Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-геохимическая оценка состояния урбанизированной среды на основе исследования отложений пониженных участков микрорельефа

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геохимическая оценка состояния урбанизированной среды на основе исследования отложений пониженных участков микрорельефа"

На правах рукописи

Селезнев Андриан Анатольевич

Эколого-геохимическая оценка состояния урбанизированной среды на основе исследования отложений пониженных участков микрорельефа (на примере г. Екатеринбурга)

Специальность 25.00.36 — «Геоэкология» (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005567688

Екатеринбург - 2015

005567688

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт промышленной экологии Уральского отделения Российской академии наук:

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор геолого-минералогических наук, доцент Макаров Анатолий Борисович.

Косинова Ирина Ивановна - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующая кафедрой экологической геологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный

университет» (ФГБОУ ВПО «ВГУ»);

Козлова Ирина Анатольевна - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории

геодинамики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт геофизики им. Ю. П. Булашевнча Уральского отделения Российской академии наук.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геоэколсГии им. Е. М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН).

Защита состоится 26 марта 2015 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, корпус 3, аудитория 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»: http://science.ursmu.ru/traineeship/dissertacionnye-sovety/d-212-280-01/seleznev-andrian-anatolevich.html.

Автореферат разослан 23 января 2015 года.

Ученый секретарь . /

диссертационного совета Д 212.280.01 с.. / >/¿^г^^т^у А. Б. Макаров

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Для современного человека город стал средой обитания. Оценка экологического состояния с целью обеспечения оптимального качества окружающей среды является одной из первостепенных задач.

Понятия экологического состояния и качества городской среды традиционно рассматриваются с позиций техногенеза, однако даже в условиях тотального техногенеза продолжают действовать законы природы. Понимание роли таких естественных природных явлений, как миграция загрязняющих веществ и седиментация (осадконакопление), является необходимым звеном интегральной оценки экологического состояния города. О необходимости использования системного подхода к проблеме оценки экологического состояния городов говорится в работах Н. С. Касимова, Г. В. Добровольского, Ф. В. Котлова, В. Н. Чуканова, Ю. Е. Саета, Н. Н. Панина, О. М. Гуман, О. Н. Грязнова, Э. Ф. Емлина, С. S. С. Wong, S. Т. A. Pickett и др. Эколого-геохимические исследования являются необходимым звеном для развития комплексного подхода к этой проблеме. Традиционно-использующиеся для оценки экологического состояния подходы имеют ряд недостатков. Снеговая съемка позволяет получить информацию о сезонных выпадениях поллютантов. Опробование этого компонента окружающей среды для оценки динамики загрязнения в долгосрочный период (на протяжении нескольких десятков лет) является весьма затратным. Содержание поллютантов в почве, кроме мощности выпадений, зависит от миграционных процессов в окружающей среде и. что особенно важно в условиях города, от времени формирования, исходного состава, трансформаций и «эксплуатации» грунта. Загрязнение атмосферного воздуха в конкретной точке пространства зависит от мощности выброса, погодно-климатических условий и ряда других факторов. Оценка среднегодового значения концентрации загрязнителя в атмосфере требует значительного количества данных.

В последние десятилетия существует необходимость получения наиболее полной информации о перераспределении загрязняющих веществ в урбанизированной среде при проведении комплексной оценки экологического состояния.

Современные антропогенные отложения - один из немногих компонентов урбанизированной среды, формирующийся в результате естественных процессов. Этот объект участвует в долгосрочных процессах миграции, депонирует загрязнение по времени и пространству и при проведении эколого-геохимических исследований урбанизированной среды пригоден для опробования.

Цель работы: исследование отложений пониженных участков микрорельефа для оценки экологического состояния урбанизированной среды г. Екатеринбурга и совершенствование методологии эколого-геохимических исследований городских территорий. Задачи исследовании:

- обосновать целесообразность эколого-геохимического исследования городского ландшафта на основе изучения отложений пониженных участков микрорельефа;

- разработать методику и провести опробование отложений пониженных участков микрорельефа на селитебных территориях города;

- провести эколого-геохимический анализ накопления тяжелых металлов и радионуклида Сб-Ш на селитебных территориях урбанизированной среды на основе изучения отложений пониженных участков микрорельефа (на примере г. Екатеринбурга).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В качестве индикатора экологического состояния урбанизированной среды использованы концентрации тяжелых металлов в осадках пониженных участков городского микрорельефа.

2. Полученные данные дополняют существующие представления о механизмах миграции и депонирования поллютантов в условиях

городского ландшафта. Отложения пониженных участков микрорельефа представляют собой компонент окружающей среды, интегрирующий загрязнение по времени и пространству.

3. Возраст антропогенно трансформированных грунтов микроландшафта урбанизированной среды можно определить по удельной активности Сб-137 в отложениях пониженных участков микрорельефа и известной динамике его выпадений в регионе.

4. Обнаружены взаимозависимости между концентрациями тяжелых металлов и удельной активностью Сб- 137 в отложениях пониженных участков микрорельефа г. Екатеринбурга.

5. Разработана методология эколого-геохимического исследования урбанизированной среды с использованием современных отложений в качестве компонента опробования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Содержание тяжелых металлов в отложениях пониженных участков микрорельефа является информативным индикатором состояния урбанизированной среды.

2. Накопление изотопа С5-137 в отложениях пониженных участков микрорельефа позволяет оценить их возраст в микроландшафте селитебных территорий.

3. Анализ распределения тяжелых металлов и Сз-137 в отложениях пониженных участков микрорельефа дает возможность выявить комплекс тяжелых металлов-загрязнителей и провести ретроспективную оценку динамики загрязнения урбанизированной среды.

Методологической основой исследований послужили труды российских и зарубежных исследователей в области экологической геохимии городских ландшафтов, концепции, принципы, подходы к оценке качества окружающей среды городов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов в оценке

экологического состояния селитебных зон г. Екатеринбурга, при организации экологического мониторинга. Определение возраста загрязнения отложений и фунтов может использоваться при оценке динамики загрязнения селитебных зон, выявлении спектра тяжелых металлов-поллютантов, оценке фоновых концентраций и их уровней поступления. Получены данные о распределении тяжелых металлов (РЬ, Zn, Си, Ре, Со, ТчМ, Мп, А1) и Сз-137 в жилых районах г. Екатеринбурга. Разработанная методология экогеохимического исследования на основе опробования отложений пониженных участков микрорельефа может использоваться в городских ландшафтах повсеместно.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается исследованием большого числа образцов отложений пониженных участков микрорельефа на территории г. Екатеринбурга, отобранных лично автором при выполнении научных исследований Института промышленной экологии УрО РАН, а также сопоставимостью полученных результатов с данными исследований почв в г. Екатеринбурге, проведенных другими организациями. Исследования проведены с использованием стандартных методик на сертифицированном оборудовании в аккредитованных лабораториях радиационного контроля и химико-аналитическом центре ИПЭ УрО РАН.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Девятой Уральской молодежной научной школе по геофизике (г. Екатеринбург, 2008 г.), Втором Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), Всероссийской конференции молодых ученых «Биосфера Земли: прошлое, настоящее и будущее» (г. Екатеринбург, 2008 г.), Международной конференции «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы» (г. Москва, 2008 г.), Молодежном симпозиуме «Безопасность биосферы»

(г. Екатеринбург, 2009 г.), Третьем европейском конгрессе Международной

ассоциации радиационной безопасности (Third European IRPA Congress, 2010) (г. Хельсинки, Финляндия, 2010 г.), Международной конференции по химии и окружающей среде-2011 (International Conference on Chemistry and the Environment) (г. Цюрих, Швейцария, 2011г.), Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2011» (г.Архангельск, 2011г.), Международной конференции по радиоэкологии и радиоактивности окружающей среды ICRER-2011 (г. Гамильтон, Онтарио, Канада, 2011 г.), XV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г.Москва, 2012г.), VI Международной конференции «ЭКОГИДРОМЕТ-2012» Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (г.Семипалатинск, Казахстан, 2012г.), Уральской горнопромышленной декаде (г. Екатеринбург, 2014), Российском совещании с международным участием «Геохимия литогенеза» (г. Сыктывкар, 2014 г.).

Результаты работы получены при проведении исследований и использованы в научных отчетах по грантам РФФИ № 10-05-96011 «Изучение отложений пониженных участков рельефа как нового объекта мониторинга урбанизированной среды», № 08-08-00101-а «Экспериментальное и модельное изучение поступления и перераспределения Cs-137 в объектах городской экосистемы», в отчете по научному проекту молодых ученых УрО РАН № 10-2-НП-223 «Изучение загрязнения урбанизированной среды тяжелыми металлами на основе анализа загрязнения пониженных участков рельефа», в отчетах работ института по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 г., тема: «Экологические проблемы энергетики, промышленности и урбанизированной среды», номер ГР 01201355015.

Результаты работы использованы в научных отчетах Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2009-2013 гг., Проекта 12-П-2-1042 «Прогноз и оценка экологических последствий техногенных экстремальных ситуаций на объектах энергетики и промышленности» (2012-2014) по Программе Президиума РАН № 4 «Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений и техногенных катастроф, включая проблемы ускоренного развития атомной энергетики», Проекта УрО РАН 12-2-4-002-АРКТИКА «Геостатистическое моделирование полей поверхностных загрязнений урбанизированных территорий Крайнего Севера в задачах управления качеством среды обитания» (2012-2014), а также вошли в отчет Уральского отделения РАН за 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, включая 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав п заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 149 наименований, и двух приложений. Общий объем составляет 141 страницу машинописного текста, содержит 83 рисунка, 25 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность заместителю директора ИПЭ УрО РАН канд. физ.-мат. наук И. В. Ярмошенко и заведующему радиационной лабораторией ИПЭ УрО РАН канд. физ.-мат. наук А. А. Екидину за высококвалифицированные консультации и доброжелательное отношение на всех этапах работы; своим коллегам, соавторам, коллективу радиационной лаборатории и химико-аналитического центра ИПЭ УрО РАН за поддержку при выполнении работы; докт. геолого-минерал. наук, профессору кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии О. Н. Грязнову за ценные замечания и предложения; докт. геолого-минерал, наук, профессору кафедры геологии и защиты в

чрезвычайных ситуациях С. Г. Паняку за глубокий анализ и конструктивную критику.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, определены: цели работы, показана научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, охарактеризована ее апробация.

В Главе 1 «УРБАНИЗИРОВАННАЯ СРЕДА И ПРОБЛЕМЫ ЕЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ» проведен обзор литературных данных по экологическим проблемам, источникам загрязнения, механизмам, факторам и процессам, определяющим и модифицирующим геохимическую миграцию тяжелых металлов в городских ландшафтах. Рассмотрена методология экогеохимических исследований города на основе опробования традиционных (почва, атмосферные выпадения, снег) и нетрадиционных (современные антропогенные отложения: донные отложения водоемов, дорожная пыль и др.) компонентов окружающей среды.

В Главе 2 «МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ» изложены методологические аспекты работы. Дана характеристика отложений пониженных участков микрорельефа, приведен способ их опробования. Представлена методология эколого-геохимического исследования на основе изучения отложений пониженных участков микрорельефа.

Антропогенные отложения в локальных понижениях микрорельефа селитебных территорий урбанизированных зон могут быть охарактеризованы как вид наземных поверхностных грунтовых фаций. Техногенные процессы, недостаточное внимание к вопросам планировки при застройке, отсутствие и нарушение стока атмосферных осадков приводят к накоплению осадочного материала в локальных понижениях микрорельефа (рис. 1). Осадочный материал состоит из твердых частиц почвы, песка, торфа, пыли различного происхождения. Поллютанты вовлекаются в процессы миграции и накопления осадочного материала.

Рис. 1. Отложения в пониженных участках микрорельефа Накопление осадочного материала происходит с поверхности водосбора, в которую входят крыши зданий, грунты, асфальт, озелененные участки территорий. Трансформированные грунты и «культурные слои» препятствуют инфильтрации атмосферных сточных вод в фунтовые. Мощность отложений изменчива и составляет в среднем 5 см. Максимальные мощности характерны для территорий, где отложения не перемещались при уборке, ландшафт был сформирован на ранних стадиях развития города, поверхность водосбора имеет максимальные уклоны и площадь.

Материал отложений концентрирует загрязнение за весь период своего существования, при этом разные участки ландшафта в поверхности водосбора могут быть сформированы в периоды с разницей в несколько десятков лет. Поэтому ключевую роль в образовании отложений ифает возраст застройки территорий и возраст грунтов. При рассмотрении накопления поллютантов в отложениях учитывается неравномерность времени формирования ландшафта и миграционные процессы.

В ходе исследований проводится опробование отложений на селитебных территориях города. В пределах выбранного участка определяется пониженный участок микрорельефа. Площадки опробования в микрорайоне характеризуются наличием в водосборе растительного покрова, грунтов, асфальта, крыш домов, уклонов. Пробы отбираются в верхнем пятисантиметровом горизонте. Масса отобранной пробы составляет 1,01,5 кг. Проводится описание пробной площадки и отобранного объекта, фотодокументирование. После пробоподготовки проводится измерение концентраций металлов и радионуклида Cs-137 с использованием стандартных методик. В настоящей работе измерение удельной активности (УА) радионуклида Cs-137 в образцах проводилось на стационарном гамма-радиометре РКГ-АТ1320 с детектором у-излучения на основе сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом Nal(TI). Определение содержания металлов проводилось методом масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно связанной аргоновой плазме на масс-спектрометре ELAN 9000. Определение кислотности образцов проводилось с помощью иономера И-160М. В процессе обработки результатов и анализа данных оцениваются: распределение концентраций металлов; пространственная неоднородность загрязнения отложений на селитебных территориях; связь концентраций металлов в отложениях с литогенным субстратом, уровнем рН отложений; загрязнение отложений в зависимости от времени формирования ландшафта на селитебных территориях. Проводятся: сравнительный анализ загрязнения отложений и других компонентов окружающей среды; оценка экологического состояния селитебных зон города на основе расчета коэффициента концентрации химического вещества и суммарного показателя загрязнения для отложений.

В Главе 3 «АНАЛИЗ ДАННЫХ О СОСТОЯНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Г. ЕКАТЕРИНБУРГА» представлен обзор данных о загрязнении компонентов окружающей среды Cs-137 и тяжелыми металлами, полученных различными организациями. Источниками загрязнения атмосферы тяжелыми

металлами в городе являются предприятия машиностроения и металлообработки, металлургии, электроэнергетики, химии и нефтехимии, предприятия по производству стройматериалов, автомобильный и железнодорожный транспорт. Источниками загрязнения территории города радионуклидом Сб-137 являются испытания ядерного оружия и авария на Чернобыльской АЭС.

По данным Государственных докладов «О состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области» за период 1994-2010 гг., данным Свердловской областной ветеринарной радиологической лаборатории, данным отчета НКДАР ООН за 2000 г. и с помощью моделирования автором восстановлена динамика загрязнения Сб-137 Среднего Урала за период ядерных испытаний и аварий на предприятиях ядерного топливного цикла (рис. 2).

Год

Рис. 2. Динамика загрязнения территории Свердловской области Сб-137 за

период до 2010 г.

Восстановленная динамика выпадений позволяет оценить накопление Сэ-137 в грунтах в зависимости от времени формирования ландшафта (рис. 3). Уровни накопления С5-137 к 2010 г. достигают 5,1 кБк/м2 (с учетом

периода полураспада), что согласуется с данными по уровням загрязнения почв в регионе.

Год

Рис. 3. Уровни накопления Сз-137 в Свердловской области к 2010 г. с учетом

периода полураспада

В главе представлен обзор результатов литогеохимической, снеговой съемки, исследований атмосферного воздуха, проведенных ГУ «Свердловский ЦГМС-Р» в г. Екатеринбурге. В табл. 1 представлены значения валовых концентраций металлов в почвах в городе по данным Ежегодника загрязнения почв городов Свердловской области за 2010 г. ГУ «Свердловский ЦГМС-Р» и в лесопарковых зонах г. Екатеринбурга.

Таблица 1. Средние и диапазоны валовых концентраций металлов в почвах в г. Екатеринбурге в 2010 г.

Параметр Металлы, мг/кг

РЬ Мп N1 Си гп Со Ре, г/кг

Среднее в почвах, мг/кг 87 665 196 192 213 23 23

Фоновые площадки, мг/кг 22-33 515-1886 19-35 32-103 80-127 11-22 19-31

Концентрация в лесопарках, мг/кг 18-30 814-1000 40-67 - 48-160 17-27 -

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха в городе проводятся на сети из восьми стационарных постов ГУ «Свердловский ЦГМС-Р». Были проанализированы данные по содержанию металлов в атмосферных аэрозолях за периоде 1985 по 2010 г.

В Главе 4 «ЗАГРЯЗНЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОМ С8-137 ОТЛОЖЕНИЙ ПОНИЖЕННЫХ УЧАСТКОВ МИКРОРЕЛЬЕФА НА ТЕРРИТОРИИ Г. ЕКАТЕРИНБУРГА» представлены результаты исследования загрязнения Се-137 районов города на основе опробования отложений.

Опробование проводилось в 2007-2010 гг. в г.Екатеринбурге на селитебных территориях с многоэтажной жилой застройкой. Опробовано 249 площадок. В 249 образцах отложений определялась УА Сз-137.

Распределение УА Сб-137 в отложениях пониженных участков рельефа в г. Екатеринбурге близко к логнормальному. Средняя УА - 53 Бк/кг, диапазон < 5-540 Бк/кг, медиана-37 Бк/кг, среднее геометрическое -34 Бк/кг, стандартное отклонение логарифма - 1, 13. Значения УА Сз-137 > 100 Бк/кг обнаружены в 13 % образцов. По результатам дисперсионного анализа средние логарифмов концентраций Сз-137 в районах (табл. 2) значимо различаются (р < 0.01).

Таблица 2. Пространственная неоднородность загрязнения С5-137 отложений пониженных участков микрорельефа районов г. Екатеринбурга

Район Среднее арифметическое УА Сз-137, Бк/кг Максимальная УА Ся-137, Бк/кг Среднее геометрическое УА Сз-137. Бк/кг Яьы УА Сз-137

Запад 57 540 28 1.28

Центр 56 191 42 0,89

Север 58 218 42 0,95

Северо-восток 67 291 42 1,07

Восток- 28 154 14 1,58

Юг 44 124 35 0,81

Юго-запад 64 248 36 1.29

Пространственная неоднородность УА Сз-137 в отложениях в городе связана с возрастом ландшафта, грунтов и интенсивностью локальных миграционных процессов.

Предложен подход по определению возраста загрязнения фунтов городского ландшафта, реализованный при исследовании зафязнения отложений пониженных участков микрорельефа. Возраст поверхности водосбора отложений, под которым понимается средний возраст ландшафта, где образовались отложения, может быть определен по восстановленной динамике загрязнения Сз-137 территории Свердловской области (рис. 2). Значения УА Сб-137 в верхнем пятисантиметровом слое ненарушенного фунта в случае отсутствия горизонтальной миграции при скорости вертикальной мифации 0,5 см/год показаны на рисунке 4. Зафязнение поверхности Сз-137, сформировавшейся в 1950-1960-е годы и ненарушенной до настоящего времени составляет около 120 Бк/кг (на настоящий момент), сформировавшейся в годы до чернобыльской аварии - 40-60 Бк/кг, а в грунтах, зафязнение которых началось после 1990 г., — <10 Бк/кг.

140 г

и 100

» 80

С/Г

и

В 60 <

>< 40 20 0

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Год формирования поверхности

Рис. 4. Расчетная УА Сб-137 в верхнем слое грунта (на 2010 г.) Предложенная хронология для определения возраста поверхности водосбора отложений и зафязнения фунтов согласуется с данными по годам постройки жилых домов для дворов, где располагались пробные площадки отложений.

В Главе 5 «ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОТЛОЖЕНИЯХ ПОНИЖЕННЫХ УЧАСТКОВ РЕЛЬЕФА Г. ЕКАТЕРИНБУРГА»

приведены результаты анализа загрязнения отложений тяжелыми металлами.

Концентрации тяжелых металлов (А1, Бе, Со, Мп, Си, 2х\ и РЬ) и рН определены в 210 пробах отложений пониженных участков микрорельефа. Концентрации металлов в отложениях и почвах в городе представлены в табл. 3.

Таблица 3. Концентрации металлов в отложениях и содержание металлов в почвах

Элемент Среднее Диапазон концентраций Медиана Кларк по А. П. Виноградову В почвах Верх-Исетского района

Со, мг/кг 22 5-47 22 18 18

Мп. мг/кг 824 263-2212 796 1000 1180

А], г/кг 55 16-105 54 80,5 -

Ре. г/кг 37 6-75 35 46,5 -

РЬ. мг/кг 103 14-1027 67 16 39

7.п. мг/кг 455 57-4676 327 83 121

Си. мг/кг 104 14-370 93 47 113

N1. мг/кг 175 26-663 146 58 87

Концентрации А1, Мп, Бе и Со в отложениях сопоставимы с концентрациями в почвах территории г. Екатеринбурга и кларком. Концентрации Си, Ъх\ и РЬ значительно (до нескольких раз) выше концентраций в почвах г. Екатеринбурга и кларкового содержания. Распределение концентраций Со, Мп, А1 и Ре имеет нормальный вид, распределение концентраций РЬ, Zn, Си, № и Сб - логнормальный.

Происхождение РЬ, 2п, Си и № в отложениях связано с антропогенными источниками (автотранспорт и промышленные предприятия), эти металлы являются поллютантами. Металлы А1, Ре, Мп и Со имеют литогенное происхождение. Генетическая связь содержания металлов в отложениях с почвой подтверждена результатами корреляционного анализа.

Среда отложений слабокислая и слабощелочная (значения рН 6,138,78. среднее - 7,66). Доля образцов со слабокислой средой - 12 %, со

слабощелочной - 88 %. Щелочно-кислотные свойства отложений обусловлены материнскими породами, выходящими на территориях селитебных зон города. В большей части дворов перенос металлов в отложения происходит в нерастворимой форме в слабощелочной среде. В нерастворимой форме в отложения попадают: Со, Мп, Ре и А1. Значимо высокие концентрации Си, Хп и РЬ в слабокислой среде могут свидетельствовать о существовании переноса этих металлов в растворимой форме, но доля его незначительна.

Пространственная неоднородность содержания поллютантов показана на рис. 5.

Рис. 5. Пространственная неоднородность содержания поллютантов в

отложениях (показана средняя концентрация металла в районе)

, - концентрация металла ниже среднего по городу

- концентрация металла выше средней концентрации по городу

Причинами пространственной неоднородности могут быть: разный возраст грунтов на селитебных территориях, близость к основным стационарным источникам загрязнения, промышленным предприятиям, крупным автодорогам, наложение (суперпозиция) выбросов стационарных

источников, локальные низкорасположенные и нестационарные источники загрязнения, учет которых затруднен. Концентрации РЬ, 7п, Си и N1 в отложениях южных районов города ниже, чем в остальных. В табл. 4 представлены результаты корреляционного анализа связи концентраций тяжелых металлов и Сб-137 в отложениях пониженных участков микрорельефа. В группе с УА Се-137 0-20 Бк/кг связь тяжелых металлов с УА нуклида может быть описана экспоненциальной функцией.

Таблица 4 —Результаты анализа корреляционной связи концентраций металлов и УА Сз-137 в отложениях

Металл Коэффициент корреляции, р-значение Вид связи в группе УА Сз-137 0-20 Бк/кг, р-значение

РЬ г = 0,16, р = 0,02 у = 50-е"'№\р<0,05

Ъп г = 0,5, р < 0,01 у = 206-е""", р < 0,05

Си г = 0,4, р <0,01 у = 76-е" "' \ р = 0,3

Ре г = -0,03, р = 0,64 у = 37-е"'""1'", р = 0,4

№ г = 0,04, р = 0,5 у= 114-е"'"2\ р = 0.1

Со г = -0,05, р = 0,5 у = 20-е"-"1'*, р = 0,1

Мп г = -0,11. р = 0.1 у = 790-е"""" \ р = 0.3

А1 г =-0,23, р< 0,01 у = 65-е""'""4 х, р = 0,5

Загрязнение отложений тяжелыми металлами находится в корреляционной связи с УА Сз-137. Связь концентраций РЬ и Ъп с УА Сб-137 является положительной значимой в группе с УА нуклида 0-20 Бк/кг. На рис.7 показаны средние концентрации металлов в диапазонах УА С5-137, приведены стандартная ошибка и 95 % доверительный интервал (ДИ).

Связь концентраций РЬ, Ъх\ и Си с УА Сз-137 значимо положительная: чем выше УА и соответственно возраст ландшафта, тем выше концентрация металла. Возрастающие концентрации металлов с течением времени могут быть объяснены их постоянным поступлением в отложения. Концентрации А1, Ре, Со и Мп не связаны с УА Сз-137. Эти элементы не поступают в окружающую среду в количествах, позволяющих говорить о загрязнении.

Связь концентраций металлов с УА Се-!37 при экстраполяции до нулевого уровня УА позволяет дать оценку «фоновой» концентрации металла в отложениях, которая не связана с загрязнением. По данным табл. 4

фоновые концентрации РЬ, Си и Хп в отложениях составляют 50, 76 и 206 мг/кг соответственно. Понятие фоновой концентрации является условным с учетом того, что в рамках рассматриваемого подхода в начальный момент времени отложения в понижении микрорельефа не сформировались, однако эта величина может служить репером для оценки степени загрязнения ландшафта.

50

40

30

20 160 140 120

и

г Ю0 80 60 40

0-10

10-50

850 750 650 "Ь 550 N 450 350 250 150 140

120

ь 100

0-10

10-50

>50

0-10 10-50 >50 УАС5-137, Бк/кг

40

0-10 10-50 >50 УАС5-137, Бк/кг

Рис. 6. Средние концентрации металлов в диапазонах У А Сб-137 Средние концентрации металлов в отложениях в зависимости от диапазона УА Сб-137 и данные об условных фоновых концентрациях позволяют провести оценку годового поступления металлов в различные периоды времени. Принята следующая хронология загрязнения отложений для г.Екатеринбурга. При величине УА Сб-137 отложениях в интервалах >50, 10-50 и <10 Бк/кг, принимается, что поверхность водосбора и отложения сформировались в периоды 1945-1969, 1970-1989 и 1990-2010 гг.

соответственно. Эта хронология позволяет с достаточной степенью точности определить средний возраст формирования отложений в зависимости от содержания в них Сз-137.

Результаты расчета годового поступления РЬ, Си и Хп в отложения показаны на рис. 7. Юг

Тп

8

и

I 6

я

Ё 4 о

& 2 0

Си

РЬ

1945-1969

1990-2010

1970-1989 Год

Рис. 7. Распределение среднегодовых концентраций Си, Хп и РЬ Поступление Хп снижается, максимальное наблюдалось в период до 1970 г., к 2000 г. снизилось в два раза. В качестве одной из причин снижения поступления Хп можно указать переход на централизованное отопление и прекращение использования дров в печах и угольных котельных. Поступление РЬ росло с 1950-60-х гг. и начало снижаться после 1990 г. Рост и падение поступления РЬ связаны с ростом числа автомобилей и с переходом к 2001 г. на использование неэтилированного бензина.

Оценка загрязнения территорий проводилась по суммарному показателю загрязнения (7.^) РЬ, Хп и Си. На территории г. Екатеринбурга максимальные значения 2С жилых районов города достигают 32. Большая часть территорий обследованных жилых районов имеет низкие и слабо опасные уровни загрязнения РЬ, Хп и Си. Селитебные территории г. Екатеринбурга находятся в удовлетворительном и относительно удовлетворительном экологическом состоянии.

21

ВЫВОДЫ

1. При проведении эколого-геохимических исследований и оценки состояния загрязнения селитебных зон необходимо учитывать процессы переноса, в результате которых миграционные потоки поллютантов депонируются отложениями локальных понижений микрорельефа.

2. Обоснована целесообразность и разработан подход эколого-геохимического исследования городского ландшафта на основе изучения отложений пониженных участков микрорельефа как индикатора загрязнения среды.

3. В качестве компонента опробования пригодного для проведения индикации загрязнения отложения обладают рядом преимуществ перед другими компонентами в эколого-геохимических исследованиях городских ландшафтов. К таким преимуществам относятся интегрирование загрязнения по пространству в пределах поверхности водосбора и по времени за период от формирования ландшафта.

4. Возраст городского ландшафта может быть определен по содержанию в грунте Сз-137. В г.Екатеринбурге датировка возраста ландшафта по содержанию Сз-137 проводится с принятием следующей хронологии: поверхность, сформировавшаяся в 1950-1960-е г. имеет УА Сз-137 около 120 Бк/кг на настоящий момент, сформировавшаяся в 1970-1980-е -40-60 Бк/кг, сформировавшаяся после 1990 г., - менее 10 Бк/кг.

5. Связь между содержанием металлов и УА Сб-137 в отложениях позволяет определить комплекс тяжелых металлов-поллютантов и оценить уровни их поступления в различные периоды времени. В г. Екатеринбурге основными загрязнителями (из исследованных) являются РЬ, Ъп и Си. Их поступление в окружающую среду за последние десятилетия привело к увеличению содержания РЬ, Си и Ъп в отложениях в 2,5, 1,5 и 3 раза в среднем соответственно.

6. В отложениях в г. Екатеринбурге обнаружены две ассоциации тяжелых металлов: литогенная - А1, Мп, Бе и Со и техногенная - РЬ, Си и Сб-137.

Причинами пространственной неоднородности загрязнения отложений в районах могут быть: разный возраст грунтов на селитебных территориях, близость к основным стационарным источникам загрязнения, промышленным предприятиям, крупным автодорогам, наложение выбросов стационарных источников, локальные низкорасположенные и нестационарные источники загрязнения, учет которых особенно труден. Районы города характеризуются умеренной степенью загрязнения отложений в локальных понижениях микрорельефа.

7. По скорости поступления из атмосферы за последние 20 лет металлы ранжируются следующим образом: Zn > Pb > Си. Выявлены различные тенденции в изменении скоростей поступления этих металлов. Наблюдается корреляция скоростей поступления Zn, Pb и Си с данными о содержании металлов в атмосфере.

8. Щелочно-кислотные свойства отложений обусловлены литогенным субстратом на территориях селитебных зон города. В селитебных зонах перенос металлов в отложения происходит в нерастворимой форме в слабощелочной среде. В нерастворимой форме в отложения попадают: Ni, Со, Mn. Fe и AI. Значимо высокие концентрации Си, Zn, Pb и Cs-137 в слабокислой среде могут свидетельствовать о существовании переноса этих металлов в растворимой форме, но доля его незначительна.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

1. Селезнев А. А. Оценка возраста загрязнения грунтов на урбанизированных территориях с использованием датирования но содержанию цезия-137 / Д. Л. Селезнев. И. В. Ярмошенко. Л. II. Медведев. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2014. - № 4. - С. 329-336.

2. Селезнев Л. Л. Изучение загрязнения г. Екатеринбурга с использованием отложений пониженных участков рельефа в качестве объекта исследования / Л. А. Селезнев. И. В. Ярмошенко // Экология урбанизированных территорий. - 2012. -№1. - С. 50-55.

3. Селезнев А. А. Современное состояние загрязнения радионуклидом l37Cs северной части Восточно-Уральского радиоактивного следа / А. А. Селезнев, Д. А.

Горчаков, Н. Н. Кузнецов, И. В. Ярмошенко, А. А. Екидин // Аппаратура и новости радиационных измерений. - 2010. -№ 4. - С. 48-52.

4. Селезнев А. А. Поверхностная локальная миграция b7Cs в условиях экосистемы города / А. А. Селезнев // Вопросы радиационной безопасности. - 2009. - №3. -С. 70-76.

5. Seleznev A. A. Accumulation of wCs in puddle sediments within urban ecosystem /

A. A. Seleznev, I. V. Yarmoshenko, A. A. Ekidin // Journal of Environmental Radioactivity. 2010.- 101 (8). - P. 643-646.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций

1. Селезнев А. А. Эколого-геохимическая оценка состояния городской среды на основе изучения отложений пониженных участков рельефа / А. А. Селезнев // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа -регионам», г. Екатеринбург (Уральская горнопромышленная декада). -2014. - С. 180.

2. Селезнев А. А. Современные техногенные отложения как индикатор экологического состояния урбанизированной среды. / А. А. Селезнев, И. В. Ярмошенко // Геохимия литогенеза: Материалы Российского совещания с международным участием. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН. - 2014. - С. 319-322.

3. Селезнев А. А. Радиометрическое датирование загрязнения фунтов городского ландшафта свинцом и цинком по содержанию в них U7Cs. / А. А. Селезнев. И. В. Ярмошенко. // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. Научный журнал. -

2012.-№4(21).-С. 78-82.

4. Селезнев А. А. Изучение загрязнения урбанизированной среды тяжелыми металлами на основе анализа загрязнения пониженных участков рельефа. / А. А. Селезнев, Е. А. Кочеткова, И. В. Ярмошенко, А. Н. Медведев // Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2011» и Школы молодых ученых. Архангельск. - 2011. - С. 316.

5. Селезнев A.A. Изучение миграции и накопления Cs-137 в условиях городского ландшафта на примере г. Екатеринбурга / А. А. Селезнев // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: сборник научных трудов под ред. канд. биол. наук

B. И. Мигунова, докт. биол. наук А. В. Трапезникова. - 2009. - Вып. 12. - С. 405-425.

6. Селезнев А. А. Локальная миграция и накопление Cs-137 в условиях городской экосистемы / А. А. Селезнев // Безопасность биосферы: сборник тезисов докладов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. - 2009. - С. 132.

7. Селезнев А.' А. Миграция и накопление Cs-137 в городской экосистеме / А.А.Селезнев// Пятая Юбилейная молодежная научно-практическая конференция «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы»: Тезисы докладов. - Озерск: «ПО «Маяк». - 2009. - С. 93-94.

8. Селезнев A.A. Изучение локальных особенностей загрязнения l37Cs природных и урбанизированных ландшафтов / A.A. Селезнев, Д.А. Горчаков, Н. Н. Кузнецов,

А. А. Екидин, И. В. Ярмошенко // XI-е между народное совещание «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии. Тезисы докладов, п. Агой, Краснодарский край. - 2009.

9. Селезнев А. А. Радиоцезий в городской экосистеме / А. А. Селезнев, И. В. Ярмошенко // Вестник Российской военно-медицинской академии. - 2008. -№3 (23).-2(1).-С. 198.

10. Селезнев А. А. Миграция и накопление Cs-137 в условиях городской экосистемы / А. А. Селезнев // Современные проблемы геофизики. Девятая Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник материалов. - Екатеринбург: УрО РАН. -2008.-С. 170-171.

П.Селезнев А. А. Изучение процессов миграции и аккумуляции Cs-137 в городских ландшафтах / А. А. Селезнев, И. В. Ярмошенко, А. А. Екидин // X Международное совещание «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии - 2007». Тезисы докладов. Колонтаево, Россия. - 2007. - С. 36.

12. Seleznev A. A. Heavy metals and arsenic contamination of urban environment using the sediments of relief depressed zones as the main object of the study. / A. A. Seleznev, E. A. Kochetkova, I. V. Yarmoshenko, A. N. Medvedev. // 13th biannual International Conference on Chemistry and the Environment ETH Zurich, Switzerland, Book of abstracts. — 2011.— P. 313.

13. Seleznev A. A. Investigation of l37Cs redistribution within urban ecosystem. / A. A. Seleznev; I. V. Yarmoshenko; A. A. Ekidin. // Proceedings of Third European IRPA Congress, Finland. - 2011. - P. 2518-2522.

14. Seleznev A. A. Investigation of puddle sediments as traps of l37Cs in urban landscape / A. A. Seleznev, I. V. Yarmoshenko, A. A. Ekidin. // The International Conference on Radioecology & Environmental Radioactivity - Bergen, Norway. - 2008. - P. 281-283.

15. Seleznev A. A. Study of urban puddle sediments for understanding heavy metal pollution in an urban environment / A. A. Seleznev, I. V. Yarmoshenko II Environment^ Technology & Innovation. 2014. - 1-2. - P. 1-7.

Подписано в печать 19.01.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак?з № 5248.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ У ПИ» г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, о£.2