Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий северной лесостепи Южного Урала

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий северной лесостепи Южного Урала"

На правах рукописи

УДК: 502.171

ГРАЧЕВА ИР АИДА ВИКТОРОВНА

Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий северной лесостепи Южного Урала

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

7 АПР 2011

Санкт-Петербург

2011

4841990

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

Научный руководитель: доктор педагогических наук, кандидат

геолого-минералогических наук, профессор Нестеров Евгений Михайлович

Официальные оппоненты: доктор географических наук Рянжин

Сергей Валентинович

кандидат географических наук Вдовец Марина Степановна

Ведущая организация: Государственное учреждение

«Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

Защита состоится «25» марта 2011 года в ^ часов на заседании Совета Д 212.199.26 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Российском государственном педагогическом университете имени 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 имени А.И. Герцена

Автореферат разослан <ЛУ ъф^^ОЛ^ 2011 г.

Ученый секретарь Совета

И.П. Махова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопрос загрязнения атмосферы является в настоящее время одним из самых актуальных. Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие различных производств, транспорта, промышленных и бытовых отходов на природную среду и человека.

Получил, детальную картину загрязнения атмосферного воздуха в городе весьма трудно из-за большого числа источников выброса и сложных закономерностей распространения загрязняющих веществ в условиях городской застройки. Снежный покров является удобным индикатором образования техногенных геохимических аномалий и надежным источником дашплх о возможном загрязнении почв, водоемов, растительности.

В промышленных городах северной лесостепи Южного Урала с неблагополучной экологической ситуацией, где отсутствуют систематические наблюдения за содержанием в атмосферном воздухе вредных веществ, исследование снегового покрова дает широкие возможности для качественной и количественной оценки загрязнения воздуха в предшествующий зимний период. Диссертационное исследование, таким образом, посвящено актуальной проблеме - оценке потоков загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду при интенсивном снеготаянии.

Объектом исследования является снеговой покров промышленных городов в пределах северной лесостепи Южного Урала.

Предмет исследования - особенности распределения загрязняющих веществ в составе талой воды и нерастворимой взвеси.

Целыо настоящей работы является выявление особенностей формирования комплексных геохимических аномалий иг территориях городов по данным снеговых съемок.

Основные задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Исследование особенностей химического состава снеговых проб, загрязнение которых сформировалось под воздействием различных типов источников выбросов.

2. Установление взаимосвязей между основными загрязняющими снеговой покров веществами.

3. Исследование особенностей пространственного распределения загрязняющих веществ по территории городов.

4. Оценка интенсивности потоков загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду при снеготаянии.

5. Выявление особенностей формирования комплексных геохимических

аномалий в снеговом покрове промышленных городов.

6. Разработка приемов зонирования территории в зависимости от интенсивности и структуры загрязнений.

Защищаемые положения:

1. Выявленные закономерности распределения загрязняющих веществ в снеговом покрове позволяют оптимизировать сеть отбора при проведении снеговых съемок.

2. Особенности территориального распределения показателей общей минерализации и кислотности снегового покрова обладают высокой информативностью и могут быть использованы в качестве диагностического признака состояния атмосферного воздуха.

3. Созданные автором моноэлементные и комплексные (полиэлементные) картосхемы загрязнения снегового покрова отражают особенности качественного состава загрязняющих веществ и интенсивность их поступления в окружающую среду.

4. Пространственный анализ формирования комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове промышленных городов позволяет осуществить зонирование территории по степени опасности для проживания населения.

Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных специалистов в области изучения атмосферы, химического состава атмосферных осадков, мониторинга снегового покрова и окружающей среды: С.М. Абдуллаева, В.А. Алексеенко, М.А. Андреевой, М.Е. Берлянд, A.A. Беуса, В.Н. Василенко, Н.Ф. Глазовского, Ю.А. Израэля, Н.С. Касимова, А.И. Перельмана, Б.А. Ревич, Ю.Е. Саета, Е.П. Сорокиной, А.И. Семячкова, JI.E. Черняевой и др.

Фактический материал п методы исследования. В диссертационной работе использованы авторские материалы, проанализированы данные предыдущих исследований. В основу диссертации легли результаты исследований снегового покрова на территориях промышленных городов и фоновых участков Челябинской области. Фактический материал обеспечивает статистически представительное количество отобранных и проанализированных снеговых проб. Отбор и подготовка проб к анализу производились в соответствии с разработанными методиками в сертифицированных лабораториях г. Челябинска, а также в учебных лабораториях экологического и физического факультетов Челябинского государственного университета

Научная новизна работы. Впервые за годы проведения мониторинга снегового покрова в одном из наиболее высокоиндустриальных районов страны выявлены особенности химического состава снеговых проб в зонах воздействия предприятий с различными источниками выбросов. Выявлены ассоциации элементов, типичные для различных видов производств, оценена степень интенсивности их поступления в окружающую среду. Дана количественная оценка растворимых солей и тяжелых металлов, поступающих при снеготаянии на поверхность земли. В результате обработки фактических данных построены моноэлементные карты и карты комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове городов Касли и Кыштым. Выявлены взаимосвязи между компонентами загрязнений снегового покрова. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и защищаемые положения, получены самим автором.

Обоснованность и достоверность результатов базируется на большом количестве исходных материалов; применении современных методов исследования вещества, принятых в системе геоэкологических исследований; использовании современных компьютерных технологий обработки аналитических материалов и представлении результатов.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в выявлении новых закономерностей поступления загрязняющих веществ в составе грубодисперсной взвеси и в растворенной форме, их соотношения в талой воде, создании пространственной модели распределения тяжелых металлов в снеговом покрове, сформировавшемся в зонах воздействия источников различных типов.

Практическая значимость. Созданная в результате работ по мониторингу загрязнения снегового покрова промышленных городов Челябинской области база данных позволяет использовать информацию об интенсивности потоков тяжелых металлов, поступающих в депонирующие среды (почвы, донные отложения, растительность) при весеннем снеготаянии, а также необходимую информацию для получения надежных данных о коэффициенте концентрации отдельных загрязняющих

веществ. Знание этого коэффициента позволяет решать две задачи. Во-первых, дать детальную количественную картину поля средних концентраций загрязняющих веществ. Во-вторых, исходя из структуры формирующихся геохимических аномалий, оптимизировать сеть пунктов отбора проб: разрядить или сгустить ее в отдельных районах городах.

Результаты исследований используются в учебном и научном процессах Челябинского государственного университета: включены в авторские учебные программы; применяются при чтении лекций, проведении практических занятий и полевых практик для студентов факультета экологии; являются частью программы научного развития кафедры природопользования по мониторингу атмосферы Челябинской области и прилегающих территорий.

Апробация работы н публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Региональной научно-практической конференции «Природное и культурное наследие Урала» (Челябинск, 2003); на Региональной научно-практической конференции «Проблемы гео1рафии Урала и сопредельных территорий» (Челябинск, 2004): на Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области» (Челябинск, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность и современные технологии» (Миасс, 2009).

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Цитированная литература содержит 77 наименований. Объем работы - 165 страниц, включая 48 рисунков и 31 таблицу, 20 приложений.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной 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 основных главах диссертации.

В первой главе «Природные особенности региона и краткая характеристика экологической ситуации в Челябинской области» наряду с физико-географическими особенностями Южного Урала рассматривается влияние природных факторов на экологическое состояние региона, дается анализ современного состояния природных сред региона.

Пространственное распределение основных источников загрязнения природной среды Южного Урала отражает особенности геологического строения территории. Так, например, только в Челябинской области известно более 650 месторождений полезных ископаемых (бурого угля, черных и цветных металлов, золота и стройматериалов), где действует около 200 горнодобывающих и перерабатывающих предприятий. Чрезвычайно интенсивное по масштабам и темпам использование местного и привозного минерального сырья (руд черных и цветных металлов, каменных углей, нефти, нерудных полезных ископаемых) является одной из основных причин неудовлетворительного состояния окружающей среды на Южном Урале и в Челябинской области. Особенности пространственного положения производственных комплексов на исследуемой территории способствуют быстрому разрастанию зон

техногенного воздействия, поскольку главные источники загрязнения находятся на повышенных участках рельефа и, что особенно важно, часто в истоках рек.

Высокая концентрация на территории Челябинской области экологически опасных производств (черной и цветной металлургии, химической и горнодобывающей промышленности, энергетики, машиностроения и др.) ведет к чрезвычайно высокому уровню техногенных нагрузок на водные объекты области, создавая опасность катастрофического загрязнения водной среды.

В межгорных долинах и котловинах горнолесной зоны, где расположены промышленные центры (Златоуст, Карабаш, Миасс, Верхний Уфапей и др.), наблюдается частое застаивание воздушных масс. В плохо проветриваемых межгорных понижениях с большой антропогенной нагрузкой происходит гибель лесов, водная эрозия и смыв почвы на склонах гор и другие негативные процессы. В условиях континентального климата в этих городах идет активное накопление загрязняющих веществ (в т.ч. в подвижной форме) в почве, в донных отложениях водоемов, в понижениях рельефа.

Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в г.г. Магнитогорск, Челябинск, Копейск, Троицк, расположенных в равнинном Зауралье, зависит не только от количественного и качественного состава промышленных выбросов, но зачастую и от неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), которые нередки в данной зоне. Такие метеоусловия замедляют эффективное рассеивание примесей и способствуют их накоплению на приземном уровне.

По данным «Комплексного доклада о состоянии окружающей природной среды Челябинской области в 2008 году» неблагоприятные метеорологические условия 2008 года (слабые ветры, приземные инверсии температуры и др.) способствовали сохранению повышенного уровня загрязнения воздуха, выраженного через индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), в промышленных городах Челябинской области:

Город ИЗА Характеристика

Челябинск 14,5 очень высокий

Магнитогорск 17,7 очень высокий

Златоуст 13,1 высокий

Карабаш 8,4 высокий

Накопление химических соединений в природной среде требует постоянного наблюдения за ее состоянием. Государственная сеть мониторинга загрязнения атмосферного воздуха на территории Челябинской области последние годы функционирует в трех наиболее крупных городах области - Челябинске, Магнитогорске, Златоусте. В остальных городах области подобные наблюдения не ведутся. В связи с этим исследования снегового покрова являются одним, а иногда и единственным методом контроля состояния атмосферного воздуха за предшествующий зимний период.

Во второй главе «Материалы и методы исследований» представлена общая схема проведения исследований, методика сбора и обработки информации, дан обзор изученности снегового покрова на территории Челябинской области. Снеговые съемки на территории Челябинской области в период с 1990 по 2010 гг. проводились согласно «Методическим рекомендациям по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами» в конце зимнего сезона (в конце февраля или начале марта) перед началом интенсивного снеготаяния на территориях городов Касли, Кыштым, Карабаш, Челябинск.

Аналитические методы включали в себя ряд обязательных для определения показателей снеговой воды: pli, Eh (в ряде случаев), основных анионов и катионов, общей минерализации (Табл. 1), количества нерастворимой взвеси, концентрации металлов. Все анализы с 1990 по 2006 гг. выполнялись в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов сравнения и контролировались параллельными определениями элементов несколькими аналитическими методами, а также данными внешнего и внутреннего контроля. В 2008-2010 гг. анализы выполнялись в лабораториях Челябинского государственного университета на физическом факультете и факультете экологии.

Основные требования к химико-аншштическим исследованиям при проведении геохимического картирования снежного покрова и почв связаны с необходимостью получения данных по максимально широкому комплексу химических элементов, формирующих зоны загрязнения. Для определения концентраций химических элементов в пробах использовались эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный, химический и потенциометрический методы анализов по стандартным методикам.

Таблица I

Общая минерализация снеговой воды в промышленных городах Челябинской области

Город К-во проб Минерализация (мг/л) Основные источники воздействия

Мин. Макс. Ср.

Карабаш, 2000 66 20,0 125,7 46,5 Цветная металлургия

Кыштым, 1992 95 14,5 202,0 46,6 Цветная металлургия, Машиностроение

Касли, 1993 64 16,1 260,0 48,0 Машиностроение

Челябинск, 2008 135 18,3 234,6 63,8 Черная и цветная металлургия, машиностроение, ТЭЦ

Свежевыпавшие осадки (в среднем по Уралу) за период 1993-2001 г.г.

Теплый период 36,10 Зоны промышленных территорий

Холодный период 45,70

Теплый период 23,4 Зоны преимущественно сельскохозяйственного освоения

В ходе лабораторных исследований определялись концентрации тяжелых металлов 1-го, 2-го и 3-го классов опасности. Определялись также основные водорастворимые ионы - сульфаты, хлориды, нитраты, нитриты, гидрокарбонаты (Табл. 2) и другие показатели. На основе результатов химического анализа проб создана база данных по загрязнению снегового покрова городов, частично представленная в приложениях к тексту диссертации. Критериями оценки загрязнения снегового покрова послужили фоновые параметры.

Статистическая обработка результатов осуществлялась по каждому городу отдельно. Статистический анализ твердой (нерастворимой) фракции и фильтрата также проводился раздельно. В ходе регрессионного анализа выявились взаимосвязи между отдельными компонентами (Рис. 1).

Наряду с исследованием содержаний отдельных химических элементов в отобранных пробах проводился анализ распределения ассоциаций химических элементов - групп элементов, обнаруживаемых в составе талой воды и пыли в количестве, отличном от фонового уровня.

Количественной мерой ассоциации являлся суммарный показатель загрязнения (СПК), представляющий собой сумму превышений коэффициентов концентраций над единичным (фоновым) уровнем, который вычислялся по формуле:

гс= 2 (С,- -Сф)1Сф+1 = ХКс - (п-1),

где ХКс - сумма коэффициентов концентрации загрязнителей, п - число химических элементов, входящих ассоциацию загрязнителей, С, - аномальное содержание, Сф - фоновое содержание. (Ревич и др., 1982).

Таблица 2

Химический состав твердых осадков и снеговой воды в урбанизированных зонах

БО/ исо3 СТ цда'+ш3-) Са2ц" М« Химическая формула**

Уральский регион 13,7 11,0 3,7 0,7 6,4 1,7 5,0 45,7 НСОзЩ) Са2+(22)

Касли 5,3 4,9 14,6 2,7 2,8 2,0 3,0 47,9 СГ(25) Са2+(16)

Кыштым 15,6 6,3 6,6 1,5 5,0 2,8 5,1 46,6 8042Х23) Мё2+(20)

Карабаш 23,4 11,0 1,6 Не опр. 3,0 4,2 1,0 46,4 80/(30) НСО,Т281 Са2+(17)

! М - общая минерализация; **в пересчете на %-эквивалент

к Я'

» 59 -№

50/!мг/л>

50/ (мг/л)

Рис. 1. Зависимость общей минерализации от концентрации в снеговой воде (мг/л) сульфат-ионов в г. Карабаш (слева); в городе Касли (справа).

Для визуального представления полученных результатов загрязнений снегового покрова применялся метод построения карт изолиний по данным химических анализов в точках опробования. Характер распределения загрязнения снегового покрова на изучаемой территории отразили моноэлементные карты.

Результатом анализа полиэлементных карт (ассоциаций сонахождения) явилось обобщение количественных показателей вещественного состава выбросов предприятий. Выбор сечения изолиний осуществлялся в зависимости от характера

распределения элементов-загрязнителей. Для их построения был выбран программный продукт «Surfer», позволяющий достаточно точно отразить распределение загрязнений снегового покрова в точках отбора. С его помощью были построены карты пространственных распределений значений рН, основных ионов, минерализации снеговой воды, концентраций тяжелых металлов, карты превышений фона (Кс), показателей суммарного загрязнения.

В выявленных аномалиях нами исследовались приоритетные ингредиенты -тяжелые металлы, оказывающие наиболее неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Для фиксации зоны неблагоприятного воздействия изучались типоморфные ингредиенты (элементы-индикаторы), характерные для участков с различными типами источников загрязнения.

Анализ пространственного распределения послужил основой для выявления зон с различной степенью загрязнения, в пределах которых загрязняющие вещества достигают повышенных содержаний относительно местного геохимического фона.

В третьей главе «Особенности химического состава снегового покрова урбанизированных территорий» представлены результаты исследований.

Одним из важнейших требований при решении геоэкологических задач является комплексный подход к анализу разнообразных фактических данных. Для оценки интенсивности потоков загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду при снеготаянии, были установлены количественные характеристики загрязнения снегового покрова тяжелыми металлами, дан анализ пространственного распределения загрязняющих веществ. Выявлены взаимосвязи между компонентами химического состава проб, рассчитаны коэффициенты концентрации тяжелых металлов в снеговой воде относительно местного фона, показаны особенности формирования комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове промышленных городов Челябинской области.

Техногенное преобразование окружающей среды через потоки металлов в составе выбросов промышленных предприятий - один из актуальных вопросов. В талой воде, находящейся в равновесии с углекислым газом атмосферного воздуха, соединения металлов подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости. Так, например, оксид цинка - наиболее стабилен и менее растворим по сравнению с оксидами свинца и кадмия. А в целом в пыли водорастворимые фракции цинка составляют 1,3 %, кадмия - несоизмеримо выше: 26,0 % (Исидоров, 2001).

В Челябинской области способность тяжелых металлов к выщелачиванию из пыли исследовалась на примере Карабашского медеплавильного комбината (КМК) методом постадийных вытяжек. Результаты исследования свидетельствуют о преобладании прочносвязанных форм тяжелых металлов в составе пылевой компоненты.

Решающим фактором для оценки степени эколого-токсикологической опасности выпадающей пыли является не малый процент легко извлекаемых форм, который составляет от 5 % для РЬ до 27 % для Си, а огромные валовые концентрации металлов в пыли. Так, 5 % подвижных форм для свинца составят в абсолютном выражении 500 мг/кг (Удачин, 2000).

Способность элементов к выщелачиванию из твердых образований и пыли исследовалась на Урале и А.И. Семячковым. Автор выявил, что в составе пылевой компоненты растворимость черных металлов по сравнению с цветными ниже, а наибольшей растворимостью обладают кобальт, медь и ванадий.

По результатам анализов, проведенных А.И. Семячковым (Семячков, 2001), выявилось, что нерастворимые и растворимые формы металлов в снеговой воде наиболее тесно связаны у кобальта (R = 0,8) и ванадия (R = 0,78), что, по мнению

автора, указывает на хорошую способность к выщелачиванию этих элементов и их высокую миграционную способность. Таким образом, минеральная форма элемента в составе пыли является важным обстоятельством, поскольку от нее зависит способность к растворению в холодной воде.

В отличие от многих загрязняющих веществ, химические элементы не включаются в процессы самоочищения: в ходе миграции меняется лишь уровень содержания или формы нахождения. Включаясь во все типы миграций и биолопгческий круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воды, воздуха, пшци.

Механизмы выведения химических элементов из транспортирующих потоков в депонирующие природные среды обусловлены, прежде всего, формами нахождения химических элементов в этих потоках (Сает, 1990). При анализе особенностей образования техногенной аномалии за счет выпадений из атмосферы также очень важны представления о формах нахождения химических элементов и прежде всего о соотношении растворенных и взвешенных форм.

Анализ соотношений растворенных и взвешенных форм химических элементов в снеговом покрове г. Карабаш выявил высокую степень неоднородности доли растворимой формы в снеговой воде (Табл. 3).

Таблица 3

Доля растворенной формы металлов в составе талой воды (%)

Си Хп РЬ С<1 Мп Со №

г. Карабаш

Минимум > 0,01 0,10 0,00 0,08 0,03 0,01 0,01

Максимум 0,36 2,56 0,41 7,62 0,68 0,50 0,27

Среднее 0,11 0,78 0,11 1,07 0,28 0,17 0,13

Станд. Откл. 0,09 0,45 0,08 0,87 0,12 0,09 0,07

Среди исследуемых элементов самая высокая доля растворимой формы отмечается у кадмия, за ним следуют цинк, медь и марганец. Наиболее растворимыми минеральными образованиями пылевых выпадений являются сульфаты металлов. Результаты анализа степени зависимости между концентрациями сульфат-иона и концентрациями растворенных металлов показаны в Таблице 4 и Рис. 2.

Таблица 4

Зависимость между концентрациями сульфат-иона и концентрациями ионов металлов

в снеговой воде

Город Коэффициент корр. между БО/" и ионами металлов

Си гп РЬ са Мп № Со

Карабаш 0,23 0.73 0,42 0.90 0,85 0.84 0,53

о адг 3.04 а.об о.о$ од 0.12 Конценграшш нонов здашя (мг/д)

Рис. 2. Зависимость между концентрациями сульфат-иона и ионами металлов в талой воде г. Карабаш

Тесная связь наблюдается между сульфат-ионом и почти всеми исследуемыми металлами, причем наиболее высокая степень зависимости между концентрациями в растворенной форме и сульфат-ионом отмечается у кадмия.

В ходе исследования выявилось также, что доля растворимой формы металлов не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от массы пыли и расстояния от источника (Рис. 3, 4,).

2.00

с"

« 1.50

В

§

а 1.оо

0.00

..............з.. А.»*........*<Г*.......*.*...

.............................

1000 ¿000 3000 4000 5ООО 6ЭС0 Расстояние огпоючши (км)

Рис. 3. Изменение веса пыли в пробах по мере удаления от медеплавильного комбината г. Карабаша (с подветренной стороны)

Таким образом, в дальней зоне воздействия предприятия (в структуре потоков металлов поступающих в окружающую среду) доля элементов в растворенной форме начинает расти на расстоянии 2-3 км.

Выявление корреляционных связей в составе пылевых выпадений позволяет считать, что при изучении структуры загрязнения депонирующих сред городов необходимо изучение более широких ассоциаций металлов, загрязняющих атмосферный воздух.

Анализ коэффициентов корреляции свидетельствует о различной степени зависимости между элементами. Так, например, сильная корреляционная зависимость характерна для целой группы элементов (Я>0,8): медь, марганец, кобальт, никель, ванадий, молибден. Тесная связь (К от 0,6 до 0,8) установлена для свинца, марганца, никеля и хрома. В результате анализа выявились типичные ассоциации металлов, характерные, например, для пылевых выбросов машиностроительного предприятия г. Касли (Табл. 5).

Изучение химического состава пыли дает исключительно важные данные для эколого-геохимической оценки опасности производства. Химический состав пыли анализировался нами по отдельным участкам городов с целью выявить различия в распределении металлов в составе взвеси в зависимости от характера производства.

Так, химический состав пыли г. Кыштыма, насыщенного большим количеством предприятий, неоднороден и, поскольку самым мощным градообразующим предприятием здесь является Кыштымский медеэлектролитный завод (КМЭЗ), в структуре пыли широко представлена медь. Особенно значительное содержание (54 %) меди отмечается на участках 1 и 6, находящихся к юту и к северу от завода.

Расстояние отисточника (м)

Р1сстолнаеогис-1сгника(м5

Рис. 4. Изменение доли растворимой формы по мере удаления от источника (по

Удачину, 2000)

Таблица 5

Ассоциации элементов в снеговой пыли г. Касли

Элемент Си Ъл РЬ СИ Мп Со № Сг V Мо

Сильная* РЬ, Мп, Со, №, V, Мо - Си - Си, Со, №, V, Мо Си, Мп, V, Мо Си, Мп, Со, V, Мо - Си, Мп, Со, №, Мо Си, Мп, Со,

Тесная** га Си, РЬ, Со,№ Мл, Со, №, V, Мо, Ад Аз РЬ, Сг гп, Сг РЬ, Сг Си, Мп, Со,№ РЬ, Сг РЬ, Мп, Сг, V

* коэффициент корреляции >0,8; ** коэффициент корреляции от 0,6 до 0,8.

Таким образом, формирование техногенных штоков и ореолов рассеяния во многом связано с характером распределения твердых взвешенных частиц. Этот вывод касается, прежде всего, территорий, обрамляющих источники выбросов так называемой «ближней» зоны выпадений, наиболее опасной с экологических позиций. Различие характера выпадений в ближней и дальней зонах в конкретных условиях нуждается в уточнении. Также мало надежных данных по балансам распределения материала (соотношения растворимых и нерастворимых форм) в составе снеговой воды, что имеет важное экологическое значение.

Полученные нами и другими авторами корреляционные зависимости между элементами могут служить основой для определения мощности и структуры потоков поступления металлов в твердой и растворенной форме, прогноза дальнейшего загрязнения окружающей среды и зонирования территорий по интенсивности аномальных концентраций элементов, опасности для проживания населения и риска возникновения заболеваний.

Установленные соотношения между металлами позволяют определить уровни их поступления в депонирующие среды и выявить территории, где с большой степенью вероятности могут быть обнаружены превышения предельно-допустимых концентраций металлов в атмосферном воздухе.

Наличие корреляционных связей в составе пыли свидетельствует о наличии ассоциаций тяжелых металлов и может служить основой для пространственной дифференциации структуры загрязнения окружающей среды, сутью которой является оконтуривание на местности геохимических аномалий.

Ассоциации элементов, выявленные в составе пылевых выпадений в г. Касли, сохраняются, в основном, и в структуре геохимических аномалий. Основная зона загрязнения, сформировавшаяся под воздействием выбросов машиностроительного завода, зафиксирована на моноэлементных и комплексных (полиэлементных) картосхемах и отражает особенности качественного состава загрязняющих веществ и интенсивность их поступления в окружающую среду (3-е защищаемое положение).

Установление пространственной структуры загрязнения показало, что в радиусе 2-х километров от завода формируются две различные по интенсивности зоны загрязнения (Рис. 6). Для ближней к заводу зоны (в радиусе 1 км) характерны относительно невысокие коэффициенты концентрации по всем металлам (за исключением молибдена): Кс от 2,5, у свинца до 6, у кобальта (Рис. 5).

Рис. 5. Коэффициенты концентрации (Кс) металлов относительно местного геохимического фона в ближней (I) и дальней зонах влияния машиностроительного

завода г. Касли

Формирование этой зоны вызвано наличием пыли различного фракционного состава: крупнодисперсной пыли, удаляемой через невысокие источники, которая оседает вблизи территории завода. Крупнодисперсная пыль, по-видимому, в большей степени обогащена кальцием и магнием, чем тяжелыми металлами, о чем свидетельствуют более высокие значения рН снеговой воды.

Выбросы из высоких источников (газообразные вещества, мелкодисперсные аэрозоли, имеющие меньшую скорость оседания) формируют ореол загрязнения в дальней от завода (до 2 км) зоне. Для ореола загрязнения дальней зоны характерны более высокие коэффициенты концентрации по всем элементам за исключением кадмия. Подтверждением тому, что этот участок также подвержен влиянию машиностроительного завода, является сходный химический состав пыли.

Между ближней и дальней зонами загрязнения фиксируется небольшая по протяженности (не более 500 м) область более низких значений коэффициентов концентрации всех элементов. Таким образом, происходит формирование двух типов геохимических аномалий вблизи источника: ближняя зона, обширная по плошади, с относительно невысоким превышением фоновых концентраций, и дальняя более интенсивная, но меньшая по площади распространения (Рис. 6).

Формирование общей пространственной структуры загрязнения снегового покрова в целом подчиняется выявленным закономерностям и в г. Кыштым, но, под воздействием большого количества крупных источников выбросов, потоки тяжелых металлов, поступающие в окружающую среду, намного интенсивнее, а структура загрязнения территории города более сложная. Контуры аномалий более извилистые, зоны воздействия предприятий, находящихся на одной линии по отношению к направлению господствующих ветров, перекрываются, и, как следствие, происходит эффект суммирования выбросов. Как и в г. Касли, наиболее интенсивные потоки металлов характерны для дальней от машиностроительного завода зоны (Рис. 7).

Основные зоны аномальных концентраций тяжелых металлов территориально совпадают с ореолами повышенных значений показателей общей минерализации и рН. И поскольку методы их определения довольно просты и не требуют затрат значительных материальных и трудовых ресурсов, то возможно их использование в качестве диагностического признака состояния атмосферного воздуха, до проведения масштабных комплексных исследований (второе защищаемое положение).

Рис. 6. Схема зонирования территории г. Касли по степени интенсивности потоков металлов. В контурах аномалий в скобках показаны коэффициенты концентрации относительно местного геохимического фона. Римскими цифрами показан тип аномалии: I -аномалия ближней зоны от высокого источника выбросов; II -аномалия дальней зоны от высокого источника выбросов; III -аномалия ближней зоны от невысокого источника выбросов

Рис. 7. Схема зонирования территории г. Кыштым по степени интенсивности потоков металлов. В контурах аномалий в скобках

показаны коэффициенты концентрации относительно местного геохимического фона. Тип аномалии: I - аномалия ближней зоны; II - аномалия дальней зоны; Ша - аномалия ближней зоны от невысокого источника выбросов с подветренной стороны; Шб -то же с наветренной стороны

ЛаСЗ». МмРУ-Oii. рь.. сцш

ГИ.ЛВар)»}.

X. CY.Mndfll ' > 9ЬОЮ Un.C4.Ato5«!

•ViTWT)

¡Сш. CW7SÍ

СЩЩ, ЛмГ% i

ЧЯ*. "41. ОпРЮ)'

Таким образом, в результате установления пространственной структуры загрязнения снегового покрова решается одна из важнейших прикладных геохимических задач - дифференциация территории промышленных городов по степени экологической опасности для проживания населения (4 защищаемое положение).

Максимумы твердых выпадений в составе крупнодисперсной пыли, как правило, приурочены к называемой «ближней» зоне воздействия источника. Но периферийная часть ореолов часто выходит за границы санитарно-защитной зоны предприятий. Выявленные закономерности позволяют оптимизировать сеть отбора при опробовании снегового и почвенного покровов урбанизированных территорий (1 защищаемое положение).

В четвертой главе «Техногенное воздействие на компоненты природной среды и здоровье населения» дан анализ современного состояния природной среды в промышленных городах Челябинской области в зоне северной лесостепи. Представлена информация по современному состоянию поверхностных вод, почв, растительности, находящихся под влиянием промышленных предприятий на территориях городов, где проводились исследования снегового покрова. Так, водоемы и водотоки, расположенные в черте г. Кьплтыма подвергаются негативному воздействию промышленных объектов прямо или опосредованно. Наиболее загрязненными являются оз. Карпинка и Мареева речка. Качество их воды относится к V классу и характеризуется как «грязная». Весомый вклад в загрязнение вносят входящие в состав выбросов и сбросов Кыштымского медеэлектролитного завода медь и цинк.

Почвы и грунты урбанизированных территорий северной лесостепи, аккумулируя элементы, наиболее точно характеризуют антропогенное загрязнение. Таким образом, в почве как долговременной депонирующей среде отражаются процессы загрязнения, как в прошлом, так и в настоящем. При сопоставлении снеговой и почвенной съемок в промышленных городах выявлено пространственное совпадение геохимических аномалий, что подтверждает их техногенное происхождение.

Факторы загрязнения природной среды формируют устойчивую неблагоприятную демографическую ситуацию Челябинской области. Практически все города области имеют отрицательный показатель естественного прироста населения. Основными причинами роста смертности населения в области являются заболевания сердечнососудистой системы, органов дыхания и пищеварения, злокачественные новообразования.

В Заключении автор приводит основные выводы и результаты по теме диссертационного исследования:

1. Формирование химического состава снегового покрова наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, их взаимным расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. Одним из показателей, отображающих загрязнение атмосферных осадков, является суммарное накопление макрокомпонентов в снеговой воде - общая минерализация. В промышленных городах, вокруг предприятий формируются участки с аномально высокими значениями показателя обшей минерализации до 100 мг/л и выше. Величина общей минерализации контролируется в основном концентрацией сульфат-иона.

2. Перераспределения основных ионов в общей минерализации влечет за собой изменение класса снеговой воды с естественного зонального сульфатно-

гидрокарбонатного типа на гадрокарбопатно-сульфатный в Карабаше, сульфатный в Кыштыме и хлоридный в г. Касли.

3. В ходе анализа пространственного распределения основных ионов выявились следующие закономерности: четкая приуроченность участков с повышенными концентрациями основных ионов к зонам воздействия предприятий; наиболее высокие значения превышения пад фоном имеют гидрокарбонаг-ионы и ионы кальция (К,, до 10-15). изолинии, ограничивающие контура ореолов с высокими значения Кс сульфат-, гидрокарбонат-ионов, ионов кальция и магния, пространственно совпадают и указывают на общий источник их поступления.

4. В целом, средние значения концентраций макрокомпонептов снеговой воды превышают таковые в химическом составе атмосферных осадков фоновых территорий Уральского региона, что служит свидетельством высокого уровня загрязнения воздуха в промышленных городах Челябинской области;

5. Преобладание сульфат-иона в химическом составе снеговой воды городов Челябинской области не приводит к снижению величины водородного показателя, а реакция среды в среднем по городам носит слабощелочной и щелочной характер. На изменение показателя кислотности снеговой воды в сторону щелочности оказывает влияние повышенные значения ионов Са2+ и НС03'. Контура «очагов» со значением рН выше 7,5 пространственно совпадают с изолиниями концентраций ионов кальция в 40 мг/л и повышенными значениями общей минерализации 100-200 мг/л.

6. Исследование особенностей минералогического состава, ассоциащш химических элементов и их концентраций относительно местного фона показывает, что наиболее часто встречающееся «сонахождение» тяжелых металлов определяется типом источника воздействия и схожие производства имеют близкий компонентный состав пылевых выпадений. Соотношение форм тяжелых металлов (растворимая или нерастворимая) в снеговом покрове промышленных городов изменяется в пространстве (при удалении от источника доля растворимых форм увеличивается).

7. Анализ пространственной структуры загрязнения снегового покрова тяжелыми металлами, дифференцирующей территорию городов по степени экологической опасности показал, что в пределах городов формируются геохимические аномалии разного типа, различающиеся между собой как по площади распространения, так и по интенсивности.

III. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Грачева И.В. Минерализация и кислотно-щелочные свойства снегового покрова промышленных городов Челябинской области // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. - 2010. -№ 135. - С. 112-117 (0,4).

2. Грачева И.В., Зарина Л.М., Нестеров Е.М. Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий // Ж. «Вестник МАНЭБ. Научно-технический журнал Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности». - Т.15. - №5. - 2011 (январь). - С.29-41 (1,5/1,0).

3. Грачева И.В., Абдуллаев С.М., Сапельцева Ю.А. и др. К вопросу о региональном и локальном уровне загрязнении атмосферы // Вестник Челябинского государственного университета Экология и природопользование. - Вып. 4. -№ 8/2010. - С. 5-10 (0,6/0,2).

4. Грачева И.В. Предварительная оценка характера распределения металлов халькофильной группы в снеговом покрове г. Челябинска // Сб. материалов

Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность и современные технологии». - Миасс: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. 59-72 (0,8).

5. Грачева И.В., Плохих H.A. Экологическое значение природного геохимического поля Челябинской области // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области». 7-8 декабря 2005. - Челябинск, 2005.-С. 187-191 (0,3/0,2).

6. Грачева И.В., Плохих H.A. Геохимические аномалии Южного Урала как экологический фактор // Материалы международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование». - СПб., 2003. ~ С. 65-67 (0,2/0,1).

7. Грачева И.В., Плохих H.A. Динамика состояния атмосферы в Челябинске по данным снеговых съемок // Металлогения древних и современных океанов -2004. Достижения на рубеже веков. Т. П. - Миасс, 2004. - С. 226-228 (0,2/0,1).

8. Грачева И.В., Плохих H.A. Новое в изучении геохимического и радиационного полей Челябинской области // Материалы I региональной научно-практической конференции «Природное и культурное наследие Урала». - Челябинск, 2003. -С.7-8 (0,2/0,1).

9. Грачева И.В., Плохих H.A. Снеговые съемки Челябинска // Материалы региональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». - Челябинск, 2004. - С. 36-38 (0,2).

10. Грачева И.В., Плохих H.A., Шаргородский Б.М. Природные экзогенные процессы в геологической среде Челябинской области // Вестник Челябинского государственного университета. Серия 12: Экология и природопользование. -№ 1/2005.-Челябинск, 2005.-С. 114-125(0,7/0,3).

11. Грачева И.В., Ахметчина C.B. Экотуризм как средство сохранения природно-культурного наследия // Сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2006. С. 23-25 (0,2/0,1).

12. Грачева И.В., Новикова A.B. Экологический каркас территории как способ сохранения уникальных природных комплексов // Сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2006. С. 25-27 (0,2/0,1).

13. Грачева И.В. Использование метода логического структурирования текста в преподавании экологии // Материалы международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности. — Комсомольск-на-Амуре, 2007. - С. 501-504 (0,3).

14. Грачева И.В. Выявление техногенных аномалий методом снеговой съемки // Сб.науч. тр.-в «Геология. Геоэкология. Эволюционная география» / под ред. Е.М. Нестерова. T. X. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2010. - С. 120124 (0,3).

Подписано в печать 25.01.2011. Формат 60/841/16. Бумага офсетная. Печать ризограф. Усл.печ.л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № 045. Отпечатано в издательско-полиграфическом центре «Эпиграф». Санкт-Петербург, Южное шоссе, 56-а.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Грачева, Ираида Викторовна, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.И. ГЕРЦЕНА»

Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий северной лесостепи Южного Урала

Специальность 25.00.36 — Геоэкология (Науки о Земле)

04201103267

На правах рукописи

Грачева Ираида Викторовна

диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕГИОНА И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ НА ЮЖНОМ УРАЛЕ.......................................12

1.1. Физико-географические условия......................................................................12

1.2. Особенности циркуляционных процессов и климата....................................21

1.3. Особенности химического состава атмосферных осадков региона..............31

1.4. Характеристика экологической ситуации.......................................................40

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................45

2.1. Подготовительные работы................................................................................46

I

2.2. Полевые работы..................................................................................................51

2.3. Камеральная обработка....................................................................................52

2.4. Статистическая обработка результатов...........................................................54

2.5. Обработка геохимических данных...................................................................54

2.6. Картографирование результатов исследования..............................................57

3. ОСОБЕННОСТИ ГЕОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СНЕГОВОГО ПОКРОВА

.........................................................................................................................................59

3.1. Общая минерализация и ионный ¿остав..............................................................59

3.1.1. Показатель общей минерализации..................................................59

3.1.2. Распределение анионов и катионов в общей минерализации......64

3.1.3. Анализ взаимосвязей между ионами..............................................68

3.1.4. Пространственная структура распределения основных ионов.... 72

3.1.5. Оценка интенсивности поступление солей....................................76

3.2. Кислотно-щелочные свойства...........................................................................77

3.3. Закономерности распределения тяжелых металлов.......................................85

3.3.1. Минералогический состав пылевых выпадений..........................................86

3.3.2. Формы нахождения тяжелых металлов в составе снеговой воды.............92

3.3.3. Ассоциации элементов в составе пыли.........................................................99

3.3.4. Химический состав пыли.............................................................................108

3.4. Формирование комплексных аномалий в снеговом покрове......................116

) _

3.4.1. Пространственная структура загрязнения г. Касли...................................118

3.4.2. Пространственная структура загрязнения г. Кыштым..............................128

4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ И ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ...............137

4.1. Воздействие на водные объекты.....................................................................138

4.2. Воздействие на почвенный покров................................................................139

4.3. Воздействие на растительный и животный мир...........................................145

4.5. Влияние на здоровье населения......................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................,......................................................................149

РЕКОМЕНДАЦИИ......................................................................................................152

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Вопрос загрязнения атмосферы является в настоящее время одним из самых актуальных. Глобальная роль атмосферы определяет особую ответственность всех государств за сохранение ее состава и предотвращение загрязнения воздушной среды, которое может отрицательно сказаться на развитии биосферы в целом.

Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, их расположением, мощностью и качественным составом выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на природную среду и человека различных производств, транспорта, промышленных и бытовых отходов, и в настоящее время достигает пределов, опасных для жизни и здоровья человека. При этом загрязнители не только действуют индивидуально, но и оказывают комплексное воздействие на окружающую среду [49]:*

Получить детальную картину загрязнения атмосферного воздуха в городе весьма трудно из-за большого количества источников выброса и, сложных закономерностей распространения загрязняющих веществ в условиях городской застройки.

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха в городах в настоящее время осуществляются на сети стационарных пунктов и с помощью передвижных автолабораторий. Необходимость значительных материальных и людских ресурсов заставляет ограничиваться достаточно редкой сетью, созданием ее в основном в крупных городах. В городах с плоским рельефом обычно ограничиваются одним стационарным пунктом на площади 10-15 км2, что дает, только грубую картину поля загрязнения атмосферного воздуха [15]. В условиях пересеченной местности, даже при равномерном распределении источников

выбросов по территории города, эта сеть оказывается недостаточной и при заметном увеличении числа пунктов.

В настоящее время вокруг промышленных предприятий образовались и постоянно расширяются техногенные аномалии — участки с повышенным содержанием свинца, меди, цинка, и др. элементов, средний их уровень во много раз выше, чем в природных ландшафтах.

Выявление техногенных аномалий является одной из важнейших эколого-геохимических задач при оценке состояния окружающей среды- города. Одним из методов установления контуров таких аномалий» является мониторинг снегового покрова. В этом смысле, снежный покров — надежный индикатор загрязнения, поскольку он консервирует весь объем выпадений из атмосферы за зимний период. Различают свежевыпавший снег, по существу отражающий химический состав атмосферных осадков, и снежный покров как своеобразную горную породу, состоящую из кристаллов снега, льда, воды, водяных паров> воздуха. Основными факторами различия между химическим составом снегового покрова и свежевыпавших как твердых атмосферных осадков (снега) являются:

а) содержание различных химических примесей за счет сухих выпадений;

б) поглощение снежным покровом различных газов из воздуха и потерей некоторых примесей за счет испарения;

в) количеством оседающих из воздуха различных растворимых веществ;

г) взаимодействием покрова с воздухом почвы и грунтов;

д) ветровой деятельностью (перемешивание);

е) деятельностью промышленных предприятий.

Количество вредных веществ, остающихся в городе после снеготаяния, представляет собой разность количеств веществ, содержащихся в снежном покрове и унесенных снеговыми водами. Таким образом, исследование загрязнений снега в городе оказываются практически единственным надежным источником данных о дальнейшем формировании геохимических аномалий в почвах.

В настоящее время контроль за загрязнением снегового покрова осуществляется на 645 метеостанциях страны, где определяют ионы сульфата, нитрата, аммония, общую минерализацию, значения рН, тяжелые металлы и другие токсичные вещества [27].

Необходимость проведения исследований снегового покрова связано еще и с тем, что атмосферные осадки не 'только отражают состояние атмосферного воздуха, но и являются составляющей баланса поверхностных вод, оказывают влияние на состояние почв, растительности, грунтовых вод.

Для поверхностных вод практически вся территория города оказывается источником загрязнения. Наиболее интенсивное загрязнение вод происходит во время снеготаяния и в периоды дождей. В отличие от организованных источников городская территория не контролируется специально как потенциальный источник, возникающий в результате накопления на ней загрязняющих веществ, включая -выпадения их из атмосферы. Вклад этого источника устанавливался только постфактум после смыва загрязняющих веществ в водоемы.

Экологическая ситуация в городах Челябинской области остается острой на протяжении многих десятилетий. Сеть наблюдений за атмосферными осадками в Челябинской области довольно редкая, а постоянные наблюдения за состоянием атмосферного воздуха ведутся лишь в трех крупных городах — Челябинске, Магнитогорске и Златоусте с численностью населения более 300 тыс. человек [2].

В небольших промышленных городах с хронически неблагополучной экологической ситуацией (гг. Карабаш, Кыштым, Миасс, Касли и др.), где отсутствуют непосредственные наблюдения за содержанием в атмосферном воздухе вредных веществ, исследбвание снегового покрова дает широкие возможности для оценки состояния атмосферы в зимний период и выявления участков, наиболее подверженных техногенному загрязнению. Подобные исследования необходимы для обобщения сведений об интенсивности потоков загрязняющих веществ, поступающих в объекты окружающей среды.

Цель диссертации

Выявление особенностей химического состава снегового покрова и особенности формирования комплексных геохимических аномалий на территориях промышленных городов.

Основными задачами работы являлось:

1. Исследование особенностей химического состава снеговых проб, загрязнение которых сформировалось под воздействием различных типов источников выбросов.

2. Установление ■ взаимосвязей между основными загрязняющими снеговой покров веществами.

I

3. Исследование особенностей пространственного распределения загрязняющих веществ по территории городов.

4. Оценка интенсивности потоков загрязняющих веществ, поступающих , в окружающую среду при снеготаянии.

5. Выявление особенностей формирования комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове промышленных городов.

6. Разработка приемов зонирования территории в зависимости от интенсивности и структуры загрязнений.

Научная новизна

Впервые за годы проведения мониторинга снегового покрова проведен сравнительный анализ химического состава снеговых проб в зонах воздействия предприятий с различными источниками выбросов. Выявлены ассоциации элементов, типичных для различных видов производств, степень интенсивности их поступления окружающую среду. Дана количественная оценка поступающих при снеготаянии на поверхность земли солей. Построены моноэлементные и карты комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове городов Касли и Кыштым. Выявлены взаимосвязи между компонентами загрязнений снегового покрова.

Защищаемые положения

1. Выявленные закономерности распределения загрязняющих веществ в снеговом покрове позволяют оптимизировать сеть отбора при проведении снеговых съемок.

2. Особенности территориального распределения показателей общей минерализации и кислотности снегового покрова обладают высокой информативностью и могут быть использованы в качестве диагностического признака состояния атмосферного воздуха.

3. Созданные автором моноэлементные и комплексные картосхемы загрязнения снегового покрова отражают особенности качественного состава загрязняющих веществ и интенсивность их поступления в окружающую среду.

4. Пространственный анализ формирования комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове промышленных городов позволяет осуществить зонирование территории по степени опасности для проживания населения.

Практическая значимость

Созданная в результате работ по мониторингу загрязнения снегового покрова промышленных городов Челябинской области база данных, позволяет использовать информацию об интенсивности потоков тяжелых металлов в депонирующие среды (почвы, донные отложения, растительность) при. весеннем снеготаянии, а также дает необходимую информацию для получения' надежных данных о коэффициенте концентрации отдельных загрязняющих веществ по сравнению с фоном. Знание этого коэффициента позволяет решать две задачи. Во-первых, дать детальную количественную картину поля средних концентраций загрязняющих веществ. Во-вторых, исходя из структуры формирующихся геохимических аномалий, оптимизировать сеть пунктов отбора проб: разрядить или сгустить ее на отдельных участках города.

На основе материалов исследований разработаны практические задания-для студентов; обучающихся на факультете экологии Челябинского государственного университета по специальности 020802 — эколог-природопользователь, полученные результаты используются при проведении занятий по дисциплине «Геохимия окружающей среды».

Апробация работы результаты исследований по теме диссертации докладывались на Региональной научно-практической конференции «Природное и культурное наследие Урала» (Челябинск, 2003); на Региональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (Челябинск, 2004); на Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области» (Челябинск, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность и современные технологии» (Миасс, 2009).

Личный вклад автора. Автор работы принимал непосредственное участие в осуществлении мониторинга снегового покрова в городах Челябинской области, систематизировал и обобщил обширные фактические материалы исследований снегового покрова, проводившихся за двадцатилетний период в Челябинской области, обработал полученные данные (произведение статистических расчетов по результатам более чем 1500 анализов, составление поэлементных карт и карт суммарного загрязнения снегового покрова, карт дифференцирования территории по интенсивности поступления загрязняющих веществ в депонирующие среды), интерпретировал полученные результаты, подготовил публикации и доклады на конференциях. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и защищаемые положения, получены автором лично.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, в том числе в двух статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы; текст работы изложен на 164 страницах, в работе помещено 48 рисунков и 31 таблица, 20 приложений. Список литературы содержит 77 наименований.

В первой главе представлено описание физико-географических особенностей региона, где проводились исследования снегового покрова, дан обзор основных экологических проблем Челябинской области.

Вторая глава посвящена описанию методов, применяемых для достижения основной цели работы.

В третьей главе представлены результаты исследований. Установлены количественные характеристики загрязнения снегового покрова тяжелыми

металлами, дан анализ пространственного распределения загрязняющих веществ. Выявлены взаимосвязи между компонентами химического состава проб, рассчитаны коэффициенты концентрации тяжелых металлов в снеговой воде относительно местного геохимического фона, показаны особенности формирования комплексных геохимических аномалий в снеговом покрове промышленных городов Челябинской области.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.п.н., к. г.-м. н, профессору Е.М. Нестерову за постоянную помощь и поддержку в написании работы, д.г.н. С.М. Абдуллаеву за методическую помощь, к.г.н. О.Ю. Ленской за консультации по теме диссертации, сотрудникам НИИ Ветеринарной санитарии, гигиены и экологии (Уральский филиал) д.с-х.н. Ю.Г. Грибовскому и к.б.н. Д.Ю. Нохрину за помощь при проведении химических анализов, сотрудникам лаборатории «Мониторинга окружающей среды» кафедры природопользования Челябинского государственного университета К.Ю. Гаращенко и А.О. Гаязовой за неоценимый вклад в проведение исследований.

Всем перечисленным лицам автор данной работы выражает свою искреннюю благодарность.

1. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕГИОНА И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ НА ЮЖНОМ УРАЛЕ

1.1. Физико-географические условия

Географическое положение

Географическое положение Челябинской области, где проводились, исследования снегового покрова, определяется координатами 52°0Г и 56°23' с.ш.

и 52°08' и 63°2Г в.д. Наибольшая протяженность области с севера на юг

г

составляет около 500 км, вся территория занимает 88,3 тыс. кв. км. Административным центром области является город Челябинск.

Исследования (и обобщение данных других авт