Комплексная геохимическая оценка экологического состояния города

Комплексная геохимическая оценка экологического состояния города или его отдельно взятого района состоит из нескольких взаимосвязанных блоков, каждый из которых имеет определенные методические принципы и технологические подходы. Такими блоками являются: оценка природного геохимического фона, выявление источников техногенных потоков, анализ состояния транзитных и депонирующих сред.

1. 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 еще не разработаны санитарно-гигиенические нормы. Оценка геохимического фона заключается в получении детальной информации о региональной литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых участков.

2. Выявление источников поступления техногенных элементов.

Экологические блоки любого промышленного города между которыми формируются потоки загрязняющих веществ условно делятся на три группы:

- источники выбросов;

- транзитные среды;

- депонирующие среды.

Геохимическое состояние городской среды определяется количеством техногенных источников, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. Наиболее опасная ситуация складывается при наложении воздействия различных видов производств.

Главными источниками загрязнения являются: неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные вещества. Они подразделяются на жидкие и твёрдые (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков), выбросы ( рассеянные в атмосфере загрязняющие вещества в твердой, жидкой и газообразной фазах). Они могут быть организованные (трубы, факелы, очистные сооружения, отвалы) и неогранизованные - утечки в системах трубопроводов, при авариях, перевозках.

Инвентаризация техногенных источников является  одной из важнейших и первоочередных задач геохимической оценке городов.

3. Анализ состояния транзитных сред

Выбросы промышленных предприятий и транспорта попадают прежде всего в атмосферу, которую можно рассматривать как основную транзитную среду для техногенных потоков. Объем и характер выбросов определяются видом и мощностью промышленных предприятий, а также насыщенностью транспортных потоков (интенсивностью движения, видом транспорта, состоянием транспортных магистралей).

Глобальный характер распространения многих поллютантов приводит к тому, что очень сложно определить региональный фон атмосферных выпадений и соответственно оценить техногенные атмосферные аномалии в городах. Основным природным источником поступления тяжелых металлов в атмосферу является почва. Но пыль выпадений по сравнению с почвами обогащена в 5-20 раз ртутью, цинком, оловом, кадмием, медью. Считается, что для этих металлов, а также для мышьяка и сурьмы антропогенный вклад составляет уже более 50%. Поэтому понятие фон для атмосферных выпадений относительное.

Наибольшие выбросы в атмосферу имеют города с черной и цветной металлургией. В крупных административных центрах основная доля поступлений в атмосферу связана с транспортом.

Основная масса поступающих в атмосферу элементов в входит в состав аэрозолей. При этом элементы с относительно высокими кларками - железо, марганец, цинк, хром, медь - связаны 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 О,О5 мкм ) или парогазовой фазе аэрозоля. При этом преобладают водно-растворимые формы металлов.

Среди специфичных поллютантов приоритет у полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), формальдегидов, и тяжелых металлов. Особенно контрастны техногенные аномалии одного из ПАУ - 3,4 бензпирена, обладающего канцерогенными свойствами и образующегося при сжигании ископаемого топлива.

О характере и пространственном распределении атмосферного загрязнения можно судить по загрязнению снежного покрова. Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает 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 постоянным снежным покровом.

Техногенные ареалы пыли в снежном покрове в 2-3 раза превышают площадь городской застройки. Опробование снега проводится перед началом таяния на всю его мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Проводят массовое площадное опробование территории города по регулярной, полурегулярной сети или векторным методом. Достоверные пространственные структуры загрязнения получают при взятии пробы на 1 км 2 на открытых площадках, удаленных на 150-200 м от воздействия транспорта или других локальных источников.

Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют под давлением при пропускании через газ. Исследуют две фазы - растворенную, прошедшую через ядерные фильтры диаметром не менее 0,45 мкм, и минеральную (пыль), оставшуюся на фильтрах.

Такой фазовый анализ позволяет получить информацию о пространственном распределении наиболее подвижных водо-растворимых форм химических элементов и форм, (сорбированных, карбонатных, гидроксидных), связанных с минеральными и органоминеральными носителями. Наибольшее индикационное значение имеют количество и химический состав пыли, на долю которой приходится 70-80% от общего баланса элементов в пробах снега.

Далее рассчитывается коэффициент техногенной концентрации или аномальности химических элементов или соединений Кс по сравнению с фоном (соотношение концентрации химических элементов в снежной пыли в городе, к фоновому показателю для этих же элементов).

Суммарные значения коэффициентов техногенной  концентрации (для всех  элементов) характеризуют степень загрязнения ассоциацией элементов. Значения этого показателя больше 100-120 фиксируют высокий и опасный уровень загрязнения.

4.Анализ состояния депонирующих сред.

Основной депонирующей средой в городских ландшафтах является почвенный покров и растительность.

Существенное значение для формирования геохимического фона городских почв имеют длительность и характер промышленного воздействия. Исследования культурных слоев древних городов (Новгород, Псков и Самарканд) показали, что антропогенное воздействие в доиндустриальный период уже привело к заметному загрязнению городских почв. Поэтому даже при сравнительно ограниченной промышленной нагрузке почвы могут быть загрязнены. Но, как правило, техногенные ареалы в почвах фиксируют интенсивные загрязнения в течение последних 20-50 лет. Минимальное время формирования достаточно контрастных педохимических аномалий составляет 5-10 лет, хотя для отдельных элементов (мышьяк, цинк) это может быть 1-2.года.

По эффекту воздействия на городские почвы техногенные вещества могут быть объединены в две группы: педохимически активные вещества и биогеохимически активные вещества. Педохимически активные вещества  изменяют окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные условия. Это в основном нетоксичные или слаботоксичные элементы с высокими кларками (железо, кальций, магний, щелочи, минеральные кислоты). При достижении определенных значений (предела) подкисления или подщелачивания, их влияние начинает сказываться на флоре и фауне. Биогеохимически активные вещества действуют на живые организмы. Это типоморфные для каждого производства высокотоксичные поллютаны с низкими кларками (ртуть, кадмий, свинец, сурьма, селен).

Почвенно-геохимический анализ состояния городской среды начинается со сплошного сетевого геохимического опробования поверхностных горизонтов (0-5 см) с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота опробования зависит от масштаба исследований и колеблется от 1 до 10 точек на 1 км 2. Реальная картина загрязнения почв промышленного города получается при опробовании по сетке 500х500 м, т.е. 9 проб на 1 км 2. Далее проводят оценку аномальных полей и идентификацию источников загрязнения. Исследуют механизмы миграции и концентрации поллютантов. Завершаются исследования почвенно-геохимическим зонированием с построением почвенно-геохимических карт.

Растительный покров городов находится под мощным техногенным прессом поллютантов, поступающих в растения из воздуха и загрязненных почв. Они являются очень чутким индикатором состояния городской среды. Растения испытывают негативное воздействие значительного числа поллютантов: оксидов - серы, азота, углерода, тяжелых металлов, соединений фтора, фотохимического загрязнения. Наибольшую опасность представляют выбросы диоксида серы, содержащиеся в продуктах сгорания угля, нефти, мазута, а также фтористого водорода (производство алюминия и фосфатов). Высокие концентрации этих элементов приводят к некрозам и хлорозам листьев, сбрасыванию игл и листьев, замедлению роста и снижению продуктивности.

Растительность является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Металлосодержащие аэрозоли абсорбируются поверхностью листьев (свинец), проникают в устьица (цинк, кадмий), часть поступает из почв. Кислые осадки способствуют подкислению коры деревьев (до значений рН 2,5-3), растворению аэрозолей и более активному поглощению катионов металлов (свинца, цинка, кадмия). Подщелачивание осадков в зонах действия ТЭЦ и цементных заводов способствует повышению рН коры деревьев и листьев. При рН больше 8 имеет место токсичный эффект, что приводит к растворению содержащихся в аэрозолях анионогенных элементов (молибдена, хрома и ванадия).

Биогеохимический анализ городской растительности  дает информацию о состоянии городской среды в теплое время года. На региональном фоне растительный покров города выглядит как средне - слабоконтрастная аномалия. На фоне этой относительно малоконтрастной аномалии вокруг промышленных предприятий, отвалов, свалок и других мест открытого складирования отходов, образуются контрастные аномалии не фиксируемые по снежному покрову и почвам.

Исследования показали, что одним из наиболее эффективных показателей является кора деревьев, особенно сосны, не имеющая пределов поглощения для загрязняющих веществ и способная к аккумуляции поллютантов.