Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности поведения поллютантов в снеговом покрове Санкт-Петербурга и их влияние на городскую среду

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Особенности поведения поллютантов в снеговом покрове Санкт-Петербурга и их влияние на городскую среду"

На правах рукописи УДК: 504.054

ВОРОНЦОВА АННА ВЛАДИСЛАВОВНА

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ В СНЕГОВОМ ПОКРОВЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГОРОДСКУЮ

СРЕДУ

Специальность: 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

005051933

Работа выполнена на кафедре геологии и геоэкологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Научный руководитель: доктор педагогических наук, кандидат геолого-

минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой геологии и геоэкологии РГПУ им. А.И. Герцена

Нестеров Евгений Михайлович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, ведущий научный

сотрудник Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова Пигольцина Галина Борисовна

кандидат географических наук, ведущий инженер отдела предпроектного анализа Управления инженерной инфраструктуры города СПб ГКУ "НИПЦ Генплана Санкт-Петербурга" Михайлов Кирилл Владимирович

Ведущая организация: Российский Государственный

Гидрометеорологический университет

Защита состоится ¡^Ч^Л^/иЛ 2013 года СО часов на заседании Диссертационного совета Д 2fl2.199.26 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук при Российском государственном педагогическом университете им. А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 12, ауд. № 21.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 5.

Автореферат разослан «бъ^СЬ/ЬЧ0.2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ** ' ---И.П. Махова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В крупных урбанизированных центрах и регионах здоровье населения во многом зависит от чистоты воздушного бассейна. Загрязнители, попавшие в атмосферу, вследствие процессов ее самоочищения, посредством выпадения атмосферных осадков проникают и аккумулируются в таких депонирующих средах как почва, донные отложения, снеговой покров, вода. В связи с этим в экологическом мониторинге стали актуальными методы исследования, основанные на использовании планшетов-накопителей аэрозоля, в том числе и снегового покрова. Преимущество таких методов в том, что они позволяют не только охарактеризовать состояние атмосферного воздуха, но и оценить загрязнение подстилающей поверхности, ущерб, наносимый деятельностью человека. Изучение снегового покрова позволяет составить картину пространственного распределения химических элементов и оценить интенсивность воздействия источников загрязнения в зимний период. А по средствам многолетнего мониторинга снегового покрова можно выявить пространственно-временные особенности распределения элементов, обнаружить новые очаги загрязнения и определить тенденцию в изменении качества окружающей среды. Таким образом, снеговой покров можно считать надежным индикатором загрязнения атмосферы.

Мониторинг загрязнения территории Санкт-Петербурга в зимний период такими приоритетными загрязнителями как тяжелые металлы (ТМ) и противоголедные материалы (ПГМ) ведется в недостаточном объеме. Контроль качества воздуха на сети станций мониторинга, расположенной в Санкт-Петербурге, осуществляется с помощью аспирационного метода, фиксирующего уровень загрязнения взвешенными частицами в целом, не учитывая вклад каждого отдельного элемента. Диссертационное исследование, проведенное автором, представляет новые актуальные данные раскрывающие особенности загрязнения поллютантами городской среды и особенности экологического состояния Санкт-Петербурга.

Объест исследования: снеговой покров Санкт-Петербурга.

Предмет исследования: процессы загрязнения снегового покрова урбанизированной среды.

Целью настоящей работы является выявление особенностей поведения поллютантов в снеговом покрове Санкт-Петербурга и оценка их влияния на городскую среду.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

- охарактеризовать региональные особенности территории исследования и факторы, влияющие на характер экологической обстановки в ней;

- определить уровень влияния поллютантов техногенного происхождения на воздушную среду города;

- посредством геоэкологического картирования выявить пространственно-временные особенности распространения поллютантов;

— выявить многолетние тренды в поведении поллютантов в центральной части Санкт-Петербурга;

— определить и проанализировать уровень техногенной нагрузки, складывающийся в районах загруженных автомагистралей Санкт-Петербурга.

Защищаемые положения:

1 .Экологическая обстановка Санкт-Петербурга, самого северного мегаполиса Европы, определяется уникальным сочетанием природных и антропогенных факторов, положением города на границе крупнейших физико-географических таксонов и региональными особенностями, определяющими характер потоков поллютантов природного и антропогенного характера.

2.Исследования техногенной компоненты группы поллютантов, как главных загрязнителей снегового покрова, определили особенности их поведения в городской среде.

3.Мониторинг поведения загрязнителей снегового покрова позволил количественно рассчитать уровень нагрузки на воздушную среду в зимний период как низкий и ежегодно снижающийся.

4.Техногенная нагрузка на городскую экосистему в районах загруженных магистралей остается чрезвычайно высокой, а последствиями такого воздействия являются значительные экономические издержки и ущерб, наносимый окружающей среде прилегающих территорий.

Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области изучения атмосферы, состояния снегового покрова и его пылевой составляющей, особенностях жизнеспособности растений в условиях городской среды: P.A. Бабаянца, В.В. Байковского, О.Ю. Белозеровой, А.П. Бояркиной, В.Н.Василенко, В.Д. Виленского, B.C. Воскресенского, В.П. Зверева, Ю.А. Израэля, Н.С. Касимова, П.А. Коузова, Н.Л. Линевича, A.A. Матвеева, А.З. Миклишанского, O.A. Неверовой, Е.М.Нестерова, А.И. Перельмана, Г.Б. Пигольциной, Б.А. Ревича, Ю.Е. Саета, Л.Г.Соколовского, A.B. Таловской, М.Д. Уфимцевой, Ш.Д.Фридмана, Е.Г. Язикова, Э.Я. Яхнина и личные исследования и разработки автора.

Фактический материал и методы исследования. В диссертационной работе использованы авторские материалы и проанализированы данные предыдущих исследований. В основу диссертации легли результаты десятилетнего мониторинга центра Санкт-Петербурга, результаты исследований, проведенных в 6 районах Санкт-Петербурга в зимний период 2010-2011 и на бульварной полосе вдоль Московского проспекта в 2012 году. Всего отобрано и проанализировано 950 проб. Отбор и подготовка проб к анализу проводились в соответствии с официально утвержденными и разработанными методиками. Выполнено более 11000 элементоопределений методом рентгенофлуоресцентного анализа в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А.Е. Ферсмана РГПУ им. А.И. Герцена. Анализ пылевой составляющей снегового покрова осуществлялся в сертифицированных лабораториях масс-спектрометрического анализа Центра

изотопных исследований Всероссийского научно-исследовательского геологического института имени А.П. Карпинского (ВСЕГЕИ) и рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии Радиевого института имени В.Г. Хлопина, а также в междисциплинарном ресурсном центре коллективного пользования РГПУ имени А.И. Герцена.

Научная новизна заключается в выявлении ряда закономерностей поведения поллютантов в снеговом покрове урбанизированной среды, преимущественно для территорий с разной техногенной нагрузкой. Определен состав твердой фракции снегового покрова и характер источников загрязнения. Проведен комплексный анализ примагистральных территорий и оценено влияние противогололедных реагентов на окружающую среду. Впервые по районам Санкт-Петербурга составлены подробные карты суммарного уровня загрязнения снегового покрова и распределения уровня кислотности.

Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на большом количестве исходных материалов; применении высокочувствительных методов исследования вещества, принятых в системе геоэкологических исследований; использовании новейших компьютерных технологий, ГИС технологий, обработки аналитических материалов и представления результатов; а также анализе отечественных и зарубежных литературных источников и публикаций по исследуемой проблеме.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в развитии теории геоэкологии, усовершенствовании методологии геоэкологических исследований урбанизированных территорий. Автором предложена концепция оценки влияния поллютантов в зимний период на городскую среду для территорий с разным уровнем антропогенной нагрузки.

Практическая значимость. В ходе диссертационного исследования получены данные, позволяющие спрогнозировать динамику загрязнения окружающей среды Санкт-Петербурга, результаты исследования использовались при создании ГИС атласа «Экология Петербурга». Диссертационное исследование выполнялось в рамках договоров НИР №№ 87/10, 51/11, №№84/10,48/11, №№85/10,52/11, №№83/10,50/11, №82/10,49/11 «Экологический мониторинг зеленых насаждений Василеостровского, Приморского, Пушкинского, Красногвардейского районов Санкт-Петербурга», все полученные материалы вошли в базы данных, прошедшие государственную регистрацию как объекты интеллектуальной собственности. Результаты исследования используются в учебном и научном процессах РГПУ им. А.И. Герцена и являются частью программы научного развития кафедры 2.3.1 «Пространственно-временной мониторинг окружающей среды на базе НОЦ «Геоэкология и геохимия»».

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах, из них - 2 в рецензируемых изданиях. Результаты исследований доложены на V, VI Международных конференциях «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (РГПУ им. А.И. Герцена 2007, 2009 гг.), V Международной научной конференции студентов и

аспирантов «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (ДНУ 2008 г.), Международной конференции «Геология, геоэкология, эволюционная география» (РГГТУ им. А.И. Герцена, 2011 г.), Международной молодежной конференции «Науки о Земле» (РГПУ им. А.И. Герцена, 2012 г.).

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений. Цитированная литература содержит 180 названий. Объем работы - 192 страницы машинописного текста, включая 35 таблицы и 43 рисунка.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы, определены объект, предмет и цели исследования, основные задачи работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость результатов исследования. Логика и результаты исследования представлены в главах диссертации.

В первой главе «Снеговой покров как индикатор экологической обстановки урбанизированных территорий» в ходе анализа важнейших российских и зарубежных исследований в области снегового покрова определяется необходимость и актуальность его применения при мониторинге урбанизированных территорий, рассматривается характер воздействия таких приоритетных загрязнителей окружающей среды как тяжелые металлы и противогололедные материалы.

Снеговой покров служит важным и актуальным индикатором состояния воздушного бассейна в районах с продолжительными зимами и обильным снеговым покровом, в том числе и для Санкт-Петербурга. Снег не является активным ни в химическом, ни в биологическом отношении, как, например, почвы. За счет высокой сорбционной способности снеговой покров может захватывать и откладывать на поверхности существенную часть элементов, вызванных техногенной деятельностью и поступающих из атмосферы. В снеговом покрове аккумулируется также пыль, оседающая в периоды между снегопадами.

Мониторинг снегового покрова активно и успешно проводится в Сибири (Томской, Новосибирской, Иркутской областях, Алтайском и Хабаровском крае), промышленных районах Урала, европейской части России, о чем свидетельствуют результаты исследований, представленные в тексте диссертационной работы. Методы исследования загрязнения окружающей среды с использованием снежной съемки активно применяются за рубежом.

К приоритетным загрязнителям городских экосистем относят тяжелые металлы (ТМ), обладающие большим сродством к физиологически важным органическим соединениям и способные инактивировать последние. ТМ легко проникают в трофические цепи, накапливаются в растительных и животных организмах; включаются в метаболические циклы и вызывают разнообразные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Древесные насаждения городской среды могут снижать воздействие на человека ТМ,

задерживая до 60-70% пыли, находящейся в воздухе в летний сезон, а зимой - до 37%, повышать относительную влажность воздуха, способствуют горизонтальному и вертикальному проветриванию, очищению приземных слоев атмосферы от загрязнителей. Однако в условиях высокого уровня загрязнения и длительного воздействия ТМ у растений нарушается стабильность процессов обмена веществ, прекращается рост и снижается жизнеспособность и сопротивляемость к различного рода заболеваниям. Примером служит массовая гибель деревьев в магистральных насаждениях за последние годы.

Опасным загрязнителем городской среды в зимний период являются противогололедные материалы (ПГМ). На сегодняшний день практически не существует экологически чистых ПГМ, так как значительная их часть состоит из хлоридов, вызывающих коррозию металлических конструкций транспорта, разрушающих дорожные покрытия, выводящих из строя стальные коммуникации городской инфраструктуры, приводящих к загрязнению и засолению почв, гибели живых организмов и растений, разъедающих обувь жителей городов. Наиболее опасным ПГМ считается техническая соль, чье систематическое применение приводит к засолению почв.

Подробный теоретический анализ представленный в данной главе позволил автору выбрать адекватные методики оценки экологической обстановки воздушной среды Санкт-Петербурга посредством снегового покрова.

Во второй главе «Общая характеристика региона и методы исследования» определены региональные особенности территории Санкт-Петербурга, выявлены факторы как природного, так и антропогенного характера, влияющие на уровень экологической обстановки в городе, представлены общая схема и основные этапы исследования, методика сбора и обработки полученной информации.

Санкт-Петербург — крупнейший мегаполис Европы, расположенный в столь северных широтах (59°57'с.ш. и 30°19'в.д.). Географическое положение города и геологическое строение территории определяют характер и направление потоков естественных загрязнителей, объясняют климатические особенности города (частая смена воздушных масс). Такие метеорологические параметры как скорость и направление ветра, вертикальное распределение температуры воздуха, туманы, осадки оказывают воздействие на степень загрязнения атмосферы. Автором на основе метеоданных ФГБУ «Санкт-Петербургского Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями» были рассчитаны МПА для территории Петербурга за год и по сезонам. В зимний сезон (декабрь-март) МПА=0,6, в летний сезон (июнь-август) МПА достигает 2 единиц, годовой МПА=1. Таким образом, для Санкт-Петербурга потенциал рассеивающей способности атмосферы разнится по сезонам: для зимнего сезона характерна хорошая самоочищающаяся способность атмосферы, а для летнего сезона наоборот. В целом в атмосфере города преобладают метеорологические процессы, способствующие накоплению примесей.

Близость Финского залива, характер городской застройки, производственная и хозяйственно-бытовая деятельность населения Санкт-Петербурга приводят к образованию в пределах города неоднородных метеорологических условий и районов с различным микроклиматом, который оказывает влияние на степень загрязнения районов. Микроклимат центральных районов города формируется в основном под действием городского «острова тепла», следствием которого являются плохая вентилируемость и снижение скорости ветра в центре города по сравнению с окраинами, уменьшение прозрачности атмосферы. Ослабление ветрового режима объясняется еще и интенсивной городской застройкой, а также наличием зеленых насаждений. Микроклимат прибрежных районов определяется близостью акватории Финского залива. В прибрежных районах складываются более благоприятные условия, способствующие очищению воздуха, чем в районах, находящихся вне зоны влияния акватории залива.

Исходя из выше изложенного сформулировано первое защищаемое положение: Экологическая обстановка Санкт-Петербурга, самого северного мегаполиса Европы, определяется уникальным сочетанием природных и антропогенных факторов, положением города на границе крупнейших физико-географических таксонов и региональными особенностями, определяющими характер потоков поллютантов природного и антропогенного характера. Данное защищаемое положение подтверждается далее в ходе диссертационного исследования.

Наиболее приоритетными проблемами Санкт-Петербурга являются загрязнение воздушного и водного бассейнов, почв, неблагоприятное состояние зеленых насаждений города, а также ряд проблем, связанных с утилизацией отходов и борьбой с зимней скользкостью. В соответствии с данными мониторинга Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и экологической безопасности в Санкт-Петербурге с каждым годом происходит улучшение состояния экологической обстановки по всем направлениям мониторинга, за исключение воздушной среды. Неблагоприятная ситуация складывается и для зеленых насаждений города.

Для выявления соотношения природных и антропогенных факторов развития географической оболочки автором для исследования были выбраны участки с разной интенсивностью и типом антропогенной нагрузки (рис.1). В ходе полевых работ в 2010-2012 гг. в Санкт-Петербурге было отобрано 950 проб снегового и почвенного покровов. Лабораторный анализ осуществлялся по стандартным методикам. Химический анализ снегового и почвенного покрова производился рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре «СПЕКТРОСКАН МАКС», уровень кислотности измерялся с помощью рН метра ЯЬагр рН40, анализ пылевой составляющей снегового покрова осуществлялся методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, методом рентгеноспектрального электронно-зондового микроанализа на сканирующем электронном микроскопе с системой для микроанализа фирмы ЬШКАМ 10000 и с помощью рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7. Оценивалась пылевая нагрузка на территорию. Для

количественного определения хлорид-иона в пробах снегового покрова был применен метод объемного аргентометрического определения с хроматом калия (объемный метод Мора).

Рисунок 1. Карта районов исследования Петербурга:

1 - Лдмиралтейский,

2 - Василеостровский, 7 - Красногвардейский, 11 - Московский,

15 - Приморский,

16 - Пушкинский, 18 - Центральный.

Аналитическая обработка

полученных данных производилась с помощью статистического пакета Microsoft Excel, в программах Statistics 6.0 и ArcGIS. В результате статистической обработки

аналитических данных было установлено, что наблюдаемое распределение концентраций элементов подчиняется логнормальному закону. Таким образом, при характеристике концентрации ТМ в пробах в качестве параметров распределения используются, кроме оценки среднего арифметического как меры распространенности элемента в среде по району, среднее геометрическое (Сг) содержание как характеристика наиболее часто встречаемого ("фонового") значения и стандартные множители в качестве меры геохимической дисперсии. При расчете Сг аномальные пробы не учитывались. Полученные значения концентраций ТМ в снеговом покрове для составления картины экологического состояния исследуемых территорий, выявления нормальных и аномальных концентраций элементов сравнивались со значениями предельно допустимых концентраций элементов в талой воде и фоновой величиной. Для выяснения более тонкой структуры взаимосвязей между элементами и районами в значениях концентраций ТМ был применен метод кластерного анализа на основе алгоритма расчета евклидового расстояния в многомерном пространстве нормализованных параметров. Для определения уровня загрязнения воздушной среды районов Санкт-Петербурга в зимний период при построении карт использовались значения индекса суммарного загрязнения (Zc), рассчитанные автором.

Третья глава «Особенности поведения поллютантов в снеговом покрове и их влияние на экологию городской среды» раскрывает общие закономерности поведения поллютантов, сформулированные на основе результатов анализов и построенных карт.

По результатам анализа полной колонки снегового покрова можно сделать вывод о достаточно низком уровне загрязнения снега тяжелыми металлами на территории районов. В талой воде содержание растворенных форм практически всех металлов значительно ниже, чем уровень ПДК для воды водных объектов

хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Концентрации свинца по городу были зафиксированы только в нескольких точках. Исследование позволило выявить пространственную неравномерность в распределении меди, железа и цинка по территории Центрального, Красногвардейского и Приморского районов, о чем свидетельствует большой разброс концентраций загрязнителей и наличие точек с «аномальными» (как максимальными, так и минимальными) значениями концентраций. Средние содержания £К, Мп и Сг распределяются относительно равномерно по районам, содержания № были зафиксированы только в двух районах города. Для Центрального района характерны максимальные средние концентрации цинка и меди, высокие содержания железа, а также наличие концентраций ванадия, не встречающегося в других районах исследования. Прослеживается тенденция уменьшения концентраций железа от центральных районов города к периферийным.

Валовые значения в 1,5-2 раза превышают значения концентраций растворенных форм, однако не превышают значения ПДК, за исключением железа. Кобальт и ванадий не встречаются в растворенных формах. Стоит отметить положительную тенденцию исчезновения свинца из снегового покрова.

Кластерный анализ позволил выделить два кластера: первый - Павловск и Пушкин; второй - Приморский, Красногвардейский, Василеостровский и Центральный районы. Во второй группе более тесные взаимосвязи наблюдаются между Приморским и Красногвардейским районами. Также на основании результатов кластерного анализа можно выделить Пушкин как наиболее экологически благополучный район города Санкт-Петербурга.

В ходе исследования было подтверждено, что значение рН талых вод из снегового покрова возрастает по мере роста техногенного воздействия. В соответствии с построенными картами (рис.2) можно сказать, о преобладании слабощелочного характера осадков в исследуемых районах. На большей части Василеостровского района значения показателя рН совпадают с природным значением уровня рН осадков, однако на стрелке Васильевского острова образовалась зона, где уровень рН стремится к нейтральной и слабощелочной среде. Центральный район характеризуется выпадением слабокислых -нейтральных осадков. Показатели рН в Красногвардейском и Приморском районе схожи, в основном они близки к нейтральной среде. Однако в районах наблюдаются очаги со слабощелочным характером осадков (рН 7.2-7.8), в основном приуроченные к постоянно загруженным автотранспортом магистралям. Парковая часть Пушкинского района характеризуется выпадением осадков близких к природному показателю - рН 5,6, зона, занятая застройкой - осадками слабощелочной среды (рН 6,8-7,9). Изменение рН осадков оказывает значительное влияние на изменение микрофлоры почвы, ее физические и химические свойства, и в конечном результате на ее плодородие.

Условны* обозначения РЪ-Красногвардеи«кии Кари проинт«рпол>1ро»анныл | (Крас иогюрд*йский].[рН] Контура с валимой (.МОСЮО-МКИЮ) 6.1(1006 6.608»?

Условны« обозначения

РН-в.О.

Карта проиитврлолировамны* значении

[В»силеостроаскии][рН]

Контуре с шливкои

Щ в оооооо 5.424137 ШШ 6.424137 ■ 5.711076 5721076 • 5 .К8953 Щ 5.926963 ■ 6:074536 \ 6074506 • 6.1764Х 6.176400 6.247736 ■I 6.247736 ■ 6 343631 Щ 6 34Э631 6,496173 0 6.496173 6.7030»!

■НбЛЖХ! 7 0000X1

Рисунок 2. Карты распределения уровня кислотности в снеговом покрове: а-Василеостровский район, б - Приморский район, в - Красногвардейский район, г -

Пушкин.

В соответствии с картами пространственного распределения элементов и оценочной шкалой суммарного загрязнения снегового покрова тяжелыми металлами уровень загрязнения воздушного бассейна в Центральном районе города низкий (рис. За). Содержания элементов распространяются по району равномерно, не наблюдается очагов с более высокими содержаниями, юго-восточная часть района характеризуется более низкими значениями индекса суммарного загрязнения. Однако небольшое увеличение индекса суммарного загрязнения в районе наблюдается на участке, ограниченном Английской набережной, набережной Крюкова и Адмиралтейского канала и далее вдоль Английской набережной до Дворцового моста, что объясняется высокой транспортной загруженностью участка, а ситуацию усугубляет плотность городской застройки.

Для Василеостровского района (рис. 36) также характерен низкий уровень загрязнения воздушной среды. На фоне обшего низкого уровня загрязнения выделяется северо-восточная часть района, к которой приурочена промышленная зона, а также стрелка Васильевского острова, для которых значения индекса суммарного загрязнения выше точек в остальной части. Значения индекса суммарного загрязнения Василеостровского района в 1,5-2 раза ниже Центрального района. Такие низкие значения концентраций элементов можно объяснить хорошей продуваемостью большей части района со стороны Финского залива, чему способствует характер застройки, наличием зеленых насаждений (Смоленское кладбище).

Красногвардейский район (рис. 4а) характеризуется более высоким уровнем загрязнения, и в сравнении с другими районами здесь наблюдается более напряженная обстановка. Присутствие очагов с высокими концентрациями объясняется микроклиматическими особенностями района, характером застройки и разным уровнем загруженности магистралей. Так наиболее крупный очаг с высокими концентрациями элементов наблюдается на участке, ограниченном проспектом Шаумяна, Якорной улицей, Малоохтинской набережной, шоссе Революции и железнодорожными путями. Шоссе Революции, проспект Энергетиков, Среднеохтинский проспект - транспортные магистрали с высокой интенсивностью движения и частыми транспортными пробками, а здания близко прилегающие к этим магистралям способствуют накоплению загрязнителей в придорожной полосе, тем самым ухудшая экологическую обстановку вдоль магистралей.

В целом, в Приморском районе (рис. 46) наблюдается низкий, но близкий к среднему уровень загрязнения снегового покрова. Наибольшую техногенную нагрузку испытывает южная и юго-восточная часть района. В ходе оценки суммарного уровня загрязнения снегового покрова города Пушкина было установлено, что техногенная нагрузка, оказываемая на парковую зону города, незначительна, а жилые районы Пушкина подвержены более высокому уровню загрязнения. Также стоит выделить Пушкин как район Санкт-Петербурга с наиболее благоприятной экологической обстановкой в воздушном бассейне.

Легенда

♦ Центрзпьный 2011 Лс

Центральный 2с 2011

Карта проинтерполированмых значений

[Сел1'_3пед_гс_11 Ц2с|

Послойная окраска

ЯН 0.09 - 0.338

ИИ 0 388 0.807

■В 0.80? - 1.396

ЯН 1-395 - 2.221

2.221 - 3381

3.381- 5.011

5.011 Г.301

ЯН 7 30' 10.517

НЯ 10.517 - 15,035

ЯН 15 - 21,38

О 295 590 1 180 Метры

а

0 480 960 1920 Метры

Легенда

Красногвардейский 2011 2с Красногвардейский 2с 2011 Карта проинтврполмроввнных значений

|К[Э5под»аи)_Зпвд_2с_11][гс] Послойная окраска

НН 0.09- 0.34 ■■ 0.Э4 - 0.72 ЯН 0,72 - 1.298 1.298-2.178 2.178-3.517 3.617-5.555 НЯ 5.555 - 8.655 НЯ 8 653 ' 13.372 ■И и.372 -20.649 ЯН 20.549 • 31 47

б

Рисунок 3. Карта пространственного распределения значений индекса суммарного

загрязнения снегового покрова: а-Центральный район, б - Красногвардейский район.

> Василеостровский 2011 Zc

Василеостровский Zc (Log) 2011 год Карта проинтерпопированных значений

|Vasileo sli_Sn eg_Zc_l 11(Z el Послойная окраска

1.35 2.27

1 500 Метрь>.^

Легенда

При морским 2011 2с

Приморский 1с 2011

Карта проинтерпопированных значений

Рптог5Ки_Зпед_2с_11][2с] Послойная окраска

0,02 - 0 206 0 206-0 278 | 0 .278 й 0,461

б

Рисунок 4. Карта пространственного распределения значений индекса суммарного загрязнения снегового покрова: а - Василеостровский район, б - Приморский район.

Суммарные показатели загрязнения снегового покрова в парках и скверах во всех районах города на порядок ниже в сравнении с показателями точек отбора рядом с дорогами. Что говорит о благополучной экологической ситуации в воздушной среде рекреационных зон, созданных для жителей Петербурга.

Важным фактором воздействия на организм человека является дисперсный состав пыли. Наиболее опасными для легких являются частицы от 0,5 до 5 мкм. Пылевой осадок проб - полидисперсен и состоит из:

- крупнодисперсной фракции - пористые сферические частицы пеплов размером 100 - 240 микрон, гладкие пластинчатые частицы размером 80 - 100 микрон, четко ограниченные остроугольные частицы неправильной формы размером 80- 120 микрон (рис. 5а).

- мелкодисперсных частиц пластинчатой и зернистой формы размером от 8 до 30 микрон, а также гладких светлых сферических частиц размером 30

а б

Рисунок 5. Фотографии пылевого осадка с фильтра, сделанные с помощью микрозонда: а - пористые сферические частицы, масштаб 1 см -300 микрон, б-гладкая сферическая

частица размером 30 микрон.

Причем пористые сферические частицы пеплов, богатые серой, характерны только для образцов Павловска и Пушкина, а также нескольких проб Красногвардейского района и составляют основную массу образцов. В ходе анализа было установлено, что в основном они поступают в атмосферу в связи с деятельностью ТЭС и находятся в неактивной форме. Из таблицы 1 видно, что основу твердой массы снегового покрова составляет алюмосиликатное вещество. Полученные результаты анализов сравнивались с таблицей процентных содержаний окислов в осадочных породах Русской плиты. Нами было выяснено, что твердый (пылевой) осадок снегового покрова по составу близок к суглинкам и глинам, сформированным из частиц полевых шпатов и пород гранитоидного ряда, характерных для осадочного чехла Ленинградской области. Высокие концентрации Ре объясняются наличием в пылевом осадке пластинчатых частиц слюды биотита, частиц техногенного происхождения, а также расположением города в зоне железо-марганцевой провинции. Также стоит отметить наличие большого количества органики в образцах. Важную

роль в пространственном распределении твердой фракции снегового покрова играют микроклиматические особенности районов города.

Сравнивая концентрации ТМ в пылевом осадке с их кларками в осадочных породах Русской плиты (табл. 2), следует отметить превышения концентраций по всем точкам в 1,5-2 раза у V, в 2-5 раз у Си и 7л\, в 1,5-2 раза у Сг и РЬ по некоторым точкам (Центральный и Василеостровский районы).

В соответствии с результатами кластерного анализа по характеру источника загрязнения можно выделить два основных кластера: первый - Павловск и Пушкин; второй - Приморский, Красногвардейский, Василеостровский и Центральный районы. Во второй группе более тесные взаимосвязи наблюдаются между Приморским и Красногвардейским районами и Центральным и Василеостровским районами.

Таблица 1

Район N820 МйО АЬОз вЮг Р2О5 К2О СаО ТЮ2 МпО РегОз

% % % % % % % % % %

Василеостр. 1,6 2,7 9,6 38,9 0,3 1,6 4,4 1,3 0,1 9,1

Василеостр. 1,8 2,6 10,8 49,5 0,3 1,9 3,9 1,0 0,1 8,1

Красногв. 2,0 2,4 10,6 50,9 0,2 1,7 7,3 1,0 0,1 7,4

Красногв. 1,6 1,6 9,4 51,9 0,4 2,0 3,3 0,8 0,1 5,5

Пушкинск. - 2,7 8,7 44,5 2,8 1,4 4,5 0,7 - 5,1

Приморск. 1Д 1,1 7,0 40,6 0,9 1,7 4,1 0,4 0,1 4,9

Приморск. 1,4 2,0 8,5 39,1 0,3 1,4 3,7 0,8 од 6,8

Пушкинск. 1,8 9,5 25,1 - 1,0 2,5 1,3 - 5,3

Центр альн. 0,8 0,8 7,6 39,2 0,4 2,0 1,9 0,5 0,1 3,6

Центральн. 1,7 1,7 10,6 51,6 0,4 2,8 3,5 0,8 0,1 7,3

Таблица 2

Концентрации тяжелых металлов и мышьяка в пылевом осадке по районам исследования (результаты 1СР).

Район V Сг Со № Си Ъп Ав вг РЬ

Центральный 63,3 57 9,13 23,5 37,5 206 2,2 102 7,33

Василеостров. 202 125 17,1 7,39 17,3 6,22 26,5 5,84 28,6

Василеостров. 236 174 22,7 70,9 170 519 1,8 197 22,1

Красногвард. 200 84,7 22 51,5 98,6 355 1,89 216 19,5

Красногвард. 137 96,6 14,4 43,3 154 438 2,77 174 31

Приморский 117 136 12,2 58,7 152 503 5,95 129 25,9

Приморский 172 88,8 23 43,9 144 420 1,37 157 и

Центральный 138 110 15,7 55 136 354 3,94 166 47

Ск 95 80 16 44 30 74 12 236 18

Примечание: Ск - региональный кларк в осадочном чехле Русской плиты

Основываясь на полученных результатах, можно отметить, что на территории исследуемых районов наблюдается процесс загрязнения, находящийся на разных стадиях, и распространяющийся по районам

неравномерно, главенствующую роль в загрязнении играет техногенный фактор.

Полученные результаты позволили выдвинуть второе защищаемое положение: Исследования техногенной компоненты группы поллютантов, как главных загрязнителей снегового покрова, определили особенности их поведения в городской среде.

По результатам мониторинга центральной части Санкт-Петербурга в целом с 2003 по 2012 года наблюдается положительная динамика снижения концентраций ТМ в снеговом покрове исследуемой территории, а уровень загрязнения определен как низкий. В талой воде содержание растворенных форм ТМ в среднем в 5-100 раз ниже ПДК. Максимальные концентрации по большинству элементов наблюдаются в 2003, 2005 и 2007 гг., наименьшие концентрации тяжелых металлов в снеге за все годы мониторинга характерны для 2009 года. Во многом это объясняется поздними сроками отбора проб (середина марта), когда уже большая часть элементов была смыта или мигрировала в верхний почвенный горизонт. Наибольший разброс концентраций по годам характерен для цинка. Одной из причин такого поведения Хп можно объяснить привнесением элемента в снег с оцинкованных крыш во время оттепелей. Так из данных средних содержаний цинка по месяцам в 2011 году, виден рост содержания от февраля к марту, что совпадает с ростом количества оттепелей. Высокие концентрации в 2007 году практически по всем элементам, кроме цинка и ванадия, объясняются четырехкратным превышением концентраций элементов в точке 3, где располагался склад химических реагентов факультета химии. Ряд тяжелых металлов по возрастанию средних значений их концентраций в снеговой воде имеет следующий вид: 7п>Си>Ре>В1>Сг>РЬ (водорастворимая форма).

При изучении содержаний элементов по месяцам за 2010 и 2011 годы были установлены следующие тенденции в поведении ТМ:

- уменьшение концентраций В1, Сг, РЬ, V, №, Со с увеличением оттепелей;

- увеличение концентраций Бе, Си и Мп с увеличением оттепелей;

- уменьшения свинца в снеговом покрове, в 2010-2011 годах концентрации свинца резко уменьшились в 2-4 раза по сравнению с другими годами мониторинга.

В соответствии с полученными данными кластерного анализа было выделено три кластера: 1) Хп\ 2) Ре, Си, Мп; 3) РЬ, В1, V, Сг, №. Причем в третьем кластере наиболее сильные связи наблюдаются между РЬ и В1 (11=0,96), № и V (Я=0,84), Сг и V (Я=0,76). Между Ре и остальными элементами, кроме Си, Мп и 2,п наблюдается обратная зависимость. Накопление элементов в выделенных кластерах происходит в схожих условиях, а также для них возможен единый источник поступления в депонирующую среду.

Все выше изложенные результаты исследования позволили сформулировать третье защищаемое положение: Мониторинг поведения загрязнителей снегового покрова позволил количественно рассчитать уровень нагрузки

на воздушную среду в зимний период как низкий и ежегодно снижающийся.

Оценка экологической обстановки на бульварной полосе вдоль Московского проспекта производилась в следующем порядке:

- оценка состояния городских почв в начале зимнего сезона

- оценка состояния снегового покрова

- оценка состояния городских почв после применения ПГМ

- фитоиндикация ЗНОП в весенний период

В содержаниях ТМ в снеговом покрове наблюдаются превышения ПДК по меди, марганцу и железу, причем превышения этих элементов характерны для одних и тех же точек. Содержания В1, N1, Сг распределяются равномерно по всему району исследования, а для 7л\, Си, Бе, Мп характерен высокий разброс концентраций, наличие «аномальных» концентраций и соответственно неравномерность распределения. Концентрации свинца на участке исследования незначительны и были зафиксированы только в 17 точках. На участке исследования происходит процесс подщелачивания осадков (рН 6.6 -до 7.7). В почвенном покрове наблюдается более неблагоприятная ситуация. Зимой и весной зафиксированы превышения ПДК концентраций валовых форм 7л\, РЬ, Ав по всем точкам участка отбора, в том числе и по профилям в парках, по некоторым точкам наблюдается превышение ПДК по ванадию. Высокие разбросы концентраций, «аномальные» концентрации отмечаются для V, Мп, РЬ и Хп.

Наиболее загрязненными являются участки от Киевской улицы до улицы Фрунзе и от Дунайской улицы в сторону Пулковских высот. Минимальные концентрации всех элементов наблюдаются по точкам профилей, проведенных через Московский парк Победы и парк Городов-Героев.

На большей части участка исследования наблюдается превышение ПДК хлорид-иона для водоемов культурно-бытового и хозяйственного назначения (350 мг/л) (рис.6). Максимальные значения СГ обнаружены на участке от Броневой улицы до улицы Типанова, превышение по ПДК здесь составляет в 10

- 13 раз, а для точки № 15 - почти в 18 раз (6,62 г/л). Точки, удаленные от Московского проспекта, в парках и точки находящиеся на Пулковском шоссе, характеризуются низким, не превышающим ПДК содержанием хлорид-иона.

В почве, как и в снеговом покрове, содержание хлоридов в парковых зонах ниже, чем на бульварной полосе вдоль Московского проспекта (рис. 7).

В почвах зафиксированы превышения фонового значения хлоридов (кларка хлора в почве 200 мг/кг) практически по всем точкам, наибольшие содержания

- на участке от Литовского проспекта до Бассейной улицы, который совпадает с участком максимальных концентраций СГ в снеговом покрове. Весной не наблюдается высокого разброса концентраций СГ по точкам, характерного для зимы, что объясняется естественным промыванием почвы посредством дождевых и талых вод. По результатам февральского отбора почвы на участке от Литовского проспекта до Бассейной улицы приравниваются к статусу засоленные (более 0,25 % хлоридов по массе). Загрязнение почвы тяжелыми

металлами и хлоридами повлияло на ее кислотно-щелочной баланс (рН 7.2-8.1), создав агрессивную среду для растений.

до®

зода 2000 1000

¿4

1осковски парк Победы

■>лорнды -ГШ«

Парк Городов Героев

Lili

: 2 3 4 5 6 7 а 10 11 1Z 13 14 15 33 34 35 36 16 18 19 JO 21 22 23 27 28 29 30 32 38 39 40 41 42

Рисунок 6. Концентрации хлорид-иона в снеговом покрове бульварной полосы Московского проспекта, 2012 г.

Парк Городо!

Московск

i 2 3 5 6 7 10 11 13 14 15 33 3S 36 37 16 18 10 21 23 24 26 27 28 29 30 31 32 38 33 40 41 42

■■февраль ■ апрель —кларк в почве

Рисунок 7. Концентрации хлорид-иона по месяцам в почвенном покрове бульварной полосы Московского проспекта, 2012 г.

По степени пылевой нагрузки для всех точек расположенных непосредственно на бульварной полосе вдоль Московского проспекта характерна средняя и очень высокая степень загрязнения, лишь точки, удаленные от автомагистрали характеризуются низкими показателями пылевой нагрузки. По результатам химического и рентгенофазового анализов (рис. 8) автором было установлено, что естественная составляющая твердого осадка снегового покрова состоит преимущественно из кварца и полевых шпатов, следов слюды (мусковит, биотит).

вдоль Московского проспекта, т. 12, 2012 г.).

Стоит отметить большую степень рентгеноморфности характерную для проанализированных образцов, что объясняется наличием большого количества сажистых углеродных составляющих в связи с высокой техногенной нагрузкой оказываемой на район исследования со стороны автотранспорта. Помимо сажистых частиц техногенная составляющая представлена крупнодисперсными частицами с соединениями ТМ.

Основополагающими признаками, влияющими на уровень загрязнения Московского проспекта являются:

- интенсивность движения автотранспорта;

- применение в качестве ПГР технической соли, ее кусковой разброс;

- погодные условия (количество осадков, температурный режим, сила и скорость ветра);

- плотность городской застройки.

Проведенное исследование позволяет сделать вывод о сложившейся неблагоприятной экологической обстановке, которая привела к понижению иммунитета и ослаблению жизнеспособности древесных растений, высаженных вдоль Московского проспекта. Автором в мае 2012 года в соответствии с Методикой оценки экологического состояния зеленых насаждений общего пользования Санкт-Петербурга была произведена оценка состояния древесных насаждений вдоль Московского проспекта. По полученным данным в среднем состояние древостоя можно оценить как удовлетворительное (II категория). Деревьев без признаков ослабления от общего количества было зафиксировано всего 11%, у 89% древостоя были обнаружены признаки ослабления находящиеся на разных стадиях. Из них 50% древостоя - с незначительными повреждениями, 33% древостоя приравниваются к категории сильно ослабленных, 4% к категории усыхающих, а 13% деревьев были отнесены к категории сухостоя текущего года. Для группы усыхающих и сильно ослабленных деревьев характерны повреждения коры в нижней части ствола, вызванные ПГМ, усыхание листвы, явно выражены срединные некрозы (межжилковые некротические пятна). Для молодых посадок также характерны

некоторые признаки нарушения жизнеспособности (краевой некроз и изменение цвета листвы).

Исходя из выше изложенного сформулировано четвертое защищаемое положение: Техногенная нагрузка на городскую экосистему в районах загруженных магистралей остается чрезвычайно высокой, а последствиями такого воздействия являются значительные экономические издержки и ущерб, наносимый окружающей среде прилегающих территорий.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в ходе проделанной работы:

1. Основными факторами, влияющими на характер экологической обстановки Санкт-Петербурга являются природные (географическое положение, геологическое строение, особенности климата) и антропогенно-техногенные (социально-экономическая и хозяйственно-производственная деятельность населения, характер городской застройки, наличие зеленых насаждений).

2. Для Санкт-Петербурга характерен смешанный характер источников загрязнения. Природная компонента пылевого осадка преимущественно состоит из частиц терригенного и биогенного происхождения, выраженных минеральной составляющей, техногенная состоит из частиц пыли, обусловленной в первую очередь автотранспортом, деятельностью ТЭЦ, сжиганием бытового мусора, производственными процессами.

3. В зимний период в Санкт-Петербурге складывается относительно благополучная экологическая обстановка воздушной среды. Однако во всех районах наблюдается процесс загрязнения, находящийся на разных стадиях, и зависящий от микроклиматических особенностей района, характера городской застройки и загруженности транспортных магистралей. Более высокая антропогенная нагрузка оказывается на воздушный бассейн в Красногвардейском, Приморском и Центральном районах. Наиболее экологически благополучными являются Пушкинский и Василеостровский районы. Очаги загрязнения приурочены к напряженным транспортным магистралям и промышленным зонам.

4. Мониторинг загрязнителей снегового покрова позволил установить следующие закономерности: наличие низких, не превышающих ПДК, концентраций ТМ; положительную динамику снижения концентраций ТМ и исчезновение свинца; наличие высоких, но не превышающих ПДК, содержаний Бе, присущих нашему региону; уменьшение концентраций Вц Сг, РЬ, V, №, Со с увеличение оттепелей; увеличение концентраций 7л\, Бе, Си и Мп с увеличением оттепелей; характер распределения загрязнителей в центре города связан с локальными источниками и формируется под действие городского «острова тепла».

5. Результаты проведенного на бульварной полосе Московского проспекта комплексного исследования подтверждают высокий уровень пылевой нагрузки и загрязнения снегового и почвенного покрова тяжелыми металлами и

хлоридами, характерный для участков расположенных вдоль напряженных транспортных магистралей. Во всех точках исследования, за исключением точек в парках нормы применения ПГР превышаются в несколько раз. Техническая соль по-прежнему является преобладающим ПГР. Содержание хлорид-иона и ТМ в снеговом и почвенном покровах отражает экологическое состояние деревьев. Таким образом, наблюдается ослабление жизнеспособности древесных растений, замедление их роста, наличие некрозов листвы, усыхание кроны и, как следствие, неправомерно высокие материальные затраты связанные с регулярной заменой растительности.

III. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Воронцова, A.B. Геохимия снегового покрова в условиях городской среды / A.B. Воронцова, Е.М. Нестеров // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. Серия Естественные и точные науки. - СПб. - 2012. - N 147. - С. 125-132 (0,6/0,4 пл.).

2. Воронцова, A.B. Геохимия твердой фракции снегового покрова Санкт-Петербурга / A.B. Воронцова, Е.М. Нестеров // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. Серия Естественные и точные науки. - СПб. - 2012. - N153 (2). -С. 46-52 (0,5/0,35 пл.).

3. Воронцова, A.B. Мониторинг поведения тяжелых металлов в снежном покрове территории РГПУ им. А.И. Герцена / A.B. Воронцова, Л.М. Зарина, А.И. Тимиргалеев // «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» Материалы V Международной конференции / под ред. Е.М. Нестерова. - СПб.: Изд-во «Эпиграф», 2007. - с. 90-93 (0,25/0,15 пл.).

4. Воронцова, A.B. Снежный покров как индикатор поведения тяжелых металлов / A.B. Воронцова, Л.М. Зарина, А.И. Тимиргалеев // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: Материалы V Международной научной конференции студентов и аспирантов, посвященной 90-летию Днепропетровского национального университета / под ред. Л.И. Зеленской. - К.: ГНПП «Картография», 2008. - с. 128-131 (0,25/0,15 пл.).

5. Воронцова, A.B. Геохимическая характеристика донных отложений малых водотоков Санкт-Петербурга / A.B. Воронцова, Ю.В. Кочергина, А.И. Тимиргалеев // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: Материалы V Международной научной конференции студентов и аспирантов, посвященной 90-летию Днепропетровского национального университета / под ред. Л.И. Зеленской. - К.: ГНПП «Картография», 2008. - с.176-180 (0,35/0,2 пл.).

6. Воронцова, A.B. Поведение тяжелых металлов в снежном и почвенном покровах центральной части Санкт-Петербурга / A.B. Воронцова, Л.М. Зарина //«Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (Материалы VI

Международной конференции)/ под ред. Е.М. Нестерова. - СПб.: Изд-во «Эпиграф», 2009. - с. 34-36 (0,2/0,15 п.л.).

7. Воронцова, A.B. Некоторые новые данные по загрязнению снежного покрова / A.B. Воронцова, Л.М. Зарина, Е.М. Нестеров // Международная конференция «Геология, геоэкология, эволюционная география» (сборник научных трудов)/под ред. Е.М. Нестерова. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2011. - с.184-189 (0,4/0,25 пл.).

8. Воронцова, A.B. Рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ неорганической составляющей снегового покрова Санкт-Петербурга / A.B. Воронцова, Е.М. Нестеров // Науки о Земле и цивилизация: Материалы Международной молодежной конференции. Том 1. Науки о Земле / Под общ. ред. Е.М. Нестерова. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2012. -с. 50-54 (0,3/0,2 пл.).

Подписано в печать 01.03.2013 г. Формат 60x84 */16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 пл. Тираж 120 экз. Заказ № 102 ц Издательство РГПУ им. А.И. Герцена, 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48

Типография РГПУ, 191186, С.-Петербург, наб. р. Мойки, 48.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Воронцова, Анна Владиславовна, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. И.

ГЕРЦЕНА»

Особенности поведения поллютантов в снеговом покрове Санкт-Петербурга и их влияние на городскую среду.

04201357732

На правах рукописи

Воронцова Анна Владиславовна

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (науки о Земле)

диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: д.п.н., к. г.-м. н, профессор Е.М. Нестеров

Санкт-Петербург, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1. Снеговой покров как индикатор экологической обстановки урбанизированной территории.............................................................11

1.1.Необходимость использования снегового покрова в мониторинге окружающей среды..............................................................................11

1.2. Воздействие тяжелых металлов на городскую среду............................27

1.3. Воздействие противогололедных материалов на городскую среду...........37

2. Общая характеристика региона и методы исследования........................49

2.1. Региональные особенности территории.............................................49

2.1.1. Физико-географическая характеристика Санкт-Петербурга............49

2.1.2. Оценка экологической обстановки в Санкт-Петербурге..................61

2.2.Методики сбора и обработки информации.........................................69

2.2.1.Район исследования и полевые работы.......................................69

2.2.2. Методы анализа снегового покрова...........................................75

2.2.3.Методика оценки влияния тяжелых металлов и противогололедных материалов на зеленые насаждения..........................................................80

2.3. Методы статистической обработки данных.......................................84

3. Особенности поведения поллютантов в снеговом покрове и их влияние на экологию городской среды..................................................................90

3.1. Геохимия снегового покрова районов Санкт-Петербурга.......................90

3.2. Геоэкологическое картирование и оценка влияния поллютантов на городскую среду..............................................................................99

3.3.Геохимия твердой фракции снегового покрова районов Санкт-Петербурга.........................................................................................106

3.4. Многолетние тренды поведения ТМ в центре Санкт-Петербурга .......................................................................................................112

3.5. Оценка влияния ТМ и 111М на зеленые насаждения Московского проспект........................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................135

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Карты сетей точек отбора проб снегового покрова по районам

Санкт-Петербурга, 2011 год....................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты рентгенофлуоресцентного анализа проб снегового покрова.............................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Первичные результаты исследований, проведенных на бульварной полосе вдоль Московского проспекта...............................................187

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

В крупных урбанизированных центрах и регионах здоровье населения во многом зависит от чистоты воздушного бассейна. С ростом городов и развитием инфраструктуры заметно возрастает нагрузка на окружающую среду. Вокруг промышленных городов складываются области с неблагоприятной экологической обстановкой, так называемые биогеохимические провинции. По оценкам ученых в восьмидесятых годах от всех антропогенных источников ежегодно в атмосферу поступало 450 тысяч тонн свинца, 7 тысяч тонн кадмия, 56 тысяч тонн меди, 200 миллионов тонн окиси углерода и 150 миллионов тонн двуокиси серы [15]. Так, физико-химические изменения, произошедшие в атмосфере Земли в восьмидесятых годах, сопоставимы с результатами естественных процессов, развертывающихся в течение тысячелетий [65].

По данным Росстата [178] количество выбросов в атмосферу в Российской Федерации от стационарных источников на 2011 год составило 19,2 миллионы тонн, что на 68% меньше по сравнению с 1992 годом. При этом процентное соотношение выбросов от различных стационарных источников составляет: обрабатывающая промышленность - 33,6%, добыча полезных ископаемых - 27,2%, теплоэнергетика - 22,6%, транспорт и связь - 12,7%, прочие виды экономической деятельности - 3,9% выбросов.

В целом по России за последнее десятилетие не наблюдается положительной динамики в уменьшении выбросов, их объем остается примерно на одном уровне. Однако, благодаря экологической политике государственно-правовых органов и руководства промышленных предприятий, а также постоянному мониторингу территории в некоторых городах и регионах страны наблюдается значительное улучшение экологической ситуации и снижение антропогенной нагрузки. К таким городам можно отнести ряд крупных городов, ориентированных на выпуск металлургической промышленности, например Норильск, Череповец, Магнитогорск. Но все же, несмотря на экологическую политику и инвестиции, направленные на

улучшение экологической обстановки, в большинстве городов уровень загрязнения окружающей среды превышает установленные нормы.

Под загрязнением окружающей среды понимают привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов, приводящих к превышению в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня концентраций вышеперечисленных агентов в среде и, как следствие, к негативным воздействиям на людей и окружающую среду [49].

Главной причиной загрязнения наземных экосистем являются атмосферные выпадения аэрозолей, в частности атмосферная пыль. Загрязнители, попавшие в атмосферу, вследствие процессов ее самоочищения посредством выпадения атмосферных осадков проникают и аккумулируются в таких депонирующих средах как почва, донные отложения, снеговой покров, вода.

В науке получили широкое распространение три основных метода исследования уровня запыленности атмосферы:

1. Аспирационный, основанный на просасывании через фильтры определенного объема воздуха;

2. Седиментационный, основанный на изучении аэрозоля, выпавшего на планшет;

3. Седиментационный, основанный на анализе «влажных выпадений».

Аспирапионные методы получили большую популярность и широкое распространение, как в России, так и во всем мире. Однако, они очень трудоемки в смысле отбора проб, требуют специальной аппаратуры, а лля получения опенок за длительные промежутки времени — многократного отбора проб воздуха.

В связи с этим в экологическом мониторинге стали популярны методы исследования, основанные на использовании планшетов-накопителей аэрозоля. Одним из широко используемых природных планшетов стал снеговой покров. Преимушество таких методов в том, что они позволяют не только охарактеризовать состояние атмосферного воздуха, но и оценить загрязнение подстилающей повеохности. ушеоб. наносимый деятельностью человека.

Исследования Израэля, Абрамовского, Анохина, Павлова и других ученых показывают, что нередко вредное влияние аэрозоля проявляется не тогда, когда он находится в воздухе в относительно небольших концентрациях, а когда включается в цепь экологического круговорота веществ и накапливается в ключевых звеньях экосистемы [13,15,125].

Изучение снегового покрова позволяет составить картину пространственного распределения химических элементов и оценить интенсивность воздействия источников загрязнения в зимний период: период одного снегопада или за весь период лежания снега. А по средствам постоянного мониторинга снегового покрова можно выявить пространственно-временные закономерности распределения элементов, обнаружить новые очаги загрязнения и определить тенденцию в изменении качества окружающей среды. Таким образом, снеговой покров можно считать надежным индикатором загрязнения атмосферы [22].

Стоит отметить, что мониторинг загрязнения территории Петербурга одними из приоритетных загрязнителей (тяжелые металлы) особенно в зимний период в городе ведется явно в недостаточном объеме. Контроль качества воздуха на сети станций мониторинга, расположенной в Санкт-Петербурге, осуществляется с помощью аспирационного метода, фиксирующего уровень загрязнения взвешенными частицами в целом, не учитывая вклад каждого отдельного элемента. Таким образом, диссертационное исследование, проведенное автором, представляет новые актуальные данные, раскрывающие закономерности загрязнения поллютантами городской среды и особенности экологического состояния Санкт-Петербурга.

Объектом исследования является снеговой покров Санкт-Петербурга.

Предмет исследования - процессы загрязнения снегового покрова урбанизированной среды.

Целью настоящей работы является выявление особенностей поведения поллютантов в снеговом покрове Санкт-Петербурга и оценка их влияния на городскую среду.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

— охарактеризовать региональные особенности территории исследования и факторы, влияющие на характер экологической обстановки в ней;

— определить уровень влияния поллютантов техногенного происхождения на воздушную среду города;

— посредством геоэкологического картирования выявить пространственно-временные особенности распространения поллютантов;

— выявить многолетние тренды в поведении поллютантов центральной части Санкт-Петербурга;

— определить и проанализировать уровень техногенной нагрузки, складывающийся в районах загруженных автомагистралей Санкт-Петербурга.

Защищаемые положения:

1. Экологическая обстановка Санкт-Петербурга, самого северного мегаполиса Европы, определяется уникальным сочетанием природных и антропогенных факторов, положением города на границе крупнейших физико-географических таксонов и региональными особенностями, определяющими характер потоков поллютантов природного и антропогенного характера.

2. Исследования техногенной компоненты группы поллютантов, как главных загрязнителей снегового покрова, определили закономерности их поведения в городской среде.

3. Мониторинг поведения загрязнителей снегового покрова позволил количественно рассчитать уровень нагрузки на воздушную среду в зимний период как низкий и ежегодно снижающийся.

4. Техногенная нагрузка на городскую экосистему в районах загруженных магистралей остается чрезвычайно высокой, а последствиями такого воздействия являются значительные экономические издержки и ущерб, наносимый окружающей среде прилегающих территорий.

Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области изучения атмосферы, состояния снегового покрова и его пылевой составляющей,

особенностях жизнеспособности растений в условиях городской среды: P.A. Бабаянца, В.В. Байковского, О.Ю. Белозеровой, А.П. Бояркиной, В.Н. Василенко, В.Д. Виленского, B.C. Воскресенского, В.П. Зверева, Ю.А. Израэля, Н.С. Касимова, П.А. Коузова, H.JI. Линевича, A.A. Матвеева, А.З. Миклишанского, O.A. Неверовой, Е.М. Нестерова, А.И. Перельмана, Г.Б. Пиголыданой, Б.А. Ревича, Ю.Е. Саета, Л.Г. Соколовского, A.B. Таловской, М.Д. Уфимцевой, Ш.Д. Фридмана, Е.Г. Язикова, Э.Я. Яхнина и личные исследования и разработки автора.

Фактический материал и методы исследования. В диссертационной работе использованы авторские материалы и проанализированы данные предыдущих исследований. В основу диссертации легли результаты десятилетнего мониторинга центра Санкт-Петербурга, результаты исследований, проведенных в 6 районах Санкт-Петербурга в зимний период 2010-2011, и на бульварной полосе вдоль Московского проспекта в 2012 году. Всего отобрано и проанализировано 950 проб. Отбор и подготовка проб к анализу проводились в соответствии с официально утвержденными и разработанными методиками. Выполнено более 11000 элементоопределений методом рентгенофлуоресцентного анализа в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А.Е. Ферсмана РГПУ им. А.И. Герцена. Анализ пылевой составляющей снегового покрова осуществлялся в сертифицированных лабораториях масс-спектрометрического анализа Центра изотопных исследований Всероссийского научно-исследовательского геологического института имени А.П. Карпинского (ВСЕГЕИ) и рентгено-спектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии Радиевого института имени В.Г. Хлопина, а также в междисциплинарном ресурсном центре коллективного пользования РГПУ имени А.И. Герцена.

Научная новизна работы заключается в выявлении ряда закономерностей поведения поллютантов в снеговом покрове урбанизированной среды, преимущественно для территорий с разной техногенной нагрузкой. Определен состав твердой фракции снегового покрова и характер источников загрязнения.

Проведен комплексный анализ примагистральных территорий и оценено влияние противогололедных реагентов на окружающую среду. Впервые по районам Санкт-Петербурга составлены подробные карты суммарного уровня загрязнения снегового покрова и распределения уровня кислотности.

Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на большом количестве исходных материалов; применении высокочувствительных методов исследования вещества, принятых в системе геоэкологических исследований; использовании новейших компьютерных технологий, ГИС технологий, обработки аналитических материалов и представления результатов; а также анализе отечественных и зарубежных литературных источников и публикаций по исследуемой проблеме.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в развитии теории геоэкологии, усовершенствовании методологии геоэкологических исследований урбанизированных территорий. Автором предложена концепция оценки влияния поллютантов в зимний период на городскую среду для территорий с разным уровнем антропогенной нагрузки.

Практическая значимость. В ходе диссертационного исследования получены данные, позволяющие спрогнозировать динамику загрязнения окружающей среды Санкт-Петербурга, результаты исследования использовались при создании ГИС атласа «Экология Петербурга». Диссертационное исследование выполнялось в рамках договоров НИР №№ 87/10, 51/11, №№84/10,48/11, №№85/10,52/11, №№83/10,50/11, №82/10,49/11 «Экологический мониторинг зеленых насаждений Василеостровского, Приморского, Пушкинского, Красногвардейского районов Санкт-Петербурга», все полученные материалы вошли в базы данных, прошедшие государственную регистрацию как объекты интеллектуальной собственности. Результаты исследования используются в учебном и научном процессах РГПУ им. А.И. Герцена и являются частью программы научного развития кафедры 2.3.1 «Пространственно-временной мониторинг окружающей среды на базе НОЦ «Геоэкология и геохимия»».

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах, из них - 2 в рецензируемых изданиях. Результаты исследований доложены на V, VI Международных конференциях «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (РГПУ им. А.И. Герцена 2007, 2009 гг.), V Международной научной конференции студентов и аспирантов «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (ДНУ 2008 г.), Международной конференции «Геология, геоэкология, эволюционная география» (РГПУ им. А.И. Герцена, 2011 г.), Международной молодежной конференции «Науки о Земле» (РГПУ им. А.И. Герцена, 2012 г.).

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений. Объем работы - 192 страниц машинописного текста, включая 35 таблиц и 43 рисунка. Цитированная литература содержит 180 названий.

Глава 1. Снеговой покров как индикатор экологической обстановки урбанизированных территорий

1.1. Необходимость использования снегового покрова в мониторинге окружающей среды

Снег является долговременной депонирующей средой, что позволяет выявить и картировать устойчивую структуру атмосферных выпадений для широкого круга компонентов. Снег не является активным ни в химическом, ни в биологическом отношении, как, например, почвы, так как в нем почти не происходит химических изменений веществ. За счет высокой сорбционной способности снеговой покров может захватывать и откладывать на поверхности существенную часть элементов, вызванных техногенной деятельностью и поступающих из атмосферы. В снежном покрове аккумулируется также пыль, оседающая в периоды между снегопадами [13, 22].

Загрязнение снегового покрова происходит в два этапа: влажное выпадение загрязняющих веществ со снегом и сухое поступление загрязнителей из атмосферы. Взаимоотношение между сухими и влажными выпадениями определяется, например дли