Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Особенности накопления аэротехногенных поллютантов в городской среде

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Особенности накопления аэротехногенных поллютантов в городской среде"

РГ6 од

* п Г т МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, 2 В НОЯ ^--ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

СЛИПЕНЧУК Михаил Викторович

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ АЭРОТЕХНОГЕННЫХ ПОЛЛЮТАНТОВ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ (на примере г.Новгорода).

11.00.И - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискания ученой степени кандидата географических наук

\

ч

Москва 1993г.

А;

Работа выполнена на кафедре Рационального природопользования географического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - член-корреспондент РАН,

профессор А.П.Капица

Официальные оппоненты

доктор географических наук профессор

В. В. Д обровольски й

кандидат географических наук, старший научный сотрудник

Е.М.Никифорова

Ведущая организация - Институт глобального климата и экологии

Росгидромета и РАН

заседании специализ , , зико-географического совета

Д 053.05.29 при Московском госудаственном университете им М.В.Ломоносова по адресу 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Географческий факультет, 18 этаж, ауд. 1807.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Географического факультета МГУ им. В.М.Ломоносова на 21 этаже.

Защита состоится

1993г. в

на

Автореферат разослан "16" ноября 1993г.

Ученый секретарь

специализированного совета, Ж

кандидат географических наук су^^у/ Т.И.Кондратьева.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Хотим мы того или не хотим, но сегодня взаимодействие общества и природы выдвинуло на первый план ряд трудно разрешимых проблем, среди которых одной из самых актуальных является проблема безопасности развития и функционирования крупных населенных пунктов. С одной стороны росту населенных пунктов сопутствует средоточие промышленных предприятий, социальных объектов, происходит жизненно важное налаживание инфраструктуры, что облегчает условия проживания населения, с другой - увеличивается антропогенная нагрузка на природную среду, нарушаются естественные миграционные процессы химических элементов, происходит быстрое накопление загрязняющих веществ, в том числе и не свойственных данной территории. Поэтому сегодня, как никогда прежде, современная градостроительная архитектура должна быть нацелена не на изгнание, а на возвращение природы в город, на поиск гармонии во взаимодействии общества и природы. Поиск гармонии требует научно обоснованного подхода, учитывающего материально-энергетический баланс того или иного населенного пункта не только как искуственной но и замкнутой системы. И здесь решение многих острых экологических проблем связано с получением объективной информации о критических уровнях антропогенного воздействия, с обеспечением своевременного контроля за содержанием поллютантов и прогнозом динамики их накопления.

Для _ экологической оценки., состояния среды на урбанизированных территориях последнее время все чаще используются природные индикаторы различных типов, что нашло отражение в работах Е.М.Никифоровой (1975,1979), Ю.Е.Саета (1985), Л.Мартин (1984),.С.Касимова (1992, 1993), А.В.Евсеева (1989), О.В.Моисеенкова (1989) и других. Появилась реальная возможность выявлять загрязнение городской среды относительно простыми и доступными методами, при этом четко фиксировать характер и расположение источников загрязнения, а также особенности накопления поллютантов в городской среде за различные временные интервалы. Исследования, проведенные с использованием методов природной индикации, дают объективную эколого-геохимическую оценку городской среды, в том числе позволяют выделить в ней, в се природных компонентах,

особенности рассеивания, аккумуляции и трансформации техногенных потоков вещества..

Развитие техногенной цивилизации угрожает il е только физическому здоровью природы и человека, но и духовному — ' появилась угроза существованию памятников архитектуры. Не случайно в качестве примера большого города выбран Новгород. Новгород сегодня - уже не только центр культуры, входящий в "Золотое кольцо России", но и средоточие химической. и радиоэлектронной промышленности.

Цель и задачи исследований. Цель данного исследования -на основе имеющихся данных но природной индикации дать оценку состояния воздушного бассейна крупного города и прогнозировать потенциальный уровень накопления загрязняющих веществ в городах подобного типа. Изучить влияние "морфологии" города па накопление аэротехногениых поллк^таптов в .природных объектах городской среды, используемых в качестве индикаторов загрязнения. Разработать рекомендации но снижению уровня загрязнения городской среды.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Дать экологическую характеристику современной структуры производства . (с учетом автотранспорта, стационарных промышленных и энергетических имточников загрязнения, включая особенности эмиссии аэротехногенных поллютантов).

2. Оценить эффективность использования различных природных индикаторов для оценки состояния воздушного бассейна города, а так же определить наиболее встречающиеся приоритетные загрязнители городских геосистем.

3■ Оцепить зависимость распространения отдельных аэротехногенпых поллютантов от зон различного функционального назначения города.

4. Провести районирование территории ' города по степени загрязнения, воздуха.

5. Разработать рекомендации по снижению уровня загрязнения городской среды.

Фактические материалы. Для реализации поставленных задач и период с 1989 по 1992 гг. было проведено изучение закономерностей накопления загрязняющих веществ ц. различных депонирующих средах П.Новгорода. Произведен . отбор- 305 образцов почв, 75

средах г.Новгорода. Произведен отбор 305 образцов ночи, 75 образцов лишайников и мхов, 145 образцов коры деревьев, 51 образец листьев и 75 образцов снега. Дана оценка растительного покрова в районах отбора фитоиндикаторов.

Во всех используемых природных индикаторах были определены: концентрации десяти металлов (цинк, медь, железо, маргакец, кадмий, свинец, .кобальт, стронции, никель, хром), значения рН, а в снежном покрове, кроме того - определен солевой состав. По этим образцам з дальнейшем проведено более 12000 определений химического состава, кроме того в работе использованы литературные данные, фондовые и картографические материалы Новгородского аэрогеодезичсского предприятия, Новгородского областного комитета по экологии. Новгородского областного гидрометцентра, HílO "Азот", данные Новгородской археологической экспедиции.

Полученные результаты обработаны на ЭВМ'ЧВМ PS-2 РС/АТ-286": построены карты-схемы загрязнения Новгорода по каждому из рассматриваемых элементов и некоторым синтетическим показателям. Математический аппарат для моделирования загрязнения разработан на НИВЦ МГУ Н.Богомоловым. Карты-схемы построены автором при неоценимой помощи А-Финтушаля.

Научная новизна работы.

1. Впервые для города Новгорода дана комплексная эколого-геохимичсская оценка загрязнения городской • среды аэротсхногениыми поллютантами.

2. Проведено экологическое районирование города с ' целью разработки рекомендаций по снижению уровня загрязнения воздушного бассейна. Выявлены приоритетные загрязнители и зоны их повышенного накопления.

3. Впервые для г.Новгорода применен метод автоматизированного построения карт-схем загрязнения городской среды на основе фактических данных.

4. На базе археолотических данных прослежены временные динамические закономерности накопления металлов-загрязнителей в городской среде Новгорода.

5. Сделана попытка на базе полученных материалов оценивать потенциальные уровни накопления загрязняющих веществ в городах - исторических аналогах г.Новгорода.

Практическое значение работы. С учетом пожеланий Новгородских областных Совета и Комитета по экологии, а также НПО "Азот" автором разработана и адаптирована программа изучения закономерностей накопления загрязняющих веществ в депонирующих средах г.Новгорода. Методические рекомендации, фактические материалы, модель построения карт-схем загрязнения, полученные при работе над диссертацией, используются Новгородской городской администрацией, Новгородским областным комитетом по экологии, НПО "Азот", Новгородским государственным университетом.

Полученные результаты могут быть использованы для нормирования техногенного воздействия на городскую среду, для прогноза тенденции накопления аэротехногенных поллютантов в городской среде, а также являются' исходным материалом для эколого-географической экспертизы при планировании стратегии градостроительства.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на школе-семинаре Совета молодых ученых географического факультета МГУ "Экологические проблемы освоения Севера" (Кировск, 1990), на Городской экологической конференции (Ногород,1991), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы экологии в гальваническом производстве" (Новгород, 1991), на Всероссийском совещании "Экономическое стимулирование природоохранной деятельности" (Новгород, 1991), на 27-ом Международном географическом конгрессе (Вашингтон,1992). Кроме того, прочитана серия докладов на предприятиях г.Новгорода и в Новгородском Государственном педагогическом институте в рамках программы Городского общества охраны природы в 1991-1992 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна подана в печать.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и приложений, общим объемом 179 страниц. Основное содержание изложено на 117 страницах машинописного текста. Текст иллюстрирован 19 таблицами и 47 рисунками. Список литературы включает 118 наименований.

Работа выполнена на географическом факультете МГУ. Автор благодарит за советы и практическую помощь в работе своего научного руководителя, д.г.п., профессора, чл.-корр. РАН А.П.Капицу.

При выборе методики и при анализе результатов исследований автор консультировался у д.г.н. А.В.Евсеева и к.г.н Т.М.Красовской (кафедра рационального природопользования географического ф-та МГУ), которым выражает глубокую благодарность.

За помощь при выполнении аналитических работ автор признателен сотрудникам атомно-абсорбшюшюй лабороторпи МГУ Т.Г.Суховой и Е.А.Шахпендсрян, а также сотрудникам лабороторпи экологии ЦХЛ Новгородского ПО "Азот".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава посвещена оценке влияния природных н антропогенных факторов на накопление аэротехногенных поллюгантов в природных объектах городской среды,а также историческим особенностям развития территории и антропогенного влияния па природную среду.

Физико — географическая характеристика г.Новгорода и прилегающих территорий.

В разделе подробно рассматриваются геологическое строение и рельеф исследуемой территории, климат, гидрологические условия, особенности почвенного и растительного покрова.

Влияние местных условий на накопление аэротехногенных поллютантов.

Среди природных факторов, влияющих на накопление аэротехиогенных поллютантов в городской среде, выделены: климатические, геоморфологические, геохимические.

Климатические факторы определяют перенос и перераспределение загрязняющих веществ и учитываются с помощью оценки Потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА),

характеризующего способность к самоочищению и_рассеиванию

примесей. Для г.Новгорода автором выделен умеренный ПЗА.

Геоморфологические факторы влияют па перераспределение поллютантов но элементам рельефа.

Геохимические факторы тесно связаны с предыдущими. Умеренное поступление ультрафиолетовой радиации снижает способность ландшафтов к самоочищению. Характерные геохимические барьеры возникают в связи с повышенной заболоченностью.

Оценка возможного влияния удаленных источников поступления аэротехногешшх поллютантов.

Западный перенос воздушных масс обуславливает принос поллютантов из Скандинавии и Западной Европы,что способствует добавочному загрязнению. Однако, его влияние невелико и проявляется в незначительном сезонном повышении фонового уровня.

Исторические особенности хозяйственного освоения территории.

Рассматриваются в хронологическом порядке временные аспекты хозяйственного освоения (исторические типы хозяйства, их эволюция, размещение производства, миграция населения и др.), влияющие на состояния городской среды. Новгород на протяжении-более тысячи лет развивался в пределах Земляного вала - здесь накопился мощный (до 10 м) слой органических остатков антропогенного происхождения. Культурный слой создает уникальную возможность проследить динамику накопления загрязняющих веществ за несколько столетий и оценить " фоновое загрязнение ".

Эколого-экономнческая характеристика Новгорода и основные источники поступления аэротехногенных поллютантов.

Специфика Новгорода заключается в его двойственном функциональном назначении. С одной стороны, это один из самых древних городов России, отнесенный к жемчужинам мировой культуры, где сохранились исторические архитектурные памятники (Кремль (Детинец),более 150 церквей, семь монастырей). Мощный культурный слой до сих пор открывает для нас особенности самобытной русской культуры. С другой - это город с высокоразвитой промышленной инфраструктурой. Здесь сосредоточены крупнейшие на Северо-Западе России радиоэлектронные, электроннотехнические и химические предприятия, заводы стройиндустрии. Численность населения города - 280 тысяч жителей.

Особенности природно-хозяйственного использования территории города, размещение промышленных предприятий, жилых массивов, автотранспортных .магистралей в совокупности с природными характеристиками положены в основу функционального районирования города. Выделено четыре типа зон: промышленная (Северная и Южная), жилой застройки (многоэтажной и матоэтажной), садово-парковая и историческая. Их размещение . имеет свою закономерность и осуществлялось по разработанному в начале пятидесятых годов градостроительному плану. Структура улиц центральной части города во многом перекликается с планом застройки 1770 года и имеет радиально-полукольцевую плакировку. Структура улиц современной застройки западной, северной и южной окраин имеет рациональное прямоугольно-линейное строение. Генеральный план восстановления Новгорода в послевоенное время учитывал исторические и географические особенности территории. Однако позже (в 60-х - 70-х годах) климатические особенности учитываться перестали, видимо, в силу убеждения в "чистоте" радиоэлектронных производств. Так, в непосредственной близости от исторического центра (Кремля, Ярославова дворища) среди жилых домов появились предприятия ПО " Им .Ленинского комсомола", ПО "Волна" и ПО "Комплекс".

По данным Госкомгидрометеорологии (Ежегодник...,1989) основными загрязнителями атмосферы г.Новгорода являются химические, топливно-энергетические, строительные предприятия и автотранспорт. Поступление в нижние -елои- атмосферы азогных и фтористых соединений обусловлено деятельностью ПО "Азот". Приоритетными загрязняющими веществами считаются: бенз(а)пиреп, пыль и формальдегид. Регулярных измерений по большинству тяжелых металлов - основных канцерогенных веществ на. территории города не проводится, имеющиеся данные фрагментарны. Учитывая "оборонную наклонность" большинства предприятий получить необходимую информацию по выбросам (ингредиентам и их количествам) не удалось. Можно предположить, что с деятельностью радиоэлектронных и электротехнических предприятий Новгорода связано поступление в атмосферу . различных соединений тяжелых металлов (в первую очередь меди, цинка, железа, никеля), а также оксидов серы и азота. К районам потенциального загрязнения этими элементами но мнению автора относятся: ул.Санкт-Петербургская, Сырковское шоссе, площадь

Строителей (Северная нромзона); ул.Нехинская - ул.Ломоносова -пр.Мира (Южная нромзона); ул.Федоровский ручей, ул.Державина.

В целом Новгород можно охарактеризовать как город с развитой промышленной инфраструктурой на севере и юго-западе и ярко выраженным историческим центром.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРИРОДНОЙ ИНДИКАЦИИ

ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ.

В главе рассматривается эффективность использования некоторых природных индикаторов в качестве аккумуляторов аэротехногенного загрязнения в условиях городской застройки.

Особенности использования методов природной индикации для мониторинга природной среды в городах.

Теоретической основой природной индикации является признание тесных взаимосвязей между всеми компонентами природной среды. Научные основы природной индикации загрязнения окружающей среды заложены в работах В.И.Вернадского (идеи о миграции химических элементов) и развиты в дальнейшем Б.Б.Полыновым, А.П.Виноградовым, М.А.Глазовской, А.И.Перельманом, В.В.Добровольским и другими. Решение проблемы оценки загрязнения окружающей среды и контроля за ее состоянием с применением методов природной индикации в настоящее время приобретают все большую значимость.

Для наших исследований несомненный интерес представляют индикаторы - компоненты природы, реагирующие изменением своего качественного состояния на антропогенное воздействие.

Основная задача системы мониторинга заключается в предотвращении негативного воздействия антропогенной деятельности на состояние как биосферы в целом, так и человека в частности. Решению этой задачи в наибольшей степени способствует природная индикация. Имея достаточно репрезентативную выборку данных фактического состояния природных индикаторов и информацию о дозах воздействующих токсикантов, мы получаем возможность перспективного прогноза состояния этих природных объектов, а в конечном счете состояния окружающей среды.

Основные понятия природной индикации и методика использования некоторых природных индикаторов.

Понятие "природный индикатор" используется в географии для оценки антропогенного или антропогенно-модифицированного воздействия. "Природная индикация" часто подразумевает выявление и исследование антропогенных изменений окружающей среды с помощью природных объектов. Типы природных индикаторов, зависят от реакции индикатора на внешнее воздействие. По виду и способу определения влияющих факторов и ответной реакции на него выделяются два типа индикаторов: сенситивные и аккумулятивные.

Использование методов природной индикации для целей мониторинга позволяет лолучать как количественную информацию (для аккумулятивных индикаторов), так и качественную посредством бонитировки (для сенситивных индикаторов). Многие виды природных объектов, применяемых для индикации состояния атмосферного воздуха, имеют достаточно широкое пространственное распространение, что дает возможность использовать их на разных уровнях мониторинга - локальном (городском), региональном и даже на континентальном.

Фитоиндикация.

Индикационные особенности растений широко освещены как в отечественных работах (Ковальский, 1974; Евсеев, 1988; Никифорова,.1979 и другие), так и зарубежных (Мэининг, 1985; Мартин,1984; №5Ь,1976 и другие). В данном разделе изложена специфика их использования в городских условиях. Фитоиндикаторы отличаются по активности накопления аэротехногенных поллютантов. Время реагирования лишайников оценивается в 5-8 лет, кора деревьев обладает большими способностями к самоочищению и поэтому быстрее реагирует на изменение химического состава атмосферного воздуха (время мониторинга - несколько недель). Это свойство обуславливает достаточно устойчивое равновесие концентрации загрязняющих веществ в ее пористой части с их содержанием в атмосферном воздухе. Физиологические и морфологические свойства строения ствола являются сдерживающим фактором проникновения веществ древесины в пористую часть коры.

Высокие индикационные свойства лишайников ограничиваются возможностью их использования - в районах

интенсивного загрязнения эти растения как наиболее чувствительные исчезают первыми. Использование коры в качестве фитоипдикатора, напротив, имеет ряд преимуществ: во-первых, этот индикатор мало контактирует с почвенным покровом и более всего подвержен влиянию атмосферного, загрязнения; во-вторых, в силу централизованного массового озеленения некоторые виды деревьев широко распространены не только в разных городских районах, но и городах, что расширяет возможности сравнительного анализа; в-третьих, кора может использоваться в течении всего года п отражать сезонную динамику загрязнения.

Педоиндикация.

Почвенный покров является одним из основных природных индикаторов состояния экосистем, пассивно аккумулирующий аэротехногенные поллютанты, поступающие в окружающую среду н результате хозяйственной деятельности человека. Наиболее успешно этот метод применяется для оценки состояния воздушного бассейна в крупных промышленных центрах, что нашло отражение в ряде научных работ, как а России (Ревич, Сает и др., 1982,1983; Лукашев, Симучкина, 1985; Глазовская, Касимов и др., 1989), диссертационных работах (Моисеенков, 1989; Цирд, 1989; Мирка, 1989), в серии ежегодников "Загрязнение почв Советского Союза токсикантами промышленного происхождения", выпускаемых с 1974 года, так и за рубежом (ВизЬапег,1973; На1с'т5оп,1980; МаНпо\\'5ка,1987). Многочисленные исследования, показали, что выбросы техногенных аэрозолей различного генезиса и размеров переносятся воздушными потоками на различные расстояния от источника, осаждаются и прочно фиксируются в верхних горизонтах почвы. Теоретические основы по изучению процессов миграции, закрепления и трансформации загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов в почвах , возможности их самоочищения сосредоточены в ряде фундаментальных работ (Ковда и др., 1959; Глазовская, 1972,1978, 1981, 1988; Псрельман, 1975, 1979, 1986; Зырин, Малахов, 1981; Добровольский, 1983, 1989; Орлов,1985; Каббата-Пендиас, 1989 и др.).

Индикация по снежному покрову.

Псрсрективность использования снежного покрова в качестве природного индикатора оценена в работах многих авторов (Василенко, 1985; Иванов, 1988,1989 и др.). Снежный покров является естественным накопителем загрязняющих веществ,

содержащихся в атмосфере. Послойный анализ проб снежного покрова позволяет прослеживать динамику загрязнений как за весь зимний сезон, так и за отдельные периоды. Важной особенностью снежного покрова как аккумулятора загрязняющих веществ является свойство накапливать не только влажные, но и сухие выпадения загрязняющих веществ, контроль которых инструментальными методами весьма сложен и не дает надежных результатов.

Данные о количестве загрязняющих веществ в снежном покрове можно использовать не только для приближенной оценки загрязнения других природных сред, но и для решения более сложных задач — определения вещественного состава и мощности выбросов предприятий, выявления особенностей локального и дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ, дистанционного измерения величины и качественного состава загрязнения территорий.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ.

Глава подробно освещает каждый из этапов обработки материала - от полевого отбора образцов до математической обработки результатов лабороторных исследований.

Полевые исследования.

Для опенки степени аэротехногенной нагрузки на городские геосистемы, автором использовались методы природной индикации, получившие последнее время широкое распространение благодаря высокой объективности и относительно малозатратном механизме получения информации, а также сравнительно-описательные методы (физиономические, морфологические и т.д.) при оценке состояния городских экосистем и их отдельных компонентой.

На территории Новгорода собраны образцы, проведено полевое описание состояния компонентов городских ландшафтов, размещение потенциальных источников загрязнения, картографирование. При обосновании мест пробоотбора учитывалось влияние основных природных (климатического,

геоморфологического и геохимического), а также антропогенного факторов. Проведено предварительное выделение зон потенциального загрязнения и накопления загрязняющих веществ с использованием методики выделения зон функциональной нагрузки па городские ландшафты, разработанной А.В.Евсеевым и соавторами. Методика учитывает этажность н назначение зданий.

площадь зеленых массивов, наличие и мощность потенциальных источников загрязнения, а также некоторые другие критерии, способные изменить накопление поллютантов..

На территории Новгорода выявлелено преобладание трех видов лишайников: Hypogymnia physodes, Xanthoria pariebina, Physcia fenella. При отборе проб предпочтение уделялось виду Hypogymnia physodes, поскольку этот вид встречается практически повсеместно. Среди древесных пород в качестве аккумулятивных индикаторов выбраны: Populus sp., Tilia cordatá и Salix sp.. Для удобства математической обработки территория города была размечена сеткой квадратов со стороной 250 м. Отбор почвенных образцов осуществлялся в каждом из выделенных квадратов. Образцы фитоиндикаторов и снежного покрова - в соответствии с каждой из предварительно выделенных функциональных зон, при этом расстояние между пунктами отбора проб не. превышало одного километра.

Лабороторная обработка полевого материала.

Подготовка и химическая обработка собранных образцов почв, растительности и снежного покрова осуществлялась по стандартным методикам, опубликованным в разных работах ( Методы определения...,1974; методические рекомендации...,1981; Василенко и др., 1985; Е.В.Аринушкина,1962; Танака, Ихикуни,1982 и др.).

В Бронницкой геолого-геохимической экспедиции ИМГРЭ проводилась лабороторная обработка почвенных образцов (приближенно-количественный спектральный анализ на 40 элементов), в Гидрохимической лаборотории каф. гидрологии географического факультета МГУ ( НС032", СГ и другие макроэлементы в образцах снежного покрова), в Центральной химической лаборотории НПО "Азот" ( подготовка и озоление некоторых растительных образцов), в Лаборотории атомной абсорбции МГУ (вся остальная предварительная подготовка образцов, определение pH, концентрации тяжелых металлов в образцах почв, растительности и снега). Подготовка образцов и определение, содержания в них химических элементов проведено автором (за исключением приближенно-количественного спектрального анализа).

Значения концентраций микроэлементов в растворах определены на пламенных атомно-абсорбционных

спектрофотометрах (ПААС) "Hitachi 170-70" и "Hitachi 180-80" в

пламени "ацетилен-воздух", рН - на мономерах И-102, ЭВ-74, концентрации макроэлементов в формах (анионы и катионы) - на иономерах "Бэкман", ЭВ-74, спектрофотометре "Бресо! 11".

Математическая обработка.

По полученным лабороторным числовым результатам были рассчитаны различные коэффициенты, характеризующие особенности расространения и накопления аэротехногенных поллютантов, их зависимость от размещения и мощности источников загрязнения, назначения функциональных зон города. В их числе: расчет средних концентраций по пунктам, кларков концентрации, эллювиально-аккумулятивного коэффициента, геохимических показателей, характеризующих биогенную миграцию химических элементов в ландшафтах (биофильность, коэффициент биологического поглащения, растительно-почвенный коэффициент и др.). По всем массивам цифрового материала проведена полная статистическая обработка, включающая , вычисление средних значений по рядам, дисперсию рядов, оценку стандартных отклонений, корреляционную зависимость. Кроме того, высчитывался Суммарный показатель загрязнения (в условных еденицах) - СПЗ для каждого индикатора:

Кс/п , где 2с - СПЗ, Кс - коэффициент концентрации (отношение содержания элемента в образце к местному фоновому содержанию), п - количество -определяемых элементов. "Ареалы" города, где значение СПЗ ниже единицы определяются как чистые районы, в пределах от единицы до двух - как районы среднего загрязнения, более двух - относительно высокого загрязнения.

На оснований полученных данных построены карты-схемы распределения поллютантов на территории г.Новгорода.

Построение карт-схем фактического загрязнения.

Для графического представления полученных данных но содержанию загрязняющих веществ в депонирующих средах был использован программный пакет, разработанный на НИВЦ МГУ. Этот пакет позволяет создавать векторные графические изображения; а также наглядно демонстрировать распределение различных показателей в двумерной системе координат. Для построения "ареалов" концентраций загрязняющих веществ был использован специально разработанный алгоритм интерполяции. При нанесении их на картографическую основу устанавливались пять ли.чпалонов значений, отпажаемых на экпане оазличными

цветами. Насыщенность цвета возрастала с увеличением значения концентрации. На "твердых" копиях использовалась различная штриховка.

Трендовый анализ накопления загрязняющих веществ в культурном слое г.Новгорода.

Для выявления закономерностей накопления свинца к меди автором был проведен трендовый анализ слоен культурного слоя г.Новгорода. Оценивание трендов и прогноз сопровождается необходимыми статистическими характеристиками, па основе которых можно определить качество оценки параметров тренда, точность подгонки, выбрать наиболее оптимальный тренд, оценнть степень надежности прогноза.

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ГОРОДА НОВГОРОДА.

В этой главе рассматриваются особенности распределения и накопления аэротехногпных ноллютантов в депонирующих средах г.Новгорода. С помощью методов природной индикации дана оценка влиянию "морфологии" города (учитывающей расположение источников загрязнения, этажность жилых массивов, степень озеленения и др.) па состояние воздушного бассейна. Сделана попытка проследить динамику развития местного геохимического фона. Проведено районирование исследуемой территории но степени аэротехногенной нагрузки и даны практические рекомендации по ее снижению.

Особенности накопления загрязненных веществ в фнтоинднкаторах.

В данном разделе исследуются особенности накопления загрязняющих веществ в лишайниках, коре и листьях деревьев. По всем рассматриваемым химическим элементам построены карты-схемы распространения загрязнения и достаточно четко определены источники.

По суммарному • показателю загрязнения каждого из фнтоиндикаторон проведено ражмшронннс. Анализ СПЗ коры деревьев позволил выделить районы относительно высокого н умеренного загрязнения, которые территориально приурочены к Южной промышленной зоне (ул. Нехинская - ул. Ломоносова - ул. Октябрьская) и распространяются на север в соответствии с феобладающим направлением нетра (см. Рис.1). Здесь

Рис 1. Схема распределения СПЗ коры деревьев г. Новгорода

Диапазоны

ьЛ ,

>н"нн> 0.5

0.5 1.0

1.0 1.5 1.5 2

бол со 2.0

земляной вал К ром ль

точки отбора проб

зарегистрированы повышенные концентрации многих исслеуемых металлов. Максимальные концентрации меди, цинка и кобальта более чем на порядок превышают фоновые показатели. Прослеживается влияние автомагистралей (высокое содержание свинца 6 коре деревьев отмечено на ул. Санкт-Петербургская от Кремля до ул. Щусева и в прилегающих к ней кварталах, а также на ул. Московская). К районам слабого загрязнения отнесена южная и юго-восточная части города.

По СПЗ лишайников к районам высокого и умеренного загрязнения относятся: на севере - Северная промзона и примыкающие с юга ПО "Волна" и ПО "Спектр" (приоритетные поллютанты: медь, свинец, кобальт, кадмий, цинк, стронций, железо, хром); на юго-западе - от Южной нромзоны к Историческому центру с максимумом у Земляного вала (свинец, кобальт, кадмий, железо, хром, цинк, никель); на юго-востоке -зона малоэтажной жилой застройки (свинец, железо, хром, цинк).

Использование листьев в качестве аккумулятивных индикаторов воздушного загрязнения в силу их физиологических особенностей таких результатов не дает - "ареалы" распространения поллютантов фрагментарны. Однако этот вид может -быть рекомендован для вспомогательных исследований. Так, например, сопряженный анализ накопления металлов в листьях и почвах районов повышенного загрязнения показал, что здесь происходит существенное изменение геохимической миграции элементов. Медь, марганец и кобальт из веществ среднего биологического поглощения (Ах = п - 0-п) переходят в разряд сильного (Ах = 10п - п), цинк -в разряд энергичного (Ах = = ЮОп), свинец - из веществ очень слабого биологического поглощения (0,0-п - 0,00-п) в разряд сильного.

При оценке кларка концентрации (соотношение среднего содержания химического элемента в сухой массе исследуемого фитоиндикатора, в данном случае - коры деревьев, к среднему содержанию в наземных растениях) для районов умеренного загрязнения отмечена следующая последовательность распределения элементов в порядке убывания (в усл. ед.):

РЬ>гп>5г>Мп>Со;Ре;Си;№>Сг

3,83>2,20>1,13>1,09>0,60>0,50>0,02

Приоритетными металлами, накапливающимися в избыточном количестве в коре деревьев, являются свинец, цинк, стронций; и

лишайниках - снинсн, хром, железо, кобальт, цинк, мель; и листьях

- хром, енннен, кобальт, кадмий, цинк.

Комплексное использование фитонндикаторов для оценки состояния воздушного бассейна позволило охарактеризовать динамику загрязнения, а также детальнее выделить поля эмиссии аэротехногенных поллютантов. Для более корректной идентификации источников загрязнения по всем исследуемым ипгридиентам рассчитаны корреляционные матрицы. С помощью кластерного анализа выделены следующие группы загрязняющих веществ, накапливающихся в рассматриваемых фитоиндикаторах:

№ - Сс1 - Си - Со - гп; РЬ - Сг; Мп; Ре; Бг.

Очевидно, что первая группа элементов связана с деятельностью электронно-технических и радиоэлектронных производств, вторая - с влиянием автотранспорта.

Результаты исследований показали: а) наиболее эффективными фитои иди катерами, согласованно фиксирующими аэротехногенную нагрузку, являются лишайники и кора деревьев; б) зоны относительно высокого и умеренного типов загрязнения, выделенные с помощью фитоиндикаторов, территориально приурочены к промышленным зонам и наиболее загруженным автомагистралям.

Рассмотренные фитоиндикаторы - фиксируют относительно небольшой временной интервал (кора, например - несколько недель, до первого интенсивного выпадения осадков; листья - сезон вегетации).

Аналогичный временной интервал, но за зимний сезон (3-4 месяца) фиксирует снежный покров.

Особенности накопления загрязняющих веществ в снежном покрове.

В Новгороде автором выделено два преобладающих типа снежного покрова: хлоридно-сульфатный (преобладающие катионы

- магний и кальций) и сульфатно-хлоридный (кальций). В. Н. Василенко и др. (1985) считают, что для этого региона характерен снег гидрокарбонатного состава (кальций). Однако, но данным автора, этот тип снега имеет локальное распространение и отмечен лишь в северо-восточной части города.

Области загрязнения снежного покрова в отличии от фитоиндикаторов и почв имеют более широкое распространение. Причиной этого эффекта являются, очевидно, вторичная ветровая

транспортировка снега за пределы образования, а также неравномерность термических условий в различных функциональных зонах. Так, зоной повышенного и умеренного загрязнения является по-существу вся территория города. Чистые (условно фоновые) районы расположены в южной части города (Юрьев монастырь, Перынский скит), что обусловлено отсутствием источников загрязнения в этом районе и преобладающим южным направлением ветра. Функциональные зоны сильно отличаются друг от друга но структуре загрязнения. Для Северной (Григорово) и Южной (Панковка) промышленных зон характерны высокие концентрации сульфатов (в 4--5 раз выше среднего по городу) -отмечена зависимость между увеличением содержания ионов БО*2" и уменьшением рН. В зоне действия радиоэлектронных и электроннотехнических предприятий (на расстоянии до 2-3 км) отмечено повышенное содержание тяжелых металлов. В Северной промзоне - РЬ, 2п, Си, № и Ре, причем концентрации меди и никеля здесь являются максималными для города и выше среднего по городу в 12,6 раза, фонового - в 36,8 раза, что указывает на наличие мощного источника загрязнения.

В Южной промзоне основными аэротехногенными поллютантами являются - Со и Бе, причем содержание кобальта максимальное, а интенсивность загрязнения убывает в северном и северо-восточном направлении, согласуясь, с преобладающим направлением ветра.

В зоне жилой застройки (Григорово, Трубичино, Хутынь и др.), прилегающей непосредственно к Северной промзоне, отмечено максимальное содержание Мп (в 3,8 раза выше фонового). Содержание стронция в среднем равномерно и колеблется в пределах от 0,4 до 5,8 мкг/л, поэтому 3-4-х кратное увеличение в Северной части города - единичное и требует дополнительных исследований.

Для г. Новгорода установлена следующая последовательность распределения средних значений коэффициента местного накопления (по отношению к глобальному фоновому содеражиню):

С£}>2п>Си>РЬ>М1>Ре>Яг>Мп>Со

4,3>3,4>2,5>2,0>1,4>1,0>0,7>0,5>0,2 . и максимальных значений:

Сс1>2п>Си>№>5г>РЬ;Ре>Со>Мп,

22>14,8>9,9>15,1>4,0>3,9>1,6>1,2

что указывает на повышенное накопление кадмия, пинка, меди, свинца и никеля в снежном покрове г. Новгорода.

Тесной корреляционной связи среди рассматриваемых металлов не обнаружено. Между некоторыми отмечена лишь средняя зависимость:

Си - Ре (г = 0,46), Ие - Бг (г = 0,42) и др.

Более длительный период накопления загрязняющих веществ (десятки—сотни лет) фиксирует почвенный покров.

Особенности накопления загрязняющих веществ в почвах.

Изучение почвенного покрова в качестве индикатора загрязнения воздушного бассейна осложняется его трансформацией в пределах урбанизинованных территорий (строительная деятельность, поливной режим, внесение удобрений, перекрытие привозными грунтами, изоляция асфальтовым покрытием и т. п.). Кроме того, состояние почвенного покрова характеризует геохимическую обстановку за длительный (до нескольких десятков лег) период времени, что не всегда отражает современную аэротехногенную нагрузку.

Анализ распределения металлов в поверхностном слое почв г. Новгорода позволил выделить основные, действующие в течение длительного срока, источники загрязнения. Районирование территории с использованием СПЗ почв (валовое содержание) показало: к районам относительно высокого и умеренного загрязнения относятся территории Южной и Северной промышленных зон и прилегающие к ним кварталы зоны многоэтажной жилой застройки, а также некоторые участки (пл. Строителей, Колмово, ул. Московская) вдоль высоко загруженных автомагистралей (см. Рис. 2). Для этих районов характерно повышенное содеражание ряда химических элементов: свинца (ККл = 62,5), цинка (ККл = 36,1), хрома (ККл = 10), меди (ККл = 8,5), никеля (ККл = 2,5). Районы, выделенные по СПЗ подвижных форм (аммонийно-ацетатная и солянокислая вытяжки) почв, определяются более четко:

1) ул. Нехинская - ул. Ломоносова - ул. Октябрьская. Источники загрязнения: ПО "Старт", ПО "Элкон", автотранспорт. Приоритетные поллютанты: хром, кобальт, свинец, медь;

2) пл. Строителей - ул. Санкт-Петербургская - ул. Германа. Источники загрязнения: ПО "Волна", ПО "Спектр",

СОЗ

Рис 2. Схема распределения почв г. Новгорода

Диапазоны

|

менее 0.5 л. л л земляной вал

0.5 1.0 Кремль

10 15 * точки отбора проб

1.5 2

автотранспорт, ТЭС. Среди тяжелых металлов приоритетными ноллютантами являются свинец, цинк, медь.

В целом для почв г. Новгорода установлена следующая последовательность распределения коэффициента местного накопления (по отношению к среднему содержанию в почвах (Орлов, 1992)), для валового содержания (в усл. ед.): РЬ>2п>Си>Со>№;Мп;Сг>Бг;

7,9>4,3>1,8>1,1>0,6>0,2 для подвижных форм:

Сг>гп>РЬ>Со>Си>С<1>Мп>№

10,8>9,42>5,84>5,55>3,56>3,16>2,92>0,18 Анализ матрицы корреляционной зависимости химических элементов, содержащихся в поверхностном слое почв, позволил выделить следующие группы металлов:

№ - Си - Со; РЬ - Ъп - Ие, имеющие, очевидно, общий источник загрязнения.

Проведенные геохимические исследования определили приоритетные ноллютанты. Накопление свинца, цинка, меди и кобальта в гумусовом горизонте почв указывает на достаточно интенсивное их поступление. Более подробно характеризуют динамику местного накопления поллютантов данные геохимического анализа органических остатков культурного слоя.

Временные особенности накопления загрязняющих веществ в культурном слое Новгорода (на основе анализа археологических данных)

В данном разделе сделана попытка проследить тенденцию накопления загрязняющих веществ в культурном слое г. Новгорода и на этой основе выделить динамику наложения антропогенной составляющей на природный фон, то есть, в конечном счете, выделить динамику развития местного геохимического фона.

Для выполнения поставленной задачи автором проведен трендовый анализ содержания свинца, меди и СПЗ в двух анализируемых разрезах (Нутном и Троицком). Полученные данные сопоставлены с современным уровнем загрязнения поверхностного слоя почв. По статистическим параметрам наиболее оптимальным является параболический и линейный с синусоидой тренды. На рис. 3 изображен график накопления меди в различные временные периоды, прогноз тенденции до 2000 года, для сравнения указано современное фактическое загрязнение.

Выровненная поверхность тренда указывает на достаточно стабильное повышение местного фонового уровня. Современное фактическое значение концентрации совпадает с прогнозным в порядковой величине,- То есть с развитием производства на территории г. Новгорода (в зоне исторического центра) формируется локальная антропогенная геохимическая аномалия. Накопление поллютаптов определяется как природными, так н техногенными факторами.

ПРОГНОЗ НАКйПЛ?»*» М£ДК в КУЛЬТУРНОМ слог г. НОВГОРОДА (Троиц.*"« разри)

Используемый математический метод позволяет с известной долей приближения восстанавливать местный геохимический фон за • различные ртрсзкн времени. Данный подход может также использоваться и для геохимической датировки в культурном слое городов с подобным Новгороду типом развития.

Районирование территории города по степени аэротехногенной нагрузки и рекомендации по ее снижению.

По результатам природной индикации выделено три основных района аэротехногеппой нагрузки на городские экосистемы:

1. Районы интенсивного накопления - приурочены в основном к Южной и Северной промышленным зонам и прилегающим кварталам многоэтажной жилой застройки, подверженным прямому воздушному загрязнению, а также влиянию узловых транспортных развязок. Условно можно выделить три "ареала" активного накопления аэротехногенных поллютапто»:

а) ул. Нсхкнская ~ южная часть пр. Мира и улицы Ломоносова - частично ул. Псковская; к . . б) пл. Строителен -■ наб. р. Гзепь - ул. Германа;

в) Колмоно - -северная часть ул. Санкт-Петербургской - ул.-Григорово-.

2. Районы умеренного накопления:

а) большая часть золы многоэтажной жилой застройки западной окраины т. Новгорода (ул. Кочетона - пр,- Мира - ул. Ломоносова); ' . . -

б) исторический центр (Кремль, Ярославово дворище);

в) зоны много- и малоэтажной жилой застройки, садово-парковая, Торговой стороны. • ..

Благодаря отсутствию мощных источников Загрязнения, 'условиям гипервептиляцни .-долины' -р. Волхов и' широким современным проспектам западной части Новгорода интенсивного накопления рассматриваемых поллютапто» в этих районах не наблюдается.

3. Районы слабого загрязнения (условно фоновые): садово-парковая зона.и неосвоенные территории, расположенные вне досягаемости основных источников загрязнения в южной и юго-западной частях города (Витославицы, Перынский скит и др.).

В этом разделе также даны рекомендации для проведения природоохранных мероприятий.

Заключение

1. Результаты исследований показали, все природные индикаторы могут использоваться при комплексной оценке загрязнения воздушного бассейна городов Северо-Запада России. . Они; относительно согласованно фиксируют азротехп'огениые нагрузки на городские геосистемы. Оценка загрязнения' должна

проводиться с учетом биологических свойств индикатора и времени его реакции на поступление загрязняющих веществ. По скорости самоочищения (время мониторинга) индикаторы располагаются в следующей последовательности: кора деревьев -снежный покров - эпифитные лишайники - почвенный покров.

2. Среди исследуемых аэротехногснных поллютантов, накапливающихся в природных объектах городской среды, выделяются свинец, цинк, кобальт, медь, никель, кадмий. А они как известно сопутствуют промышленным выбросам, именно, радиоэлектронных производств.

3. Среди антропогенных факторов, влияющих на степень загрязнения городских геосистем выделяются: радио-электронные и электронно-технические предприятия и система ТЭС - обширное пространственное распространение (регистрируется на удалении до 5--7 км), автотранспорт - с линейным распространением загрязнения вдоль улиц и автомагистралей (в полосе шириной до 50 м), а также степень озеленения и структура города. Загрязнение селитебных районов, использующих газ (реже уголь) в качестве топлива - малозаметно. По исследуемым загрязнителям в отличие от традиционно сложившейся точки зрения влияние НПО "Азот" на северную часть города не прослеживается. Но медицинские обследования свидетельствуют о связи интенсивности детской заболеваемости с выбросами ПО "Азот".

4. По степени аэротехногенной нагрузки выделены:

а) районы относительно высокого загрязнения - связаны в основном с Южной и Северной промышленными зонами, а также узловыми транспортными развязками;

б) среднего - зоны много- и малоэтажной застройки и исторический центр города, поскольку эти зоны подвержены прямому воздушному загрязнению, исходящему от Южной промзоны; а также влянию автотранспорта (узкие улицы Торговой стороны способствуют застою выхлопных газов);

в) слабого - южная и юго-восточная часть города, удаленные от основных источников загрязнения

Использование метода автоматического построения карт-схем загрязнения по всем природным объектам позволило более точно выделить и охарактеризовать приоритетные источники загрязнения и оценить дальность распространения иоллютаитов.

5. Анализ тенденции накопления загрязняющих веществ в профиле культурного слоя (КэаРЬ - 6,6; Кэагп - 22,5, КэаСи - 8,66)

свидетельствует о формировании локальной геохимической аномалии. Используемый в работе метод выравнивания тренда позволяет с известной долей приближения восстанавливать местный геохимический фон в различные временные периоды. 6. Особенности строения г. Новгорода, структура его функциональных зон характерны для многих исторических центров Северо-Запада России. Поэтому результаты исследований вполне могут быть интерпретированы и для этих городов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Зависимость экономического ущерба от загрязнения природной среды // Вопросы экологии в гальваническом производстве (тезисы докладов и сообщений), Новгород, 1991, с.17-19.

2. Изучение содержания тяжелых металлов в снежном покрове в районе п.Тикси, Северная Якутия//-М.,1988.-8с.-Деп. в ВИНИТИ 19.09.88, №3279,- Вест.Моск.ун-та.сер. геогр,- 1988,- №5. В соавторстве с Т.М.Красовской.

3. Зависимость заработной платы и экономического ущерба от загрязнения природной среды// Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. Обзорная информация. №7, 1991, М., ВИНИТИ АН СССР, с.44-46.

4. Accumulation of industrial air pollutants in Urban Environments//Abstracts. 27th International Geographica! Congress. Washington,D.C., 1992, pp.590-591.

(НИЭИуголь. Типография. Москва.