Урбанизация – одна из основных социально-экологических проблем нашего времени. Города стали центрами сосредоточения населения, выпускаемой промышленной продукции, транспортных потоков и обусловленного в связи с этим интенсивного импактного загрязнения городской среды [6]. Многие города по интенсивности загрязнения и площади распространения токсичных веществ в различных природных средах уже сейчас представляют собой техногенные геохимические аномалии [12]. Среди специфических поллютантов в городах приоритетные позиции занимают тяжелые металлы (ТМ). Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют окружающую природную среду и являются опасными с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относятся свинец, кадмий, цинк, кобальт, никель и т.д. [4, 6]. Наибольшее поступление поллютантов в окружающую природную среду отмечается зимой, во время отопительного сезона. В этом случае важным индикатором качества урботерриторий выступает снежный покров [12].
Концентрация примесей в снеге отражает их содержание в атмосфере и указывает на источник и механизм образования аэрозолей вблизи места отбора проб. Снежный покров не активен ни в химическом, ни в биологическом отношении, в нем не происходит химических трансформаций веществ, следовательно, он является индикатором предшествовавшего загрязнения атмосферы и будущего загрязнения почвы и гидросферы [3].
Количество работ по загрязнению снежного покрова стало особенно быстро расти с середины 70-х годов прошлого столетия. В них рассматривалась возможность использования снега в качестве показателя атмосферного загрязнения веществами: сульфатами, нитритами, аммонием, ТМ, полициклическими ароматическими углеводородами, хлорорганическими пестицидами и рядом других веществ, включая газообразные [6]. Работы в этом направлении получили широкое распространение и проводятся на территории многих промышленных городов: Москвы, Нижнего Новгорода, Саратова, Тюмени, Хабаровска и др. [2, 7, 9, 12].
Несмотря на то, что Биробиджан является сравнительно молодым и небольшим по размерам городом, существенную долю в структуре производства составляют промышленность и автотранспорт, уровень воздействия на окружающую природную среду которых ежегодно увеличивается, что способствует загрязнению снежного покрова и в последующем природных компонентов. Поэтому целью нашей работы является определение экологического состояния снежного покрова для оценки качества урбанизированной среды (на примере г. Биробиджана).
Объекты и методы исследования
Биробиджан относится к средним городам Дальнего Востока, является административным центром Еврейской автономной области, по набору выполняемых функций его можно считать полифункциональным образованием. Многоотраслевая промышленность (ТЭЦ, стройиндустрия, легкая промышленность), автомобильный и железнодорожный транспорт являются ключевыми источниками поступления тяжелых металлов в городскую среду. Предприятия расположены по всей территории города, с наибольшим сосредоточением в его северо-западной, центральной, северо-восточной части. В зоне воздействия автотранспорта находится значительная часть городской территории – 182,47 км2, что составляет 91,2 % от общей площади Биробиджана [4]. В транспортной структуре преобладают импортные автомобили с большим сроком эксплуатации, что приводит к значительному поступлению поллютантов в окружающую природную среду.
Основным объектом изучения является снежный покров, который обладает не только аккумулирующей способностью по отношению к загрязнителям, тем самым оказывая неблагоприятное воздействие на природные компоненты при снеготаянии, но и может свидетельствовать о состоянии урбанизированной территории в целом за зимний период.
Методика зимних полевых работ основывается на применении традиционных стационарных способов гидрометеорологических наблюдений. Отбор проб снега и подготовку его к анализу проводят в соответствии с «Гигиеническими требованиями к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест» (СанПиН 2.1.6.1032-01) [11].
Мониторинг экологического состояния снежного покрова на территории Биробиджана проводился в течение семи лет (2003–2009 гг.). Общее за все годы число точек контроля составило 60 [4]. В ходе снегосъемки определялось содержание в снежном покрове наиболее характерных для выбросов города веществ: сульфатов, хлоридов, железа, марганца, никеля, кобальта, меди, свинца, цинка. Химический анализ проводился совместно с ФГУЗ «ЦГиЭ ЕАО» методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.
Показателем загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами является фоновый уровень. В качестве эталонов сравнения использовались фоновые аналоги проб снега, собранные на крайнем северо-западе города (Индустриальный район) с учетом розы ветров, планировочной структуры и геохимических особенностей территории. Характеристика снежного покрова проводилась по геохимическим показателям. Они учитывают распределение как отдельных металлов, участвующих в загрязнении, так и их ассоциации, обусловленных полиэлементностью химического состава техногенных потоков, формирующих загрязнение. К таким показателям относятся коэффициент концентрации химических элементов и суммарный показатель концентрации (СПК). Коэффициент концентрации – это показатель кратности превышения содержаний химических элементов в точке опробования над его средним содержанием в аналогичной природной среде на фоновом участке. Суммарный показатель концентрации представляет собой сумму превышения коэффициентов концентраций химических элементов, рассчитывается по формуле (1) [10]:
(1), где:
Сi – содержание элемента в пробе, мг/кг, Cф – фоновое содержание элемента, мг/кг; К – коэффициент концентрации относительно фона; n – количество элементов в пробе с величиной К > 2.
Анализ проводился по разработанной шкале оценки опасности загрязнения депонирующих сред (табл. 1).
Таблица 1
Шкала оценки загрязнения депонирующих сред г. Биробиджана по суммарному показателю концентраций тяжелых металлов
Шкала оценки, балл |
Величина СПК ТМ в депонирующих средах (мг/кг) |
Уровень загрязнения |
Оценка экологической обстановки |
|||
Растительность |
Снег (мг/дм3) |
Почва |
||||
листва |
кора |
|||||
1 |
<17 |
<19 |
<10 |
<14 |
слабый |
относительно удовлетворительная |
2 |
18-35 |
20-39 |
11-21 |
15-29 |
средний |
конфликтная |
3 |
36-53 |
40-59 |
22-32 |
30-44 |
выше среднего |
напряженная |
4 |
54-71 |
60-79 |
33-43 |
45-59 |
высокий |
критическая |
5 |
>72 |
> 80 |
>44 |
>60 |
очень высокий |
кризисная |
Результаты экологического состояния снежного покрова легли в основу при разработке карты «Зонирование территории г. Биробиджана по уровню загрязнения снежного покрова на основе расчета СПК ТМ» масштаба 1:25000. Данная карта составлена традиционным методом и оцифрована с применением программного обеспечения ArcView GIS в лаборатории геоэкологии Института комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН (г. Биробиджан).
Результаты исследования и их обсуждение
Суммарная концентрация контролировавшихся в снежном покрове веществ изменялась за 7-ми летний период на территории города от 0,5 до 31 мг/дм3. При этом определяющими общий уровень загрязнения являются сульфаты и ТМ (табл.2). Одним из основных экологических последствий сульфатного загрязнения является изменение реакции среды. Там где обнаружено высокое содержание сульфатов, рН характеризуется показателями больше 7 (п. Партизанский, ул. Широкая, ул. Волочаевская, район городской свалки и др.). В группе ТМ значительно превышает фоновый уровень железо (от 2 до 60 раз), марганец (от 1 до 50 раз), медь (от 1,5 до 40 раз), цинк (от 2 до 20 раз), никель (от 1 до 12 раз), свинец (от 0,5 до 10 раз), кобальт (от 0, 5 до 6 раз). Локальные концентрации свинца в снежном покрове могут достичь очень больших значений вблизи основных автомагистралей. Промышленные аэрозольные выбросы могут захватываться падающими снежинками, в результате чего в снежном покрове на обширных территориях существенно возрастают концентрации свинца и цинка (Zn) – металлов, особо токсичных для флоры и фауны.
Таблица 2
Оценка суммарного уровня загрязняющих веществ в снежном покрове г. Биробиджана (2003–2009 гг.)
№ п/п |
Показатель загрязнения |
Концентрация, мг/дм3 |
|
Средние |
Предельные за период наблюдения |
||
1. |
Сумма концентраций всех веществ |
16,5 |
221,3-609,3 |
2. |
Сумма концентраций всех металлов |
3,06 |
48,3-220,7 |
3. |
Сульфаты (SO2-) |
8,4 |
3,6-16,3 |
4. |
Хлориды (Cl->) |
5 |
1,5-16,5 |
5. |
Железо |
3 |
0,3-24 |
6. |
Свинец |
0,004 |
0,008-0,08 |
7. |
Никель |
0,003 |
0,003-0,05 |
8. |
Марганец |
0,04 |
0,06-23,9 |
9. |
Кобальт |
0,003 |
0,006-0,04 |
10. |
Медь |
0,005 |
0,008-0,4 |
11. |
Цинк |
0,005 |
0,01-0,38 |
Значительный разброс данных свидетельствует о неравномерном загрязнении территории города. Существуют районы с благоприятным экологическим состоянием природного компонента, так и напряженные участки. Таким образом, ранжированный ряд загрязняющих снежный покров веществ имеет следующий вид: SO2- > Cl->Fe > Mn > Cu > Ni >Zn >Pb > Co.
Локальные зоны повышенного загрязнения отдельными веществами образуются в районах расположения стационарных источников и, как правило, занимают сравнительно небольшие площади (рис. 1).
Рис.1. Содержание металлов в снежном покрове г. Биробиджана (2009 г.)
По суммарному показателю концентрации ТМ в Биробиджане было выявлено 5 уровней геохимических аномалий в снежном покрове (рис. 2).
Анализ химического состава проб снега, отобранных в разные годы, дал возможность на основе распределения геохимических аномалий оценить экологическую ситуацию Биробиджана. Загрязненной оказалось 70 % территории от общей площади города.
Рис. 2. Зонирование территории г. Биробиджана по уровню загрязнения снежного покрова на основе расчета СПК ТМ
В отличие от почвенного и растительного покровов снег отличается самыми высокими концентрациями загрязнения. По его состоянию городскую территорию в зимний период можно признать неудовлетворительной. В основном происходит загрязнение промышленной, транспортно-селитебной и сельскохозяйственной территорий. Материалы исследований загрязнения снежного покрова городов и полученные в работе результаты могут быть использованы в ходе решения градостроительных задач, включающих разработку экологического блока:
- разработка планировочной структуры города;
- детальная проработка архитектурно-планировочных вопросов отдельных населенных мест;
- разработка гигиенических и природоохранных мероприятий, включая выделение охранных и санитарно-защитных зон, зон рекреации, зон складирования отходов, включая снег.
Заключение
В ходе проведенных исследований дана оценка экологическому состоянию снежного покрова г. Биробиджана. Анализ накопления поллютантов в снеге показал, что их содержание в пределах городской застройки в 10–15 раз выше, чем в окрестностях. Очаги загрязнения формируются вблизи заводов, котелен, автотранспортных предприятий и связаны с основными направлениями движения автотранспорта.
По результатам СПК ТМ в снежном покрове составлена карта, отражающая качество городской среды в зимний период. В целом экологическое состояние урбанизированной территории признано неудовлетворительным (8 % площади территории относится к очень высокому, 14 % – к высокому, 21 % – к выше среднему, 27 % – к среднему уровням загрязнения, 30 % – к относительно чистым районам города).
В качестве конструктивного метода при планировании урбанизированной территории необходимо использовать геомониторинг, применение которого позволит дать экологическую оценку городской среды и на основании этого принять решения по улучшению комфортности проживания городского населения [5, 8]. Важно ежегодно проводить контроль за загрязнением снежного покрова, особенно на территориях, прилегающих к промышленным комбинатам, автомагистралям, так как с его таянием поллютанты поступают на поверхность ландшафта.
Рецензенты:
Мирзеханова З.Г., д.г.н., профессор, заведующая лабораторией оптимизации регионального природопользования, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», г. Хабаровск;
Бочарников В.Н., д.б.н., профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории экологии и охраны животных, зав. группой геоинформационных основ оценки биоразнообразия, ФГБУН «Тихоокеанский институт географии Дальневосточного отделения РАН», г. Владивосток.