Глава 21. ГОРОДА И ГОРОДСКИЕ ЛАНДШАФТЫ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Эколого-геохимические оценки состояния городов

При эколого-геохимических оценках состояния урбанизированных территорий используются разнообразные методические подходы. Для решения конкретных задач применяются частные или специальные методы мониторинга и оценки качества среды, в основном базирующиеся на индикационных свойствах отдельных компонентов городского ландшафта.

Комплексная геохимическая оценка экологического состояния города или его отдельного района состоит из нескольких взаимосвязанных блоков информации, выделение которых основано на определенных методических принципах и технологических подходах.

Оценка природного геохимического фона окружающей территории

Эти исследования необходимы для расчета контрастности техногенных геохимических аномалий в городской среде. Особенно они важны для тех сред и химических элементов, для которых не разработаны предельно-допустимые концентрации — ПДК и др. санитарно-гигиенические нормы. Оценка геохимического фона включает получение детальной информации о региональной литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых участков, расположенных вне зоны влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре, выраженной в виде системы ландшафтно-геохимических коэффициентов и моделей (см. выше). При выборе эталонных участков нужно учитывать радиус загрязнения вокруг промышленных центров, нередко достигающий нескольких десятков километров. Закономерности дифференциации геохимического фона природных ландшафтов и используемые при их изучении методические принципы описаны в первой книге.

Ландшафтно-геохимический анализ состояния городов

Он включает изучение распределения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, снеге, почвах, растениях, животных, водах, т.е. в компонентах городского ландшафта, а также в людях, изучение связей между ними, анализ техногенных потоков тяжелых металлов, радионуклидов и органических загрязнителей, оценку техногенной геохимической трансформации среды под воздействием промышленной и муниципальной деятельности, эколого- геохимическое картографирование и зонирование городов.

Экологические блоки промышленного города, между которыми формируются потоки загрязняющих веществ, условно делятся на три группы: а) источники выбросов, к которым относится промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт; б) транзитные среды, непосредственно принимающие выбросы, где происходит транспортировка и частичная трансформация загрязняющих веществ — атмосфера города, атмосферные выпадения (дождь, снег, пыль), временные и постоянные водотоки, поверхностные водоемы (пруды, озера, водохранилища), грунтовые воды; загрязняющие вещества в эти системы поступают через открытые и закрытые коллекторы путем рассеивания через атмосферу или от складирования твердых отходов; в) депонирующие среды, в которых накапливаются и преобразуются продукты техногенеза — донные отложения, почвы (особенно участки геохимических барьеров), растения, микроорганизмы, городские сооружения, население города.

Используемые при экологической оценке городов ландшафтно-геохимические методы в большей степени связаны с изучением не эмиссии загрязняющих веществ от техногенных источников, на которое ориентированы системы ведомственного мониторинга, а имиссии поллютантов, т.е. их реального распределения в депонирующих природных средах. Общая характеристика техногенных источников загрязнения рассмотрена в главе 1.

Формы связи микроэлементов с твердыми частицами аэрозолей

Выбросы вредных веществ в атмосферу в городах составляют сотни и миллионы тысяч тонн в год. Среди городов по интенсивности выбросов (более 800 тыс. т/год) выделяются города с черной и цветной металлургией — Норильск, Кривой Рог, Темиртау, Новокузнецк, Магнитогорск, Мариуполь. Для оценки экологической опасности и степени загрязнения кроме объема выбросов важно знать их качественный состав и содержание наиболее токсичных веществ. В крупных столичных городах, расположенных в межгорных и предгорных впадинах, велико загрязнения от автотранспорта, достигающее в Тбилиси, городах. Фракции: 1 - обменная; 2 - адсорбированных на поверхности гидроксидов и карбонатов; 3 - связанная с оксидами железа и марганца; 4 - связанная с органическим веществом; 5 - остаточная (по W. Salomons, U. Fdrstner).

Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав аэрозолей. При этом элементы с относительно высокими кларками — железо, марганец, цинк, хром, медь связаны главным образом с мелко- и крупнодисперсным аэрозолем (0,05 — 2 мкм и более), а наиболее токсичные элементы с низкими кларками — кадмий, свинец, сурьма, мышьяк, ртуть находятся преимущественно в субмикронной фракции (менее 0,05 мкм) или паро-газовой фазе аэрозоля. В атмосферных аэрозолях кадмий, свинец, цинк находятся в основном в обменных формах (21.2).

Атмосфера городов загрязнена обычно оксидами серы и азота, пылью, но особенно опасны специфические для каждого производства загрязнители. Наиболее высоки уровни загрязнения в городах с черной, цветной металлургией и нефтехимической промышленностью, где предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ превышены в несколько раз. Среди специфических поллютантов приоритетные позиции занимают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), формальдегид, тяжелые металлы. Особенно контрастны техногенные аномалии одного из ПАУ — 3,4-бензпирена, обладающего канцерогенными свойствами и образующегося при пиролитических процессах, главным образом при сжигании ископаемого топлива.

Высока запыленность воздуха в городах. Так, в фоновых ландшафтах центра Русской равнины поставка твердого вещества из атмосферы составляет 10 — 15 кг/км^ в сутки (Ю.Е. Сает, Н.Ф. Глазовский). В промышленных городах она увеличивается в 5 — 10 и более раз, что ведет к возрастанию роли взвешенных частиц как носителей химических элементов и контрастности образующихся при атмосферных выпадениях техногенных аномалий (21.3). Выделяется два типа атмотехногенной нагрузки: 1) выпадение больших количеств пыли с относительно низкими концентрациями поллютантов и 2) высокие нагрузки, образуемые выпадением меньшего количества пыли с повышенными содержаниями элементов.

Из-за глобального распространения многих поллютантов, особенно тяжелых металлов, возникают большие трудности при определении регионального фона атмосферных выпадений. Почвы — основной поставщик тяжелых металлов естественного происхождения в атмосферу. Однако пыль выпадений по сравнению с почвами обогащена в 5 — 20 раз ртутью, цинком, оловом, кадмием и медью. Считается, что для этих металлов, а также мышьяка и сурьмы антропогенный вклад в их общее количество в атмосфере составляет более 50%. Поэтому понятие "фон" для атмосферных выпадений относительно. Выпадения в промышленных городах в среднем в 3 — 15 раз обогащены тяжелыми металлами по сравнению с региональным фоном. В свою очередь территория крупных городов, как правило, загрязнена неравномерно и на повышенном городском фоне четко выделяются техногенные аномалии выпадений промышленных зон, в которых концентрации цинка, свинца, никеля, ртути, хрома и других металлов возрастают обычно еще в 5 — 6 раз.

Интенсивность загрязнения воздуха в городах зависит и от целого ряда ландшафтных факторов, в первую очередь от метеорологической ситуации и рельефа. Особенно сильно загрязнены промышленные города, расположенные в горных котловинах (горно-котловинное семейство) с частыми инверсиями температур, приводящими к смогам (Новокузнецк, Братск, Магнитогорск, Иркутск и др.).

Состояние атмосферного воздуха очень динамично, поэтому наблюдение за ним ведется непрерывно на стационарных пунктах контроля (в крупных городах, как правило, в нескольких пунктах). Достоинством такой организации контроля воздушной среды служит непрерывность, а недостатком — редкая сеть наблюдений, не обеспечивающая достоверную пространственную картину распределения загрязнителей по всей территории города. Существование коррелятивных зависимостей между содержанием многих поллютантов в атмосферном воздухе и их содержанием в снеге и почвах, доступных для площадного опробования, позволяет использовать эти компоненты ландшафта для экспрессной геохимической индикации загрязнения городов.

Атмотехногенное загрязнение снежного покрова

Снег обладает высокой сорбционной способностью и поглощает из атмосферы значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом. Этот метод экспрессной оценки состояния среды успешно применяется во многих городах тундровой, таежной, лесостепной, отчасти степной зон.

Вокруг промышленных центров техногенные ореолы запыленности снежного покрова, выявленные со спутников, в 2 — 3 раза выше фонового уровня. Особенно велики площади загрязнения в Московском, Донецко-Криворожском, Кузбасском, Уральском территориально-производственных комплексах. Техногенные ореолы пыли в снежном покрове в десятки раз превышают площадь городской застройки и в 2 — 3 раза контрастнее ореолов в атмосферном воздухе.

Опробование снега проводится обычно перед началом таяния на всю его мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Сплошной снежный покров позволяет проводить массовое площадное опробование территории города и его окрестностей по регулярной, полурегулярной сети или векторным способом. Достоверные пространственные структуры загрязнения получают при взятии одной пробы на 1 км2 на открытых площадках, удаленных на 150 — 200 м от воздействия автотранспорта или других локальных источников.

Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют под давлением или пропускают через газ. При мониторинге снежного покрова обычно исследуется две фазы — растворенная, прошедшая через ядерные фильтры диаметром не менее 0,45 мкм, и минеральная фаза (пыль), оставшаяся на фильтрах. Такой фазовый анализ позволяет получить информацию о пространственном распределении наиболее подвижных водорастворимых форм химических элементов и сорбированных, карбонатных, гидроксидных и др. форм, связанных с минеральными и органоминеральными носителями. Техногенные ореолы этих форм имеют разную площадь, контрастность и элементный состав. Наибольшее индикационное значение имеет количество и химический состав пыли, на долю которой приходится обычно 70 — 80% от общего баланса элементов в снеге.

После аналитического определения макрокомпонентов, соединений азота, фтора, тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов и др. рассчитываются коэффициенты техногенной концентрации или аномальности элементов и соединений (Кс) по сравнению с фоном, а также показатели общей пылевой нагрузки

Для выражения полиэлементных техногенных аномалий часто используются суммарные показатели загрязнения (Zc) или нагрузки (Zp), характеризующие степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона (см. разд. 20.1). По Ю.Е. Саету и др., аномальные зоны с Zc более 100 — 120 характеризуют высокий и опасный уровень загрязнения.

Техногенная геохимическая трансформация городской среды зависит от видов преобладающих производств и конкретной ландшафтной ситуации. Выделяются пять основных групп поллютантов: 1) макрокомпоненты снеговых вод — пыль, сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, хлор, фтор, минеральные формы азота и фосфора и др.; 2) тяжелые металлы и другие микроэлементы; органические соединения: 3) фенолы, формальдегид и др.; 4) полициклические ароматические углеводороды; 5) радионуклиды. Другие токсичные вещества — полихлорбифенилы, пестициды, диоксины, очевидно, также загрязняют городскую среду, но их распределение в снежном покрове городов практически не изучено.

Трансформация общего химического состава снега. Выбросы пыли, оксидов серы, азота, углерода приводят к техногенной трансформации химического состава снеговых вод. Во многих городах выбросы оказывают противоположное влияние на химический состав снега. При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду (цементная, строительная промышленность, теплоэнергетика, черная металлургия, производство аммиака) наблюдается подщелачивание снеговых вод до 8,5 — 9,5 и увеличение содержания кальция, магния, гидрокарбонатионов за счет растворения техногенных карбонатов, содержащихся в пыли. Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия, коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. Иногда наблюдается зональность щелочно-кислотных условий: во внутренней зоне загрязнения воды имеют щелочную реакцию, во внешней зоне — более кислую. В среднем нагрузка сульфатов (2 — 3 т/км^ в год), нитратов (0,5 — 1,0), аммония (около 1 т/км^ . год) на города почти на порядок выше, чем на малонаселенные районы.

При подщелачивании и подкислении происходит увеличение минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO^VCl- в снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. К > 10 обычно характеризует достаточно сильную трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.

Тяжелые металлы в снежном покрове. Пространственная связь и качественный состав микроэлементов позволяет четко индицировать техногенные источники этого загрязнения. Растворимые и минеральные формы металлов имеют разное индикационное значение.

Техногенные ПАУ образуются при сжигании углеводородного топлива в промышленности и энергетике, производстве кокса, работе двигателей внутреннего сгорания. Из-за своей токсичности и канцерогенности ПАУ отнесены к приоритетным загрязняющим веществам. С прогрессом аналитической техники их определение все больше используется при эколого-геохимических оценках техногенеза. К ПАУ относятся сотни соединений, среди которых наиболее токсичны 3,4-бензпирен (БП) и 1,12-бензперилен (БПЛ), особенно часто определяемые в объектах окружающей среды. 3,4-бензпирен в 70 — 80% случаев занимает первое место среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в российских городах и других городах СНГ.

Техногенные аномалии ПАУ в снежном покрове вокруг металлургических комбинатов и ТЭЦ в радиусе до 3—8 км часто имеют более компактную конфигурацию и высокую контрастность по сравнению с аномалиями тяжелых металлов. Наиболее интенсивно загрязнение ПАУ в городах с черной и цветной, главным образом алюминиевой промышленностью (г.г.Красноярск, Липецк, Братск, Магнитогорск, Череповец), где вокруг промплощадок их содержание в снеге в десятки и сотни раз больше фоновых значений (21.4). Предельно-допустимые концентрации ПАУ, в частности для 3,4-бензпирена, установлены только для водоемов — 5 нг/л. Фоновые концентрации БП в снеговой воде Среднего Поволжья составляют 5 — 10 нг/л, в г. Тольятти они выше в 2 — 10 раз (Ю.И. Пиковский). Так как ПАУ концентрируются в пылевой составляющей снега, то контрастность техногенных аномалий ПАУ в аэрозолях снега значительно выше. Так, в Поволжье при фоне БП в аэрозолях снега 20 — 40 нг/г, в г. Тольятти его содержание достигает 2—3 тыс. нг/г, т.е. больше в 100 — 300 раз. Многие ПАУ канцерогенны (Л.М. Шабад), поэтому изучение их распространения в окружающей среде имеет большое медико-гигиеническое значение.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов