Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Метод исследования загрязнения отложений пониженных участков рельефа урбанизированной среды тяжелыми металлами и радионуклидом Cs-137

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Метод исследования загрязнения отложений пониженных участков рельефа урбанизированной среды тяжелыми металлами и радионуклидом Cs-137"

На правах рукописи

Селезнев Андриан Анатольевич

Метод исследования загрязнения отложений пониженных участков рельефа урбанизированной среды тяжелыми металлами и радионуклидом Ся-137 (на примере г. Екатеринбурга)

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

5 ДЕК 2013

Екатеринбург - 2013

005541933

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт промышленной экологии Уральского отделения Российской академии науки и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

Ярмошенко Илья Владимирович

Официальные оппоненты:

- Паняк Стефан Григорьевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», заведующий кафедрой геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях,

- Юрков Анатолий Константинович, кандидат геолого-минералогических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией геодинамики

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 10-00 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, д.30 (3-й учебный корпус, конференц-зал, ауд. 3326)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г. . /

Ученый секретарь диссертационного Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность и степень разработанности темы исследования

Значительная доля экосистем планеты была изменена человеком и образовала антропосферу с отличным от природной среды характером регуляции и управления [Kabata-Pendias, Pendias, 2001; Pickett S.T.A. и др., 2011; United Nations, 2009; UNU/IAS Report, 2003; Wong Coby S.C. и др., 2006]. Одной из экосистем антропосферы является урбанизированная среда, которую составляют территории городов, поселков вместе с промышленными и рекреационными зонами. Принципиальным отличием урбанизированной экосистемы является перманентно высокая скорость антропогенных процессов.

В современной науке понятие экологического состояния и качества урбанизированной среды обычно рассматривается с позиций техногенеза. В то же время, законы природы не могут не действовать даже в условиях тотального техногенеза. Понимание роли таких естественных природных явлений как миграция загрязняющих веществ и седиментация (осадконакопление) является необходимым звеном интегральной оценки экологического состояния урбанизированной среды. О необходимости использования системного подхода к проблеме оценки экологического состояния городов говорится в работах Чуканова В.Н. (1998, 2003), Wong Coby S.C. и др (2006), Pickett S.T.A. и др. (2011). Учет миграции и перераспределения загрязняющих веществ между компонентами окружающей среды в условиях города является необходимым для развития комплексного подхода к этой проблеме. Традиционно использующиеся для оценки экологического состояния урбанизированной среды подходы имеют ряд проблем. Так, снеговая съемка позволяет получить информацию лишь о сезонных выпадениях загрязняющих веществ, для изучения динамики загрязнения в долгосрочный период (на протяжении нескольких десятков лет) этот метод мониторинга является весьма затратным. Содержание загрязняющих веществ в почве кроме мощности выпадений зависит от миграционных процессов в окружающей среде и, что особенно важно в условиях города, от времени формирования поверхности, исходного

состава и режима «эксплуатации» грунта. Загрязнение атмосферного воздуха в конкретной точке пространства зависит не только от мощности выброса, но и от погодно-климатических условий и ряда других факторов, оценка же среднегодового значения концентрации загрязнителя в атмосфере требует значительного количества данных.

В последние десятилетия особое внимание специалистов привлекают различные виды отложений урбанизированной среды. Это вызвано необходимостью получения наиболее полной информации о перераспределении загрязняющих веществ в окружающей среде и ее экологическом состоянии. Городские отложения классифицируются как самостоятельный генетический подтип техногенных четвертичных отложений, вид геохимических фаций (ловушек) урбанизированной среды [Крашенинников Г.Ф., 1971; Макарова Н.В., Якушева А.Ф., 1993; Чистяков A.A. и др., 2000]. Изучают отложения водоемов, дорожную и уличную пыль, отложения с дорожных покрытий, отложения лотков и коллекторов ливневой канализации, отложения водостоков и канализации, грязь с улиц, пыль и твердые частицы в воздухе, взвешенные частицы, сухие атмосферные выпадения [Shi G. и др., 2010; Hilliges Rita и др., 2013; Kose Т. и др., 2008; Nolde Erwin, 2007; Murakami Michio и др., 2008]. Происхождение различных типов современных отложений связывается с постоянно происходящими в среде естественными, антропогенными и техногенными процессами, такими как поверхностный сток дождевых вод, эрозия почв, выпадения и атмосферный перенос продуктов износа рабочих поверхностей, деталей, шин автомобилей [Jartun Morten и др., 2008; Murakami Michio и др., 2008; Hilliges Rita и др., 2013; Sabin Lisa D. и др., 2005; Реу Jorge и др., 2010; Selbig William R. и др., 2013].

Городские отложения пониженных участков рельефа (отложения луж) -один из немногих компонентов среды города, формирующийся в результате естественных процессов. Существенное отличие отложений луж в том, что этот объект участвует в долгосрочных процессах миграции и депонирует загрязнение среды по времени и пространству.

Анализ работ по изучению поведения загрязняющих веществ в окружающей среде позволяет сделать вывод о том, что закономерности миграции загрязнения в условиях городской среды до сих пор остаются не до конца изученными по сравнению с естественными природными ландшафтами. Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью развития методов мониторинга урбанизированной среды с учетом механизмов формирования загрязнения.

Цель работы: анализ особенностей формирования загрязнения урбанизированной среды тяжелыми металлами и радионуклидом Сб-137 в результате локальных миграционных процессов на основе изучения отложений пониженных участков рельефа. Основные задачи исследования:

1. Оценка содержания металлов и радионуклида Сб-137 в отложениях пониженных участков рельефа на территории жилых кварталов в условиях селитебных зон города (на примере г. Екатеринбурга).

2. Изучение закономерностей концентрирования тяжелых металлов и Св-137 в отложениях пониженных участков рельефа урбанизированной среды (на примере г. Екатеринбурга).

3. Обоснование целесообразности и разработка методологических аспектов изучения отложений пониженных участков рельефа при исследовании состояния урбанизированной среды.

Научная новизна:

1. В настоящей работе впервые в мировой практике в качестве индикатора экологического состояния урбанизированной среды использованы отложения пониженных участков рельефа, отложения луж.

2. Полученные в работе данные дополняют существующие представления о механизмах миграции и концентрирования загрязняющих веществ в условиях городского ландшафта. Показано, что отложения пониженных участков рельефа являются важным депо концентрирования поллютантов и

представляют собой компонент окружающей среды, интегрирующий загрязнение среды по времени и пространству.

3. Впервые введено понятие эффективного возраста поверхности водосбора локального участка урбанизированного ландшафта, который можно определить по удельной активности Сз-137 в отложениях пониженных участков рельефа и известной динамике выпадений радионуклида в регионе.

4. Установлены взаимозависимости между концентрациями тяжелых металлов и удельной активностью Се-137 в отложениях пониженных участков рельефа (на примере г. Екатеринбурга).

5. Разработаны методические основы оценки экологического состояния городской среды на основе изучения отложений пониженных участков рельефа, отложений луж.

Основные защищаемые положения:

1. Содержание тяжелых металлов в отложениях пониженных участков рельефа, депонирующих поверхностные миграционные потоки загрязняющих веществ, является информативным индикатором состояния урбанизированной среды.

2. Удельная активность Сб-137 в городских отложениях позволяет оценить эффективный возраст формирования локального участка урбанизированной среды.

3. Анализ зависимости между концентраций тяжелых металлов и удельной активностью Се-137 в городских отложениях позволяет идентифицировать основные металлы-загрязнители и провести ретроспективную оценку динамики загрязнения городской среды.

Методология и методы исследования

Методологической основой исследования послужили труды российских и зарубежных исследователей в области изучения экологических проблем урбанизированных территорий, поведения загрязняющих веществ в городских ландшафтах, наблюдений за состоянием окружающей среды, изучения естественных и техногенных процессов в городской экосистеме.

Большое значение в теоретическом и практическом аспекте имели научные исследования, концепции, принципы, подходы к оценке качества окружающей среды городов, существующие в разных странах. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных данных и результатов в оценке экологического состояния жилых микрорайонов и кварталов города, при организации мероприятий по экологическому мониторингу города, при прогнозировании экологической ситуации. Определение возраста загрязнения отложений и грунта урбанизированной среды может использоваться при оценке динамики загрязнения селитебных территорий города, при выявлении металлов-загрязнителей города, при оценке фоновых концентраций и уровней поступления поллютантов в отложения. Получены данные о загрязнении свинцом, цинком, медью, железом, кобальтом, никелем, марганцем, алюминием, радионуклидом Сб-137 жилых районов, кварталов г. Екатеринбурга.

Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы

подтверждается исследованиями большого числа образцов отложений пониженных участков рельефа на территории г. Екатеринбурга, отобранных лично автором при выполнении научных исследований Института промышленной экологии УрО РАН. Достоверность обеспечена проведением исследований по стандартным методикам и на сертифицированном оборудовании в аккредитованных лаборатории радиационного контроля и в химико-аналитическом центре ИПЭ УрО РАН, а также сопоставимостью результатов с данными исследований почв в г. Екатеринбурге, проведенных другими организациями. Апробация работы

Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Девятой Уральской молодежной научной школе по геофизике, Втором Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека», Всероссийской конференции

s

молодых ученых «Биосфера Земли: прошлое, настоящее и будущее», Международной конференции «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы», Молодежном симпозиуме «Безопасность биосферы», Третьем европейском конгрессе Международной ассоциации радиационной безопасности (Third European IRPA Congress 2010), Международной конференции по химии и окружающей среде - 2011 (International Conference on Chemistry and the Environment), Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2011», Международной конференции по радиоэкологии и радиоактивности окружающей среды (ICRER-2011), XV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» и др. Публикации

Основные положения и результаты исследования опубликованы в 16 работах, в том числе 4 статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК. Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 67 рисунков и список литературы, насчитывающий 308 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность работы, сформулированы: цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 проведен обзор литературных данных по вопросам загрязнения городской среды. Дана характеристика, обозначены экологические проблемы, основные источники загрязнения городской среды. Проведен обзор исследований миграции тяжелых металлов в урбанизированной среде. Представлены основные закономерности и механизмы миграции, процессы и факторы, определяющие и модифицирующие поведение тяжелых металлов. Особое внимание в главе уделяется вопросам организации наблюдений за состоянием окружающей среды. Проведен анализ методов и проблем оценки состояния урбанизированной среды с использованием традиционных (почва, атмосферные выпадения, снег) и нетрадиционных (отложения городской среды) для исследования компонентов.

В Главе 2 изложены методологические аспекты работы.

Дана характеристика отложений пониженных участков рельефа, изложена суть способа оценки экологического состояния урбанизированной среды на основе изучения этого компонента. Отложения пониженных участков рельефа можно классифицировать как самостоятельный частный генетический подтип техногенных четвертичных отложений, вид геохимических фаций урбанизированной среды. Осадконакопление в пониженных участках рельефа является естественным процессом, связанным с гравитационным субгоризонтальным переносом частиц атмосферными сточными водами. Миграция и седиментация начинаются в тот момент, когда ландшафт городской среды был создан, и продолжаются все время его существования. Пониженные участки рельефа на территории города возникают вследствие естественных особенностей формирования ландшафта и недостаточного внимания к вопросам планировки при застройке селитебных территорий. В городских условиях сток, не поступивший в системы ливневой канализации, поступает в локальные пониженные области рельефа (депрессии), образуются

лужи. При формировании локального пониженного участка рельефа городской среды четко выделяется его площадь водосбора с крышами прилегающих зданий, поверхностью грунта, асфальтом, озелененными участками дворовых территорий, газонами. Фации получают осадочный материал главным образом за счет сноса в них водотоком частиц с участков площади водосбора. Твердый материал отложений представляет собой меланж из частиц почвы, песка, торфа, перегнивших растений, бытового и строительного мусора. Отложения пониженных участков рельефа интегрируют загрязнение окружающей среды по времени и по пространству. Твердый материал отложений накапливает загрязнение за период своего существования. Различные участки урбанизированной среды могут быть сформированы в периоды с разницей в несколько десятков лет. При рассмотрении отложений пониженных участков рельефа учитывается как неравномерность времени формирования ландшафта в пределах изучаемой территории, так и миграционные процессы.

В ходе исследования проводят отбор образцов отложений пониженных участков рельефа (отложений луж) на селитебных территориях в выборке жилых кварталов города. В пределах выбранного двора определяется пониженный участок рельефа, так, чтобы характеристики участка были близкими для всех объектов - растительный покров, уклоны, наличие асфальта на площади водосбора, крыш домов. Пробы отбираются в верхнем 5-сантиметровом горизонте. Масса каждой отобранной пробы составляет 1,0 -1,5 кг. время отбора проб проводится ситуационное описание мест отбора, при необходимости фотодокументирование. Оцениваются характерные для урбанизированной территории признаки процессов переноса загрязнения, такие как уборка территории, наличие спланированных водотоков и крыш зданий как части площади водосбора и др. После стандартной пробоподготовки проводится анализ концентраций загрязняющих веществ в пробах (металлов и радионуклида Сб-137) с использованием стандартных методик. В настоящей работе измерение У А радионуклида Сб-137 в образцах проводилось на стационарном гамма-радиометре РКГ-АТ1320 с детектором у-

излучения на основе сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом Nal(Tl). Определение содержания металлов в образцах проводилось методом масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно связанной аргоновой плазме на масс-спектрометрической установке ELAN 9000. Определение кислотности образцов проводилось с помощью иономера И-160М. В процессе обработки результатов анализа концентраций загрязняющих веществ в пробах оценивается вид функции распределения значений концентраций и ее параметры (выборочное среднее значение, стандартное отклонение и др.). Оценивается однородность выборки значений концентраций загрязняющих веществ, в том числе по районам и микрорайонам города, проводится сравнение полученных данных по концентрациям загрязняющих веществ с данными мониторинга и другими данными.

В Главе 3 представлен обзор данных о загрязнении объектов окружающей среды г.Екатеринбурга радионуклидом Cs-137 и тяжелыми металлами, полученных в предыдущие годы различными организациями. Основными источниками загрязнения атмосферы в городе являются предприятия машиностроения и металлообработки, металлургии, электроэнергетики, химии и нефтехимии, предприятия по производству стройматериалов, автомобильный и железнодорожный транспорт.

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 восстановлены уровни загрязнения Cs-137 Среднего Урала за период проведения ядерных испытаний и аварий на предприятиях ядерного топливного цикла (Рисунок 2). Восстановленная динамика радиоактивных выпадения позволяет оценить уровни накопления нуклида в грунте в зависимости от времени формирования поверхности (рис.

3).

¡940 :950 1?оО 1У?0 1980 1990 2000 2010 2020 Год

Рисунок 2. Восстановленная динамика загрязнения Сб-137 территории Свердловской области за период до 2010 г.

¡4 N (Ч

Рисунок 3. Уровни накопления Сз-137 к 2010 г. с учетом периода полураспада в

Свердловской области.

По результатам проведенных оценок уровни накопления Сз-137 достигают к 2010 г. значения 5,1 кБк/м2 (с учетом периода полураспада), что согласуется с данными по уровням загрязнения почв в регионе.

В главе представлен обзор данных ГУ «Свердловский ЦГМС-Р» о результатах мониторинга почв, снежного покрова, воздуха на территории г. Екатеринбурга за последние годы. Пробы почвы в городе отбираются каждые пять лет по нерегулярной сетке на 90 постоянных площадках по

одинаковому регламенту. Отбор проб почвы осуществляется радиально относительно трех основных стационарных источников загрязнения на расстояниях от 0,5 до 10 км. Отбор проб проводится в местах ненарушенного грунта. Площадки отбора проб располагаются в скверах, парковых, лесопарковых зонах, на удалении от селитебных зон. Фоновые пробы отбираются на площадках, расположенных в 50-60 км в юго-западном направлении за пределами города. В таблице представлены значения концентраций валовых форм металлов в почвах в городе по данным Ежегодника загрязнения почв городов Свердловской области за 2010 г. ГУ «Свердловский ЦГМС-Р» и в почвах в лесопарковых зонах г. Екатеринбурга (Залесов C.B., Колтунов Е.В., 2009).

Таблица 1. Средние и диапазоны валовых концентраций металлов в почвах в г. Екатеринбурге в 2010 г., мг/кг._

Параметр Элемент

РЬ Мп Ni Си Zn Со Fe, г/кг

Средняя концентрация в почвах по городу, мг/кг 87 665 196 192 213 23 23

Фоновые концентрации в почвах в г. Екатеринбурге, диапазон концентраций, мг/кг 22-33 5151886 19-35 32-103 80-127 11-22 19-31

Концентрации в почвах в лесопарках, диапазон концентраций, мг/кг 18-30 8141000 40-67 - 48-160 17-27 -

Для анализа на содержание тяжелых металлов в г. Екатеринбурге отбирается 30 проб снежного покрова (и одна фоновая проба) каждые 5 пять лет на тех же площадках, что и пробы почвы.

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха в городе осуществляются на сети из восьми стационарных постов ГУ «Свердловский ЦГМС-Р», с передвижных постов наблюдений не ведется. Из фонда данных ГУ «Свердловский ЦГМС-Р» были получены данные по содержанию металлов в атмосферных аэрозолях за период с 1985 по 2010 г.

В Главе 4 представлены результаты исследования радиоактивного загрязнения Сб-137 территории г.Екатеринбурга с использованием отложений пониженных участков рельефа в качестве объекта изучения.

Согласно выше изложенному подходу в полевые сезоны 2007-2010 гг. в жилых районах на территории г. Екатеринбурга проводился отбор объектов окружающей среды (отложения пониженных участков рельефа, отложения луж). На территории города было отобрано 249 образцов отложений пониженных участков рельефа, отложений луж. В 249 образцах отложений определялась УА радионуклида Сз-137, валовые концентрации тяжелых металлов и уровень кислотности образцов определены в 210 образцах.

Распределение удельных активностей (УА) Сб-137 в отложениях пониженных участков рельефа в г. Екатеринбурге отклоняется от логнормального. Параметры распределения: среднее - 53 Бк/кг, диапазон УА <5-540 Бк/кг, медиана - 37 Бк/кг, среднее геометрическое - 34 Бк/кг, стандартное отклонение логарифма 1,13. Значения УА Сэ-Ш > 100 Бк/кг обнаружены в 13 % образцов. В Таблице 2 представлен расчет параметров распределения Сы-137 по группам жилых районов. По результатам дисперсионного анализа средние логарифмов концентраций Сб-137 в районах значимо различаются (р<0,01).

Таблица 2. Параметры распределения УА С5-137 по группам жилых районов.

Название района Число проб Среднее Максимально е значение Среднее геометрическое Стандартное отклонение логарифма

Запад 36 57 540 28 1,28

Центр 41 56 191 42 0,89

Север 64 58 218 42 0.95

Северо-восток 27 67 291 42 1,07

Восток 23 28 154 14 1,58

Юг 40 44 124 35 0,81

Юго-запад 18 64 248 36 1,29

Проведен анализ связи У А С5-137 с уровнем кислотности образцов. Среда отложений пониженных участков рельефа слабокислая и слабощелочная (рН образцов составляет 6,13 - 8,78, среднее значение - 7,66). Обнаруживается статистически значимая корреляционная связь УА Сб-137 и уровня рН (г = -0,16, р = 0,02). Значимо различаются средние значения УА Сб-137 в слабокислой и слабощелочной среде (р<0,01). При рассмотрении средних значений УА Сб-Ш в группах рН 6 - 6,5, 6,5 -1,1- 7,5, 7,5 - 8, 8 - 8,5, > 8,5 эта связь близка к функциональной и описывается уравнением вида у = 1293-е'

°'4 * (р < 0,01), Рисунок 4. О скорости локальных миграционных процессов можно судить по выявленной связи УА Се-137 в отложениях с уровнем кислотности, однако влияние уровня кислотности не вносит определяющего вклада в вариабельность УА. Среднее значение УА Се-137 в слабощелочной среде (49 Бк/кг) существенно ниже, чем в слабокислой (80 Б к/кг), что является результатом более интенсивного переноса нуклида в растворимой форме в слабокислой среде. К дополнительному концентрированию Сз-137 в отложениях относительно его содержания в поверхностном слое грунта площади водосбора приводит перенос нуклида с атмосферными сточными водами.

Эффективный возраст образцов отложений пониженных участков рельефа может быть определен по восстановленной динамике загрязнения Сз-137 территории Свердловской области (Рисунок 2). Значения УА Сз-137 в верхнем 5-сантиметровом слое ненарушенного грунта в случае отсутствия горизонтальной миграции при скорости вертикальной миграции около 0,5 см/год показаны на Рисунке 5. Загрязнение поверхности радионуклидом Сз-137, сформировавшейся в 1950-1960-е годы и ненарушенной до настоящего времени составляет около 120 Бк/кг (на настоящий момент), сформировавшейся в годы, предшествовавшие чернобыльской аварии - 40-60 Бк/кг, а в грунтах,

загрязнение которых началось после 1990 г., - менее 10 Бк/кг.

160 140 120 100 2 80

б 60 £ 40

20;

6,5

7 7.5 8 Значение рН

8,5

Рисунок 5. Расчетная УА Сб-137 в верхнем 5-сантиметровом слое грунта (на 2010 г).

Рисунок 4. Взаимосвязь средних значений УА Сз-137 в группах рН (6-6,5, 6,5-7, 7-7,5, 7,5-8, 8-8,5, >8,5) от среднего уровня кислотности (с 95% ДИ).

В Главе 5 изложены результаты анализа загрязнения отложений пониженных участков рельефа городской среды тяжелыми металлами. Средние

значения концентрации металлов в отложениях пониженных участков рельефа по семи укрупненным районам г. Екатеринбурга и по городу в целом представлены Таблице 3.

Таблица 3. Средние концентрации металлов в отложениях пониженных

Район А1, Мп, Ре, Со, N1, Си, 2п, РЬ,

г/кг мг/кг г/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг

Запад 61 790 34 19 150 121 570 139

Центр 52 808 34 21 175 115 577 123

Север 51 854 37 23 207 100 308 97

Северо-восток 51 864 44 24 223 134 720 128

Восток 60 673 41 19 173 81 253 75

Юг 59 1005 38 25 148 84 336 59

Юго-запад 50 649 28 16 144 97 506 93

Среднее по городу 55 824 37 22 175 104 455 103

Для металлов: свинец, цинк, медь, никель, кобальт, марганец наблюдается слабая статистически значимая связь концентрации в отложениях с уровнем кислотности. Для алюминия и железа такой связи не наблюдается.

В Таблице 6 представлены результаты корреляционного анализа связи концентраций металлов с У А Ся-137 в образцах отложений. В группе с УА Сб-137 0-20 Бк/кг связь концентраций металлов с УА нуклида может быть описана экспоненциальной функцией, параметры которой также представлены в Таблице 4.

Таблица 4.Результаты анализа корреляционной зависимости концентраций

Металл В диапазоне УА Св-Ш 0-540 Бк/кг коэффициент корреляции, р-значение Вид функциональной связи в группе УА С5-137 0-20 Бк/кг, р-значение

свиней г = 0,16, р = 0,02 у = 50-е°'<"'х, р < 0,05

цинк г = 0,5, р < 0,01 у = 206 е"'" \р< 0,05

медь г = 0,4,р<0,01 у = 7б еи °' р = 0,3

железо г = -0,03, р = 0,64 у = 37 еи,и<л х, р = 0,4

никель г = 0,04, р = 0,5 у = 114 е"'и х, Р = 0,1

кобальт г = -0,05, р - 0,5 у-20еио|\р = 0,1

марганец г = -0,11, р = 0,1 у = 790 еи ии8 *, р = 0,3

алюминий г = -0,23, р< 0,01 у = 65-е-"'"" \ р = 0,5

Загрязнение отложений урбанизированного ландшафта металлами находится в корреляционной связи с УА Сб-137. Для свинца и цинка зависимость концентрации от У А Сз-137 является значимой (р < 0,05) в группе УА нуклида до 20 Бк/кг. На Рисунках 6, 7, 8, 9 показаны средние концентраций металлов в зависимости от диапазона УА Сз-137, приведены стандартная ошибка и 95 % доверительный интервал (ДИ).

я

5 40

0-10 10-50 >50

УА Cs-137, Бк/кг

Рисунок 6. Связь концентрации железа с УА Cs-137.

0-10 10-50 >50

УАСб-137, БК/КГ

Рисунок 8. Связь концентрации свинца с УА Се-137.

¡5 750

650

я

^

§ 550

ее 1«°

g 350

х

о

* 250 150

0-10 10-50 >50

УА С5-137, Бк/кг

Рисунок 7. Связь концентрации цинка с УА Сз-137.

80

х

I

1 60

0-10 10-50 >50

УА Сб- 137, Бк/кг

Рисунок 9. Связь концентрации меди с УА Сз-137.

Как видно из Таблицы 6 и Рисунков 6, 7, 8, 9 для свинца, цинка, меди наблюдается прямо пропорциональная зависимость: чем выше УА Св-137 и соответственно эффективный возраст участка рельефа, тем выше концентрация металла. Возрастающая концентрации металла с возрастом участка может быть объяснена его постоянным поступлением в результате загрязнения окружающей среды. Таким образом свинец, медь и цинк являются загрязнителями на рассматриваемой территории. Концентрации других рассмотренных металлов не зависят от У А С5-137, то есть этот элемент не поступает в окружающую среду в количествах, позволяющих говорить о загрязнении.

Связь концентраций металлов с УА Сэ-137 при экстраполяции до нулевого уровня УА позволяет дать оценку характерной фоновой концентрации металла в городских отложениях, которая не связана с загрязнением. По данным Таблицы 6 принятые фоновые концентрации свинца, меди и цинка в городских отложениях составляют 50, 76 и 206 мг/кг соответственно. Понятие фоновой концентрации является достаточно условным с учетом того, что в рамках рассматриваемого подхода в начальный момент времени отложения в пониженном участке городского ландшафта не сформировались, однако эта величина может служить репером для оценки степени загрязнения городских отложений.

Результаты расчета средних значений содержания металлов в отложениях в зависимости от диапазона УА Сз-137 и данные об условных фоновых содержаниях металлов позволяют провести оценку их годового поступления в различные периоды времени. Принята следующая хронология загрязнения отложений пониженных участков рельефа г. Екатеринбурга. При величине УА Сз-137 отложениях находится в интервалах более 50, 10-50 и менее 10 Бк/кг, принимается, что площадь водосбора и отложения сформировались в период 1945-1969, 1970-1989 и 1990-2010 г. соответственно. Эта хронология является грубой, однако, с достаточной степенью уверенности можно отнести средний эффективный возраст формирования отложений к этим периодам времени в зависимости от средней УА Сз-137 в группе.

Результаты расчета годового поступления свинца и цинка в городские отложения показаны на Рисунке 10. Наблюдается снижение поступления цинка в отложения со временем. Максимальное поступление наблюдалось в период до 1970 г., к 2000-м годам поступление снизилось в два раза. В качестве одной из причин снижения поступления цинка можно привести снижение сжигания дров и угля в печах и котельных и постепенный переход на централизованное отопление. Поступление свинца росло с 1950-60-х годов и начало снижаться после 1990 г. Рост и падение поступления свинца, по-видимому, связаны с

ростом числа автомобилей и с переводом автотранспорта на использование неэтилированного бензина к 2001 г. соответственно.

На Рисунке 11 показано соотношение между годовым поступлением металлов в отложения и уровнями загрязнения атмосферного воздуха в г.Екатеринбурге. Использованные для построения Рисунка 12 уровни среднегодового загрязнения атмосферы определены по среднемесячным

концентрациям металлов «Свердловский ЦГМС-Р».

в атмосферном воздухе, полученным ГУ

I 2 3

Годовое поступление металла в отложения, мг/кг

Рисунок 10. Среднегодовое поступление меди, цинка и свинца в зависимости от года формирования поверхности.

Рисунок 11. Соотношение между годовым поступлением металлов в отложения в период 19902010 г. и средними уровнями загрязнения атмосферного воздуха в этот же период.

Полученные в работе результаты экспериментального изучения закономерностей концентрирования поллютантов в УОС демонстрируют целесообразность изучения отложений пониженных участков рельефа в качестве объекта исследования при проведении анализа загрязнения урбанизированной среды. Отложения позволяют проводить районирование территорий по степени загрязнения, выявлять загрязнители и проводить оценку поступления поллютантов в окружающую среду, проводить оценку динамики загрязнения. Выводы

1. При изучении состояния урбанизированной среды необходимо учитывать локальные процессы переноса, в результате которых миграционные потоки

поллютантов депонируются отложениями локальных пониженных участков рельефа.

2. В качестве индикатора загрязнения среды отложения пониженных участков рельефа обладают рядом преимуществ перед другими компонентами, используемыми для экологического мониторинга города. К таким преимуществам относятся интегрирование загрязнения по пространству в пределах площади водосбора и по времени за период с начала формирования ландшафта в пределах застройки.

3. Разработан подход к изучению состояния города с использованием отложений пониженных участков рельефа в качестве исследуемого компонента и индикатора загрязнения среды.

4. Эффективный возраст участка ландшафта городской среды может быть определен по содержанию в грунте Сб-137. Зависимость содержания металлов от УА Сз-137 в отложениях пониженных участков рельефа позволяет определить металлы-поллютанты урбанизированной среды, и оценить уровни поступления в различные периоды времени.

5. К дополнительному концентрированию Сз-137 в отложениях пониженных участков рельефа приводит перенос нуклида в водорастворимой фазе. Влияние уровня кислотности не вносит определяющего вклада в вариабельность УА Сз-137, поступившего в результате испытаний ядерного оружия и аварии на Чернобыльской АЭС.

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

7. Обнаружено, что в городе Екатеринбурге основными загрязнителями (из исследованных) являются свинец, цинк и медь. Поступление в окружающую среду за последние десятилетия привело к увеличению содержания свинца, меди и цинка в 2,5, 1,5 и 3 раза в среднем соответственно.

8. По скорости поступления из атмосферы за последние 20 лет металлы ранжируются следующим образом: цинк>свинец>медь. При этом выявлены различные тенденции в изменении скоростей поступления этих металлов. Наблюдается корреляция скоростей поступления цинка, свинца, меди с данными о содержании металлов в атмосфере.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

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

2. Seleznev A.A. Accumulation of ,37Cs in puddle sediments within urban ecosystem / A.A. Seleznev, I.V. Yarmoshenko, A.A. Ekidin // Journal of Environmental Radioactivity. 2010. - Volume 101. - Issue 8. - Pages 643-646.

3. Селезнев A.A. Современное состояние загрязнения радионуклидом U7Cs северной части Восточно-Уральского радиоактивного следа / A.A. Селезнев, Д.А. Горчаков, H.H. Кузнецов, И.В. Ярмошенко, A.A. Екидин // АНРИ. - 2010. - № 4. - с. 48-52.

4. Селезнев A.A. Поверхностная локальная миграция l37Cs в условиях экосистемы города / A.A. Селезнев // Вопросы радиационной безопасности. -2009.-№3.-с. 70-76.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций

1. Селезнев A.A. Радиоцезий в городской экосистеме / A.A. Селезнев, И.В. Ярмошенко // Вестник российской военно-медицинской академии. - 2008. - №3 (23). - приложение 2 (часть 1). - с. 198.

2. Селезнев A.A. Изучение загрязнения урбанизированной среды тяжелыми металлами на основе анализа загрязнения пониженных участков рельефа. / A.A. 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, 26 июня- 2 июля 2011 г.: Архангельск. - 2011. - 316 с.

3. 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, 11-15 September 2011. Book of abstracts. - 2011.

4. 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 2010 June 14-18, Helsinki, Finland. -2011.

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

6. Селезнев A.A. Миграция и накопление Cs-137 в городской экосистеме / A.A. Селезнев II Пятая Юбилейная молодежная научно-практическая конференция «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы»: Тезисы докладов. Озерск, 21-23 апреля 2009 г. - Озерск: «ПО «Маяк». - 2009. - с. 93-94.

7. Селезнев A.A. Изучение локальных особенностей загрязнения 137Cs природных и урбанизированных ландшафтов / A.A. Селезнев, Д.А. Горчаков, H.H. Кузнецов, A.A. Екидин, И.В. Ярмошенко // Х1-е международное совещание «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии ППСР-2009. Тезисы докладов, 2009 г., п. Агой, Краснодарский край. -2009.

8. 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.

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

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

11. Селезнев A.A. Изучение миграции и накопления Cs-137 в условиях городского ландшафта на примере г. Екатеринбурга / A.A. Селезнев // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: Сборник научных трудов под ред. к.б.н. В.И. Мигунова, д.б.н. A.B. Трапезникова. - 2009. - Выпуск 12. -с. 405-425.

12. Селезнев A.A. Радиометрическое датирование загрязнения грунтов городского ландшафта свинцом и цинком по содержанию в них 137Cs. / A.A. Селезнев, И.В. Ярмошенко. // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. Научный журнал. - 2012. - №4 (21). - с. 78-82.

Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,0 Усл. изд. л. 1,0. Тираж юоэкз. Заказ 406

Ризография НИЧ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Тел:. (343) 375-41-79