения - на Можайское (Пошехонское шоссе), Фетинино (через Семенково) и Грязовец (Старое Московское шоссе). Вокруг Вологды строится новая окружная дорога с современными развязками, которая на настоящий момент соединяет дороги А-114, Р-5 и М-8 (Архангельский выезд), едущим по М-8 из Москвы пока приходится обходить город по Окружному шоссе, которое частично проходит через город [22].

Город Череповец - крупнейший промышленный город области, центр Череповецкого района, расположенный на реке Шексна при впадении ее в Рыбинское водохранилище и реке Ягорбе при впадении ее в реку Шексну (рисунок 3) [21].

Рисунок 3 Центральная часть города Череповца

На 01 января 2016 года в городе проживало 318 536 человек. Площадь города составляет 121 км². Обширная транспортная сеть включает в себя мощный железнодорожный узел, разветвленную автодорожную сеть (федеральная трасса Москва - Архангельск), крупный аэропорт [22].

Результаты многолетних наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, выполняемые лабораторией Росгидромета показывают, что все жилые кварталы города в той или иной мере испытывают определённую техногенную нагрузку. Анализ помесячной динамики комплексного показателя загрязнения атмосферы позволяет сделать вывод, что наиболее неблагоприятная ситуация в городе формируется в весенне-осенний период, когда наиболее часто возникают неблагоприятные метеоусловия (НМУ), ухудшающие рассеивание вредных веществ и способствующие их накоплению в атмосфере в результате слабого ветра, или меняющие направление переноса примесей, выбрасываемых в атмосферу. В этой связи наиболее неблагоприятными для города является западное направление ветра, поскольку при этом направлении выбросы от многих источников переносятся в сторону жилой застройки [29].

Предметом исследования являются выбросы от автотранспорта и промышленных предприятий. Основными загрязняющими веществами являются оксид углерода, диоксид азота, диоксид серы, углеводороды и сажа. Выбросы автотранспорта в городе Вологде составляют 86% от общего объема выбросов, в городе Череповец - 31%. В городе Череповец вклад промышленных предприятий в валовый выброс по городу составляет 75%, в городе Вологда - 1%.

2.2 Материалы исследований

Вся информация по Вологодской области, городам Вологда и Череповец, данные по составу, объему и динамике выбросов для написания данной работы была получена из Докладов о состоянии и охране окружающей среды Вологодской области за 2013-2015 годы.

В работе были использованы следующие методы:

1. Описательный - главы 1, 2. Характеристика городов, выбросов, видов загрязнений.

Описательный метод - фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах [16].

2. Сравнительно-аналитический - глава 4. Сравнительный анализ выбросов в гг. Вологда и Череповец.

Сравнительно-аналитический метод - это операция мышления, посредством которой классифицируются и оцениваются объекты исследования в целях выявления сходных и отличительных признаков. Сравнение является наиболее распространенным методом [16];

3. Картографический - глава 2,3. Карты городов.

Картографический метод исследования -- метод исследований, основанный на получении необходимой информации с помощью карт (сведения о географическом положении объектов) для научного и практического познания изображенных на них явлений [Там же];

4. Ретроспективный - глава 4.

Рассмотрена динамика выбросов за 2013 - 2015 годы.

Ретроспективный метод - анализ, заключающийся в изучении тенденций, сложившихся за определенный период в прошлом. Эффективность анализа заключается в установлении динамики данных показателей, изучение факторов, которые на них влияют, приравнивают к данным плана. В конце осуществления этого процесса, обязательно разрабатывают рекомендации по поводу повышения эффективности и улучшения деятельности [20];

5. Графический - глава 1,3, 4. Диаграммы по составу, динамике выбросов.

Графический метод - сопровождение текста таблицами и диаграммами, которые делают информацию более наглядной [16].

Указанная методика достаточна для раскрытия темы работы и проведения измерений.



3. Геоэкологическая характеристика городов Вологда и Череповец

3.1 Геоэкологическая характеристика города Вологды

Город Вологда расположен на севере Русской равнины, в зоне умеренно-континентального климата со сравнительно теплым коротким летом и продолжительной холодной зимой. Средняя месячная температура самого теплого месяца июля составляет 16,6 - 17,3 ⁰С, самого холодного месяца января 10,8 - 13,8 ⁰С [22].

Физико-географическое положение города достаточно благоприятное. Карта города представлена на рисунке 4 в масштабе 1:25000 [21]. Город значительно удален от океанов и в то же время находится под воздействием морских умеренных воздушных масс, что смягчает климат.

Рисунок 4 Карта города Вологды [20].

Из-за довольно частых вторжений теплого морского воздуха Атлантики и холодного воздуха Арктики погода неустойчива: зимой наблюдаются оттепели, весной возможны сильные морозы до 25 - 30 ⁰С, летом часто бывают пасмурные и дождливые дни. Основная городская застройка занимает достаточно компактную территорию. В её южной и северо-восточной частях находятся крупные жилые районы Подшипникового завода, Бывалово, Завокзальный, пятый и шестой микрорайоны, Фрязиново, Водники. Эти районы застраиваются преимущественно типовыми пяти-, девяти-, двенадцатиэтажными домами с 1960-х годов. В настоящее время идет расширение города на юго-запад, там идет активная застройка новых многоэтажных домов за Окружным шоссе, где в скором времени появится новый микрорайон с развитой инфраструктурой. Крупные промышленные зоны сосредоточены в восточной и западной частях города, а также вдоль железных дорог [22].

Атмосферное давление в городе от месяца к месяцу меняется в течение года не очень значительно, но все же в зимние морозные месяцы среднее давление выше, чем в теплые летние. Такой ход давления характерен для континентального климата. Приход циклонов и антициклонов нарушает ровный ход давления. Изменение давления приводит к смене направления и скорости ветра.

Преобладают ветры западных направлений. Северо-восточные и восточные ветры наблюдаются редко. Преобладающие направления ветра отражает роза ветров. На рисунке 5 показана роза ветров для города Вологды. В зимние и осенние месяцы чаще бывают юго-западные ветры, летом - северо-западные, весной ветры неустойчивы и часто меняются по направлению. Во все сезоны года преобладают слабые ветры со скоростью от 2 до 5 м/с. Случаются и сильные ветры со скоростью свыше 15 м/с, но они редки [23].

С изменением направления и скорости ветра связаны изменения температуры воздуха и осадков. Город расположен в зоне избыточного увлажнения, годовое количество атмосферных осадков составляет 500 - 650 миллиметров. Количество поступающей солнечной радиации зависит от высоты Солнца над горизонтом и продолжительности дня. Соответственно изменяется величина суммарной радиации [23].

Рисунок 5 Роза ветров для города Вологды

С изменением направления и скорости ветра связаны изменения температуры воздуха и осадков. Город расположен в зоне избыточного увлажнения, годовое количество атмосферных осадков составляет 500 - 650 миллиметров. Количество поступающей солнечной радиации зависит от высоты Солнца над горизонтом и продолжительности дня. Соответственно изменяется величина суммарной радиации [22].

В июне на горизонтальную поверхность в виде прямой и рассеянной радиации поступает около 14 ккал/см² (580 МДж/м²), в декабре - 0,6 ккал/см² (25 МДж/м²), в марте - семь ккал/см² (300 МДж/м²), в сентябре - шесть ккал/см². Всего же в течение года на территорию Вологодской области приходится около 80 ккал/см² (5500 МДж/м²) суммарной солнечной радиации. Треть от этого количества отражается от поверхности, остальная часть поглощается ею. На нагревание и испарение затрачивается 30 ккал[Там же].

С точки зрения геологии, Вологда располагается на севере Русской платформы в пределах Московской синеклизы. В основании платформы находится кристаллический фундамент,ее верхний ярус составляют породы осадочного чехла. Фундамент представлен породами архейского и протерозойского возраста - гранитами, гнейсами, кварцитами и имеет сложное строение [22].

Осадочный чехол представлен отложениями позднепротерозойского, палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста [23].

Преобладающий рельеф местности района города Вологда равнинный. В пределах плоских депрессий и долины реки Вологды абсолютные отметки высот от 108 до 116 метров. В местах высоких речных и озерно-ледниковых террас абсолютные отметки высот колеблются от 116 до 130 метров [Там же].

В городе Вологда, как и в других крупных городах, наблюдается значительное преобразование всех природных компонентов, и особенно почвенного и растительного покровов. Почвенный покров за пределами зон жилой и хозяйственной застройки в силу исторических и других обстоятельств сильно трансформирован. В первую очередь, это относится к верхним органогенным горизонтам. Исторический фон территории - это типичные подзолистые почвы различных генераций (от слабо-средне-сильно подзолистых и дерновоподзолистых до подзолисто-глеевых, торфяно-подзолисто-глеевых, болотных, лугово-болотных и торфянистых) [Там же].

В пределах города преобладают следующие почвы: дерновые мощные антропогенные сильно измененные-насыпные, дерновые среднемощные антропогенные сильно измененные-насыпные, дерновые маломощные антропогенные слабоизмененные-насыпные, дерново-слабо-среднеподзолистые антропогенные почти неизмененные, нарушен лишь горизонт А₁, либо перекрытые насыпным грунтом до 10 см. Первые распространены в центральной части города, давно освоенной. Они практически потеряли свой первичный генетический облик, изобилуют скелетным материалом антропогенного происхождения и органогенным материалом торфяноперегнойного характера, отсыпанного в процессе рекультивации и планировочных работ. Вторые сохраняют погребенные реликтовые горизонты в нижней и средней части профиля. Верхняя часть -окультурена [23].

В ряде случаев, при рекультивации произведена насыпка органического горизонта из привозного торфа или перегноя, которой впоследствии трансформирован в окультуренный горизонт А_1. То же можно сказать и о слабоизмененных дерновых и дерново-подзолистых почвах. Однако чаще можно встретить такое состояние почвенного профиля, когда верхние, органические горизонты отсутствуют вовсе или частично, вследствие вытаптывания, деформации тяжелыми машинами или срыва при бульдозерных расчистках, застройки и асфальтирования [Там же].

Более серьезным показателем состояния почвенного покрова является его переувлажнение вследствие антропогенных причин. Для города Вологды, исключая его центральную часть, почти повсеместно формирование и трансформация почв идет в полугидроморфных или гидроморфных условиях, в результате чего развиваются полуболотные или даже болотные почвы (район Екимцева, восточная часть территории льнокомбината и другие). В большинстве случаев это обусловлено временными или постоянными подпорами вследствие того, что при строительных работах хозяйственных или промышленных объектов и транспортных коммуникаций не учитывается доминирующее направление поверхностного или внутрипочвенного стока, создаются так называемые «стоковые ловушки». Это характерно для бассейна реки Дулевки, района шарикоподшипникового завода, восточной части города, рассеченной сетью насыпей железных и шоссейных дорог. Перепуски стока под ними не могут быть эффективными, и переувлажнение почв в условиях атрудненного дренажа и малых уклонов неизбежно. Как следствие, также неизбежно заболачивание почв и их техногенное загрязнение [Там же].

Гидрографическая сеть территории города Вологда представлена разнопорядковыми водотоками, среди которых к наиболее высокому рангу относятся реки Вологда и Тошня, а также притоки Вологда - Содима - Золотуха, Шограш, Дулевка. Вместе с тем в северо-восточной части города в пределах Вологдо-Сухонской плоской депрессии в результате ее хозяйственного освоения - разработки торфяных месторождений, сооружена система дренажных каналов и головного канала, отводящих основной сток не в восточном, а в западном направлении к реке Вологде. Это типичная антропогенная трансформация поверхностного и дренажного стока, которая привела к изменению характера местного дренажа на площади более пяти километров квадратных [22].

Город находится в зоне с естественным избыточным увлажнением. Заметную роль в характеристике структуры поверхностного водообмена территории города Вологды играют многочисленные пруды, в основном, хозяйственного назначения [Там же].

Уровень загрязнения воздуха - повышенный. Основным источником загрязнения атмосферы в г. Вологде является автомобильный транспорт, на долю которого приходится более 80 % выбросов по городу. К наиболее крупным стационарным источникам относятся предприятия теплоэнергетики - МУП «Вологдагортеплосеть», Главное управление ОАО «ТГК - 2» по Вологодской области (Вологодская ТЭЦ), строительной отрасли - ОАО «Агростройконструкция», машиностроительного комплекса - АО «Вологодский оптико-механический завод», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод».

Население города составляет около 320 000 человек. Город Вологда - это исторический центр Вологодской области. В городе достаточное количество достопримечательностей и парков, есть торговые центры, бизнес центры, банки, заведения общего питания, училища, высшие учебные заведения и другие важные объекты. Планировка города - полосовидная (линейная), расположение улиц по обе стороны реки Вологды. Город является крупным транспортным узлом с развитой инфраструктурой и внешними торговыми связями. Вологодские промышленные объекты поставляют как в города по всей России, так и за границу изделия с Подшипникового завода, Оптико-механического завода, продукты с Вологодского молочного комбината и другие. Через город проходят как трассы федерального значения, так и дороги регионального значения, связывающего с городом селения области [24].

3.2 Геоэкологическая характеристика города Череповца

Череповец - крупнейший город Вологодской области, административный центр Череповецкого района, один из немногих российских региональных городов, превосходящих административный центр своего субъекта федерации (Вологду) как по численности населения, так и по промышленному потенциалу.

Порт на реке Шексне, левом притоке Волги, на берегу Рыбинского водохранилища. Расстояние от Череповца до Москвы составляет 505 км, до Санкт-Петербурга 460 км по железной дороге [23].

Город Череповец расположен в центральной части Восточно-Европейской равнины, на юго-западе Вологодской области. Положение Череповецкого района на юго-западе Вологодской области определяет некоторые особенности его природы, в частности большую обеспеченность теплом по сравнению с северными районами [Там же]. Карта города представлена на рисунке 6 в масштабе 1:35000.

Рисунок 6 Карта города Череповца

Город делится на четыре района: Индустриальный, Зашекснинский, Северный и Заягорбский. Основной экономический потенциал города составляют предприятия черной металлургии и химической промышленности, на которых работает более 40% населения Череповца [23].

Климат Череповецкого района формируется под влиянием факторов и процессов, обычных для Вологодской области, но положение на юго-западе, вблизи Рыбинского водохранилища, определяет некоторые его особенности. Череповец находится в атлантико-континентальной области умеренного климатического пояса. Характерной чертой климата Череповца является частая смена воздушных масс, обусловленных быстрым прохождением барических образований в течение года [Там же].

Сезоны года в Череповце выражены хорошо. Зима довольно снежная, средняя температура самого холодного месяца (января) находится на уровне 10,2 градусов. Абсолютный минимум, зафиксированный метеорологами региона составил 45,4 градуса. Морозы могут сменяться периодами оттепели [23].

Лето теплое, начинается в мае и продолжается до конца августа. Средняя температура самого теплого месяца (июль) находится на уровне +17,6 градусов, абсолютный максимум был зафиксирован на показателе 36,2 градуса [Там же].

Город Череповец расположен в зоне избыточного увлажнения: осадков выпадает больше, чем может испариться. Атмосферные осадки выпадают преимущественно в виде дождя, снега, снежных и ледяных зерен, града (вертикальные осадки). Незначительное количество осадков поступает в виде росы, инея, изморози (горизонтальные осадки) [24].

Годовая сумма осадков составляет 757 миллиметров, больше половины из них (489 миллиметров) выпадает с апреля по октябрь, за холодный период года выпадает 268 миллиметров. Примерно третья часть годовых осадков выпадает в твердом виде и накапливается в снежном покрове.

Основу климата определяет поступление солнечной радиации в течение года. В летние месяцы территория района получает максимальное количество солнечной радиации, и радиационный баланс (разность между приходом и расходом солнечной радиации) в это время положительный. В день летнего солнцестояния (22 июня) в полдень высота солнца в Череповце достигает 54 градусов 20 минут. Количество солнечной энергии за июль может составлять около 600 мегаджоулей на квадратный метр [23].

В зимние месяцы приход солнечной радиации резко сокращается (в январе примерно в десять раз по сравнению с июлем) и расходная часть радиационного баланса становится больше приходной. Если бы климат района зависел только от прихода солнечной радиации, то его характеристики отличались бы от существующих: лето было бы теплее, а зима значительно холоднее. Существенные коррективы вносят циркуляционные процессы [Там же].

Особенно сильное влияние на климат района оказывает циклоническая деятельность. Циклоны, которые чаще формируются над водами северной Атлантики, способны переносить огромное количество тепла и влаги. Циклоническая погода может устанавливаться в любой месяц года, но наибольшее число циклонов приходит в осенне-зимний период [24].

Зимние циклоны приносят с запада погоду со снегопадами и оттепелями, сильными ветрами. Частое их прохождение обусловливает снежные и сравнительно теплые зимы [Там же].

Циклоны, приходящие в теплый период года, сопровождаются затяжными осадками и ощутимым снижением температуры воздуха. Только 13 процентов летних циклонов имеют южное происхождение и несут теплый тропический воздух Средиземноморья.

Атмосферные потоки определяют направление ветров над территорией района. Поскольку преобладает западный перенос воздуха, то господствуют ветры юго-западной составляющей. Однако имеются сезонные различия. Зимой больше повторяемость южных, юго-западных и западных ветров, летом возрастает доля северо-восточных и северо-западных. На рисунке представлена роза ветров для города Череповца [25].

Рисунок 7 Роза ветров для города Череповца (А - январь, Б - июль)

Современный рельеф района связан с деятельностью ледника, ледниковых вод, рек и аккумуляцией биогенных отложений. Поверхность района полого наклонена в южном и юго-западном направлениях [24].

Череповецкий регион является юго-западной частью Вологодской области и расположен на Молого-Шекснинской равнине, которая относится к полесьям последнего оледенения. В ее рельефе преобладает плоская низменная поверхность междуречий с врезанными поймами ограниченных размеров, поэтому воздействие вешних разливов рек сказывается незначительно. На территории региона широко распространены переходные и верховные водораздельные болота, но встречаются и пойменные болота. К северу и северо-западу поверхность Молого-Шекснинской низины постепенно повышается. Южная, наиболее низкая часть низины затоплена Рыбинским водохранилищем, в Шекснинской горловине расположен город Череповец [23,24].

Несмотря на то, что это равнинная территория, колебания высот здесь весьма значительны -- около 170 метров (от 102 до 270 метров над уровнем моря). Выделяются возвышенные участки и нижние равнины между ними. Возвышенности приурочены к краевым зонам оледенения, низменности возникли на месте приледниковых и послеледниковых водоемов после спада их уровня. Первые представлены Андогской грядой и Вологодской возвышенностью, вторые -- Молого-Шекснинской низменностью и Средне-Шекснинской низиной.

Основные типы почв, характерные для данной зоны, относятся к подзолистым, дерновым, болотным, которые встречаются или в "чистом" виде, или в различных сочетаниях между собой, образуя многообразные группы переходных дерново-подзолистых, подзолисто-болотных, дерново-перегнойных и подзолисто-перегнойных почв. Подзолистые почвы являются преобладающими на территории зеленой зоны Череповца. Они распространены в основном на повышенных или выровненных хорошо дренируемых элементах рельефа под сосновыми, еловыми и мелколиственными зеленомощными лесами. Подзолистые почвы представлены двумя подтипами - подзолистыми и дерново-подзолистыми. Первые занимают 16 % общей площади зеленой зоны, вторые -около 45 %. Характерной особенностью подзолистых типичных почв является отсутствие или слабое развитие гумусового горизонта. По механическому составу наиболее распространены легкосуглинистые и супесчаные почвы [23].

Территория Череповецкого региона характеризуется наличием большого числа озер и болот, слаборазвитой эрозионной сетью и развитой гидрографической сетью. В черте города и его ближних окрестностях протекают реки Шексна, Ягорба, Серовка, Нелаза, Торовка, Кошта. Недалеко от города Череповца, на западе, протекает р.Суда, а на востоке расположено Шекснинское русловое водохранилище. Характерной особенностью всех рек в районе Череповца является их зарегулированность подпором от Рыбинского водохранилища, в результате чего устья рек превратились в глубоководные заливы, к крупным из которых относятся заливы рек Суды и Шексны [Там же].