Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов

ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов"

На правах рукописи

ЛУБКОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМ ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА ОСНОВЕ БАЛАНСОВЫХ РАСЧЕТОВ

Специальность 25 00 09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1//

МОСКВА-2007

0030Т0302

003070302

Работа выполнена на кафедре геохимии геологического факультета Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель кандидат геолого-минералогических наук,

доцент Юрий Николаевич Николаев

Официальные оппоненты доктор геолого-минералогических наук

Аркадий Александрович Головин (ИМГРЭ)

кандидат геолого-минералогических наук Ирина Васильевна Галицкая (Институт геоэкологии РАН)

Ведущая организация геологический факультет Санкт-

Петербургского государственного университета (СПбУ)

Защита диссертации состоится 25 мая 2007 г в 16 час 00 мин на |заседании диссертационного совета Д 501 002 06 при Московском государственном университете им M В Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», геологический факультет, аудитория 829

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж)

Автореферат разослан " 24 " марта 2007 г

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор геолого-минералогических наук / / Киселева И А

/

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Экологическая геохимия, сформировавшаяся как самостоятельная научная дисциплина в 70-80 годы XX века, развивалась как прикладная наука, направленная на констатацию факта техногенного загрязнения химическими элементами компонентов окружающей среды и описание объектов и ситуаций, где данное загрязнение наиболее ярко проявилось (горнорудные территории, урбо- и агроландшафты) К настоящему времени разработаны методы количественной оценки загрязнения окружающей среды, определены геохимические показатели ее качества, сформировались представления о масштабах и последствиях геохимического преобразования биосферы в связи с деятельностью человека Использование полученных знаний в практических целях служит основой для разработки рекомендаций и мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации негативных последствии человеческой деятельности

Прогноз загрязнения окружающей среды на современном этапе эколого-геохимических исследований преимущественно основан на оценке динамики загрязнения и экстраполяции полученных данных в некотором временном диапазоне Такой подход страдает двумя очевидными недостатками

1 Длительным периодом времени, затрачиваемым на выявление динамики загрязнения в основных депонирующих компонентах окружающей среды, на основе которой возможно осуществлять дальнейшее прогнозирование,

2 Отсутствием в его основе балансового подхода, позволяющего учитывать всю последовательность геохимических изменений в сопряженных компонентах окружающей среды, находящихся под источников химического загрязнения

Устранение этих недостатков применительно к некоторым типам воздействия представляется возможным путем использования расчетных моделей загрязнения и балансовых подходов, которые рассмотрены в настоящей работе

Цель работы - разработка научных основ прогнозирования химического загрязнения в локальных экосистемах на основе расчетных моделей и балансовых подходов Для достижения поставленной цети решались следующие задачи

1) оценка потоков поступления, выноса и количеств аккумулированных загрязнителей в почвах, находящихся под воздействием промышленных выбросов (на примере Национального парка Лосиный остров),

2) оценка потоков поступления и количеств аккумулированных загрязнителей в почвах, находящихся в зоне влияния транспортной магистрали (на примере МКАД),

3) оценка потоков поступления, выноса и количеств аккумулированных загрязнителей в донных отложениях малых рек (на примере р Ичка),

4) разработка расчетных моделей оценки и прогноза загрязнения почв химическими элементами, поступающими с выпадениями из атмосферы,

5) разработка расчетной модели оценки и прогноза загрязнения донных отложений химическими элементами, аккумулированными в снежном покрове в бассейнах рек

Научная новизна работы:

- разработана модель и предложено уравнение, позволяющее проводить оценку загрязнения почв тяжелыми металлами, содержащимися в промышленных и транспортных выбросах,

- разработана расчетная балансовая модель поступления - выноса компонентов противогололедных реагентов в зоне влияния транспортной магистрали, позволяющая прогнозировать загрязнение почв,

- разработана модель и предложено уравнение, позволяющее проводить оценку загрязнения донных отложений химическими элементами, аккумулирующимися в снежном покрове,

Практическая значимость работы Предложенные подходы и разработанные методы позволяют осуществлять прогнозирование загрязнения депонирующих компонентов окружающей среды химическими элементами применительно к экосистемам лесопарковых зон и бассейнов малых рек, находящихся под воздействием промышленности и транспорта

На основе разработанной балансовой расчетной модели поступчения - выноса компонентов противогололедных реагентов зоне влияния транспортной магистрали представляется возможным определение критических доз их поступления на дорожное пототно, превышение над которыми вызовет сдвиг равновесия в сторону прогрессирующего засоления почв и пагубное влияния на состояние лесных насаждений в придорожной полосе

Фактический материал. В основу диссертационной работы положены результаты мониторинга снежного покрова, почв, донных отложений и вод (2000-06) на территории Национального парка Лосиный остров (г Москва), проводимого с участием автора За указанный период были отобраны 102 пробы снега, около 600 почвенных проб, 112 проб донных отложений, 25 проб речной воды В работе использованы результаты снеговых съемок МОМГЭ ИМГРЭ за 1977-78 , 1987-88 п , предоставленные С Б Самаевым, и данные кафедры геохимии МГУ (1998-99 гг), обобщенные в коллективной монографии (Николаев и др, 2000) и диссертационной работе Ю Л Марковой (2003)

Основные защищаемые положения:

1 На основе балансового подхода разработана модель и предложено уравнение, позволяющее по интенсивностям твердофазных выпадений в зимний период проводить оценку и прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами

2 На основе расчетной модели выполнены оценка и прогноз загрязнения почв промышленными выбросами на территории НП «Лосиный остров» Установлено, что загрязнение почв на расстоянии до 5 км от границы промышленных зон обеспечивается сопоставимыми количествами взвешенных (30-40% для Мо, Ъп №, 50-60% для Си, Ag и 80% для РЬ) и растворенных форм тяжелых металлов Согласно прогнозу, средние содержания приоритетных загрязнителей в почвах превысят аномальный уровень на расстоянии до 1 км через 35-65 лет, в более удаленных частях парка - не ранее, чем через 150-300 лет

3 На примере отрезка МКАД, проходящего по территории НП «Лосиный остров», показано, что загрязнение почв в зоне влияния транспортной магистрали определяется преимущественно твердофазными выпадениями, обеспечивающими в полосе до 100 м от дорожного полотна 65-95% запасов гяжелых металлов Время формирования техногенных аномалий приоритетных загрязнителей в интервале 0-25 м составляет 20-50 лет, 25-50 м -40-90, 50 - 100 м - 60-130 лет

| 4 На основе разработанной балансовой модели и установленных параметров, характеризующих аккумуляцию солей из снежного покрова при его таянии и их вымывание осадками из почв в течение теплого периода на примере отрезка МКАД проведены оценки и прогноз солевого загрязнения вблизи автомагистрали Установлены предельные запасы (содержания) солевых компонентов в почвах для заданных расчетных нагрузок

| 5 Предложено уравнение, позволяющее по запасам тяжелых металлов в снежном покрове, проводить оценку и прогноз загрязнения донных отложений На примере малой реки, протекающей в зоне влияния МКАД, показано, что превышение минимально-аномального уровня содержаний главных загрязнителей (РЬ и Хъ) в донных отложениях обеспечивается аккумуляцией 20% их взвешенных форм, депонированных в снежном покрове за период 20-30 лет

Структура и объем работы Работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на страницах машинописного текста, содержит 55

таблиц, 36 рисунков и список литературы, насчитывающий наименований

Публикации и апробация работы Результаты исследований докладывались на II Межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геотогии и рационального недропользования», Санкт-Петербург, 2001, III Международном совещании, посвященном 10-летшо Научно-исследовательского института геохимии биосферы РГУ, Новороссийск, 2001 г , V и VII Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2001, 2005 г г По теме диссертации опубликовано 15 научных работ

Благодарности Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту Ю Н Николаеву и Т В Шестаковой за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы, Самаеву СБ - за предоставленные результаты снеговых и почвенных съемок по территории НП Лосиный остров и полезные советы, Гричуку Д В - за консультации и внимание к работе, Яникиевой О Е за плодотворную совместную работу, Алехину Ю В - за консультации, Пчелинцевой II Ф, Родионовой И П, Митояну РА за помощь при выполнении анализов, Аплеталину А В и Охапкиной Е Ю за содействие и помощь по обработке результатов и оформлении работы

Глава 1. Использование балансового подхода для решения задач по оценке и прогнозированию загрязнения локальных экосистем химическими элементами

Для решения задач по оценке и прогнозированию загрязнения локальных экосистем химическими элементами целесообразно использовать балансовые модели, позволяющие описать динамику отдельных геохимических показателей в некотором объеме природной среды, определяя связь между скоростями изменения миграционных потоков в пространстве и скоростями изменения состояния системы во времени (Кошелева, 1997, 2002) Потоки образуют приходную и расходную части в уравнении баланса, тогда как изменения в состоянии характеризуют приращение запасов вещества в системе

Балансовые модели являются отражением системного подхода, в основе которого лежат представления о природном (природно-техногенном) комплексе (экосистеме, биогеоценозе, геохимическом ландшафте) как системе «блоков», связанных между собой «потоками» вещества, а также входными и выходными потоками, связывающими изучаемую систему с другими (Гильманов, 1978, Елпатьевский, 1993, Глазовская, 1981)

Балансовый подход оказался наиболее продуктивным в геохимии - при изучении химического строения земной коры (Ронов и др, 1990), в геохимии ландшафтов - при изучении круговорота биогенных элементов (Родин, Базилевич, 1965, Глазовская, 1996, Алексеенко, Марунич, 1985 и др), в агрохимии - при описании перемещения и трансформации азота, фосфора, калия в почве, растворения и поглощения удобрений (Кошелева, 1997,2002)

Большой интерес представляют работы по изучению балансов химических элементов в локальных экосистемах, в которых использован метод «малых водосборов», основу которого составляют режимные наблюдения за поступлением веществ на площадь водосбора (атмосферные выпадения, сточные воды) и выносом их с речным стоком (Елпатьевский, 1993, Schut et al, 1986, Rosenberry et al, 1999)

Практическая реализация балансового подхода для прогнозирования загрязнения депонирующих компонентов среды основывается на количественной оценке техногенных потоков миграции элементов в экосистемах

Выделение техногенной составляющей в общем миграционном потоке химических элементов может быть реализовано при сравнительном анализе оценок статей баланса для экосистем, подверженных техногенному воздействию и не испытывающих влияние источников загрязнения (объекты-аналоги)

Балансовый подход широко используется при оценках критических нагрузок загрязнителей (серы, азота, тяжелых металчов) на наземные и водные экосистемы (Башкин и др, 2004), для расчетов общих предельно-допустимых техногенных кислотных нагрузок на почвы и поверхностные воды (Гтазовская, 1994)

Батансовый подход находит свое применение при моделировании биогеохимических циклов тяжечых металлов с целью получения прогнозных оценок загрязнения почв в районах интенсивного развития сельского хозяйства (Кошелева, 2002, Обухов, Попова, 1992, Черных и др, 1994, Кузнецов и др , 1986, Минеев и др , 1988)

Полученные с помощью модели уровни содержания тяжелых металлов на конец расчетного периода позволяют определить допустимость текущих нагрузок на экосистемы и при необходимости принять решения об адаптации используемых технологий к условиям загрязнения При неблагоприятных экологических ситуациях с помощью балансовой модели может проводиться обоснование мероприятий по ликвидации существующего загрязнения путем рекультивации земель (Кошелева, 2002, Обухов, Плеханова, 1995 и др )

На основе данных, потученных в ходе эколого-геохимических исследований, оказывается возможным проводить оценки входных функций и параметров балансовых моделей и осуществлять долговременный прогноз загрязнения депонирующих компонентов природной среды - почв и донных отложений

Глава 2 Характеристика объекта исследования

¡Основным объектом исследований, на котором проводилась проверка разработанных балансовых моделей загрязнения почв и донных отложений химическими элементами являлся, Национальный парк "Лосиный остров", расположенный в северо-восчочной части г Москвы

¡Географически парк приурочен к стыку Мещерской низменности и Клинско-Дмитровской гряды, являющейся водоразделом рек Москвы и Клязьмы Рельеф территории представляет собой спаборасчлененную поверхность со средними абсолютными отметками 150-160 м и относительными превышениями не ботее 60 м

Климат района умеренно-континентальный Среднегодовая температура воздуха составляет 3-4,8°С, годовая сумма осадков - 600-650 мм, из которых около 220 мм выпадает в холодный период года (на 50-80% в виде снега) и идет на формирование устойчивого в течение 130-150 дней снежного покрова высотой 35-45 см на период максимального влагозапаса в конце февраля

¡Поверхностные воды на территории парка представлены реками, ручьями, заболоченными озерами, прудами Наиболее крупные реки - Яуза с левым притоком Ичкой и Пехорка относятся к бассейну р Москвы Естественные режимы рек, протекающих по территории парка, характеризуются высоким непродолжительным половодьем, летне-осенними дождевыми паводками и устойчивой зимней меженью

¡Основным источником питания рек служит поверхностный (снеговой и дождевой) сток, на долю которого приходится до 70-80%, остальная часть стока образуется за счет грунтовых вод, которые залегают близко к поверхности (1,5-6 м)

¡Аллювий рек на территории парка представлен русловой и пойменной фациями В верхних течениях рек и в ручьях в составе аллювия преобладают песчано-глинистые отложения, в средних и нижних течениях - песчанистые

В геотогическом строении парка принимают участие рыхлые четвертичные отложения, залехагощие на размытой поверхности маломощных песчано-глинистых образований верхнеюрского и нижнемелового возраста

Преобладающим типом почв на территории парка являются дерново-подзолистые легкосуглинистые (49% площади) и глубокоподзолистые глееватые супесчаные (27% площади), занимающие положительные элементы и формы рельефа К отрицательным формам рельефа приурочены болотно-подзолистые, дерново-глеевые и торфяно-болотные почвы, к поймам рек - аллювиальные почвы

Основное воздействие на экосистему парка оказывают промышленность и транспорт Вокруг парка расположено 100 промышленных предприятий, которые являются источниками выбросов в атмосферу твердых и газообразных продуктов К основным транспортным магистралям, оказывающим воздействие на парк, относятся Московская кольцевая автомобильная дорога (МКАД), пересекающая территорию на отрезке 7,5 км, а также Щелковское и Ярославское шоссе

Глава 3 Методика исследований

Полевые исследования В основу методики полевых исследований, целью которых являлось получение данных, позволяющих определить параметры расчетных уравнений, па основе которых осуществлялось прогнозирование загрязнения почв и донных отложений по пьпевым выпадениям от промышленности и транспорта, положены результаты экочого-геохимической съемки и циклов мониторинга, включающие опробование снежного покрова, почв и донных отложений водотоков Полевые работы на территории объекта исследования включали в себя

1 Эколого-геохимическое картирование с опробованием снежного покрова, растительности (для проведения пылевых смывов) и почв Проводилось по регулярной квадратной сети Плотность отбора почвенных проб составила не менее 1 пр /км , снеговых проб - 1-4 пр /км2

2 Детальные опробованием снежного покрова и почв в районе МКАД (в полосе шириной 1000 м) Опробование почв проводилось по прямоугольной сети с расстоянием между профилями 500 м и шагом отбора проб 20-50 м Опробование снежного покрова - на удалении 5, 25, 75, 125, 275 и 525 м от дорожного полотна

3 Режимные наблюдения на створе р Ички с ежемесячным опробованием вод

4 Опробование донных отложений водотоков с шагом 250 м Аналитические исследования Для определения концентраций химических

элементов в пробах почв, донных отложений и снеговых вод использовались эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионный (с 1СР), потенциометрический и методы объемного титрования

Пробы почв, донных отложений и снеговых взвесей анализировались эмиссионным ПКСА на 36 х э в аттестованной лаборатории ОМЭ (г Александров) В той же лаборатории часть анализов снеговых вод и взвесей была выполнена методом атомно-эмиссионной спектроскопии на спектрометре «Оптлма-2000-Г>\;» с 1СР

Определение содержаний Си, 7.п, РЬ, N1, Со, Ag в снеговых водах проводилось атомно-абсорбциотшым методом на спектрометре ААС-2 Относительное стандартное отклонение менее 5%, правильность контролировалась методом добавок Химические определения шестикомпонентного состава снеговых вод выполнялись автором по стандартным методикам (Лурье, 1984) Относи гельное стандартное отклонение для концентраций макроэлементов не превышало 1%

Потенциометрические определения № и С1 в водных почвенных вытяжках (т ж=1 10) проводитесь автором на иономере И-120 1 с комплектом этектродов (ЭСЛ-51-07 и «ЭЛИТ-261») Относительное стандартное отклонение не превышало 10%

Методика обработки данных Определение параметров и характеристик распределения химических элементов геохимического фона (Сф), стандартного множителя (е), минимально-аномальных (Сми„ ан) и среднеаномальных (Сср ан) содержаний, коэффициентов концентрации (Кс), вариации (V) и корреляции (г) проводилась на основе стандартных процедур и рекомендаций (Соловов, 1990)

Поступление пыто и элементов с атмосферными выпадениями во взвешенной (РЕЗВ) и растворенной (Рр) формах определялось путем расчета среднесуточных нагрузок (кг/км2сут) Рп = ш „ /в и Р,взв = Свзв Рп, Рр = Ср У/в г, где Рп - пылевая нагрузка, тп - масса пыли в снеговой пробе (мг), э - площадь сечения шурфа (м2), I-время от начала установления снежного покрова до момента отбора проб (сут), С,юв (мг/кг) и С,р (мг/л) - концентрации химических элементов во взвеси и воде, У-объем снеговой воды (л) (Сает, 1990)

Расчет интенсивности пылевых выпадений в летний период (кг/км2 сут) по результатам смывов с листьев деревьев проводился по формуле (Маркова, 2002) Рп = тл Сп /Э 1, где сп - количество пыли на единицу массы листа (мг/кг), тл - масса листвы (кг), Б - площадь поверхности, на которую приходятся выпадения (км2), I -время от начала периода вегетации до пробоотбора, в сутках

Оценка выноса химических элементов с речным стоком производилась для взвешенной ОУ,038, кг) и растворенной форм (\У,Р, кг) химических элементов \У,ЕЗ"~С,ВЗВ М <3 Т, W,P=C,р О Т, где М - мутность речной воды (мг/л), 0 - расход воды (л/сек), Т - продолжительность периода, за который оценивается вынос (сек)

Расчеты количества загрязняющих веществ ((¡), т) в почвах производились по формуле (Соловов, 1990) (3=Р<1Ь/100, где Р,=1М, / = (1С,-п Сф) Дх / - площадная продуктивность (м2%), Ь - мощность слоя загрязнения (м), <1-плотность почв (т/м3) | Расчеты запасов химических элементов в загрязненном слое донных

отложениях проводились по формуле <Зд,= ]Г(С(; -Сф) 1] а] И с/, где Сг},-

!

концентрация химического элемента в донных отложениях на интервале, 1р-прогяженность интервала, - средняя ширина русла на интервале реки, й - мощность загрязненного слоя, с1 - плотность донных отложений (т/м3)

Глава 4 Оценка и прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами из атмосферных выпадений

4.1. Модель загрязнения почв ТМ В основу модели загрязнения почв положено представление о формировании техногенных аномалий за счет пылевых выпадений, характеризующихся избыточными по отношению к фону почв концентрациями ТМ, при участии некоторого количества растворенных форм элементов, которые могут переходить в твердую фазу при взаимодействии атмосферных осадков с почвами (за счет процессов сорбции, образования труднорастворимых соединений)

Изменение запасов ТМ в почвах (почвенном объеме У-Б И) определяется выражением = (I - Г) (&; - Сф Я") + (1 - /') ^,

где 0™ - поступление ТМ с пылевыми выпадениями количеством на площадь почв Сф - фоновые содержания ТМ в почвах, - поступление растворенных форм ТМ с выпадениями, /** - коэффициент, характеризующий потери для ¡почв взвешенных форм ТМ при выносе с поверхностным стоком, /р-коэффициент, характеризующий потери для почв растворенных форм ТМ при выносе с поверхностным и внутрипочвенным стоком

В связи с тем, что наиболее технолог ичными из существующих методов оценки атмосферных выпадений являются снеговые съемки, оптимальным вариантом решения задач по прогнозу загрязнения почв является проведение расчетов по твердой фазе выпадений в зимний период с введением поправочных коэффициентов, учитывающих сезонную динамику и растворенные формы в поступлении

С учетом сезонной динамики поступление ТМ с пылевыми выпадениями, приходящимися на площадь почв 5 за год, и общая масса пыли составляют

+ ^ (1-Г,/Г)) Р™«» S Т, Q" ={т,IT+ кпРг/Рз (\-TJT)) Р? S Т

где Р™"«и Р" - интенсивности выпадений взвешенных форм ТМ и пыли в зимний период (г/км2су1, кг/км2сут) продолжительностью Тг (сут), к™,е и к" 1Р -

отношение нагрузок взвешенных форм ТМ и пыли в летний и зимний периоды Оценки выпадений в летнии период, необходимые для получений коэффициентов к™1Р , к" ,е , могут быть получены по результатам пылевых смывов

Поступление растворенных форм в течение года может быть учтено с использованием коэффициента распределения между взвешенной и растворенной формами ТМ в выпадениях К , значения которою устанавливаются по результатам

опробования снежного покрова О^ = <2"„" /Кр

В основе определений коэффициентов /"", /р лежат соотношения потерь взвешенных и растворенных форм ТМ при выносе с поверхностной составляющей речного стока (Ж™, IV) и аккумуляции в донных отложениях и их поступления на площадь водосбора с атмосферными выпадениями

где а'- коэффициент, характеризующий долю выпадений, пошедших на аккумуляцию в донных отложениях Одним из способов его оценки является сопоставление запасов ТМ в почвах Qп и донных отложениях <2Д за период

техногенного воздействия а' = [<2П (1 - /» ")] I \_<2П + бд ]

С учетом коэффициентов {к"/р , к™/Р, Кр,/"",/р) изменение запасов тяжелых

металлов в почвах за год определяется уравнением

где т" =Т,П +knp ,р (1-TJT), т™ =T,/T + k™Pi (\-TJT) - коэффициенты пересчета

нагрузок пыли и ТМ в зимний период на средние за i од с учетом летних выпадений

Расчет прогнозируемых (на конец расчетного периода п) концентраций ТМ в почвах (слое мощностью h) может осуществляться по уравнению С(и) = С(0) + ^л2п</й d, где С(п) и С(0)- прогнозируемые и текущие конценфации ТМ в почвах (С(0) = Сф на начало техногенного воздействия), d - плотность почв

4 2 Балансовые расчеты загрязнения почв в НП «Лосиный остров».

Предыдущими исследованиями (Самаев и др, 1998, Николаев и др, 2000) установлено, что основными загрязнителями почв являются Zn, Pb, Cu, Ni, Mo и Ag

Расчеты загрязнения почв указанными элементами включали 1) оценку поступления загрязнитетей в зимний (холодный) период (Т3=140 сут), 2) опредетение коэффициентов а) распределения между взвешенной и растворенной формами ТМ в выпадениях (Кр), б) учитывающих разницу в нагрузках твердофазных выпадений в

Г = f"" +а' = W"" / Qm +а', f = = W /Q¡

■ТМ >

f r» p" , o = fl- Г") 1--2—

V J ) тм piv

\ '

+ (!-/") — г™ РГ"" S T,

летний и зимний периоды (к" 1Р , ктг'1Р), в) характеризующих потери взвешенных и растворенных форм ТМ при выносе с речным стоком и аккумуляции в аллювии (/"*, /р), 3) проведение расчетов загрязнения почв за период техногенного воздействия и проверку модели путем сопоставления расчетных и прямых оценок аккумуляции ТМ в почвах, 4) прогноз загрязнения почв ТМ из атмосферных выпадений

Расчеты загрязнения почв были проведены для частей парка, находящихся под воздействием а) промышленных, б) транспортных источников

Поступление ТМ от промышленности и транспорта для их взвешенных форм| определяется интенсивностью выпадений пыли и содержанием в ней загрязнитетеи

| Пылевая нагрузка на территории парка (по данным снеговой съемки, 2000 г) варьирует от 12 до 120 кг/км2сут, составляя в среднем 50 кг/км2сут, что соответствует минимальному уровню загрязнения атмосферного воздуха (Гуляева, 2002)

Выпадения от промышленных источников г Москвы (рис 1) перекрывают всю московскую часть парка На фоне относительно равномерного поступления пычи от многочисленных предприятий (60-90 кг/км2сут в краевых частях, 30-60 кг/км2сут- во внутренних) выделяется шлейф выпадений от ТЭЦ-23 с максимумом (до 100 кг/км2сут) в долине р Яузы Выбросы предприятий гг Королев и Мытищи приводят к интенсивным (> 60 кг/км"сут) выпадениям пыли только в краевых частях парка

Общий план распределения пылевой нагрузки от промышленных источников городов осложнен пылевыми выпадениями от автомагистралей, в полосе 200 м от которых их интенсивность может составлять 185 кг/км2сут (по данным около МКАД) Содержания ТМ в снеговой пыли на территории парка многократно превышают фон почв в 8 раз - для N1 и Мо, в 15-18 раз - для Си, Тп, в 24 раза - для РЬ, в ¡75 раз - дтя Ag (по данным на озоленную взвесь) Вбчизи автомагистралей содержания ТМ в выпадениях в среднем 2,8±0,9 раз ниже что связано с поступлением большого количества крупно дисперсной пыли с низкими содержаниями ТМ, образующейся при разрушении дорожного полотна

Структура выпадений взвешенных форм ТМ, составтяющих на территории парка! для Zn, Си, РЬ, N1 - п-п 10 г/км2сут, для Мо, Ag - п 0,01—п 0,1 г/км2сут, определяется распределением пылевой нагрузки

Поступление растворенных форм ТМ достаточно равномерно, не коррелирует с выпадениями их взвешенных форм (-0,06<г<0,22 при Г5%=0,287) и составляет на территории парка п 10 г/км2сут п-п 10 г/км2сут Си, N1, п г/км2сут РЬ, 0,01 п-п г/км2сут Ag Транспортная составляющая в их поступлении проявляется слабо

При относитечьно равномерном поступлении растворенных форм ТМ на территории парка структура выпадений, характеризуемая суммарными нагрузками, определяется пространственным распределением их взвешенных форм

Вынос тяжелых металлов из экосистемы происходит, главным образом, с водами рек и ручьев, дренирующих отдельные участки территории парка Определения коэффициентов, характеризующих потери ТМ при выносе с речным стоком и аккумуляции в аллювии (/™, /р), были проведены для бассейна р Ички

Поступление ТМ с выпадениями на водосбор (8=23 км2) рассчитывалось по данным 2000 г (см рис 1) Вынос ГМ с речным стоком оценивался по результатам ежемесячного опробования и замеров расходов воды на створе, расположенном на выходе реки из парка (2001-02 гг) Выделение на гидрографе фаз зимней межени, весеннего потоводья и летне-осеннего периода позволило оценить объемы речного стока и, с учетом опредетенных содержаний в воде ТМ, общий вынос Си, Zn, РЬ, N1

Cu

Интенсивность вы п ил сипя Си в 1имниЙ период, t/KM в сутки

□ ч»

□ К- 12

12-20

ЕЗ 20-30

Г i > 30

Рис. I. Интенсивность пылевых выпадений и нагрузки тяжелых металлов (взвешенная форма) на территории МП "Лосиный остров" (но данным снеговой съёмки 2000 г.)

# Точки расчета

ШГГОДСИЙНОСТИ

выпален ни Бассейн реки Ичка

Интенсивное«», вы паления РЬ нчимннй период,

I KM в сутки □ <*

| I К- 12

ЕЭ

Пыль

Им'гспсишнкмп-пылевых выпадений в тмний период. KIVKki в tyi ки

<30 30 - ьо

fin- 90

90-120 > 120

Интенсивное |1ъ и ы и н j ? н н я Z С1 н г и мни ü пер.шд,

I 114 в 'Д.'м I < 12 12 - 20 20-30 30-50 >50

Сопоставление данных по поступлению ТМ с выпадениями на водосбор и их выносу с поверхностной составляющей речного стока (грунтовая составляющая была исключена по интенсивностям выноса ТМ в межень) позволило определить значения характеризующих потери ТМ из экосистемы с речным стоком (табл 1)

Таблица 1

Соотношение поступления ТМ с выпадениями и выноса с речным стоком р Ички

Элемент Холодный период Теплый период Год

е™, г/км2 1¥п1, г/км2 IV"' е7" е™. г/км2 IV"', г/км2 2"' е™, г/км2 Ш™, г/км2 ]Уп1

Взвешенные формы ТМ

Си 1080 83 7,7 2205 35 1,6 3285 117 3,6

Ъп 2592 422 16,3 5292 191 3,6 7884 613 7,8

РЬ 1176 57 4,8 2401 26 М 3577 83 2,3

N1 552 30 5,4 1127 13 1,2 1679 43 2,6

Растворенные формы ТМ

Си 636 361 57 1299 157 12 1935 517 27

гп 3600 2139 59 7350 635 8,6 10950 2774 25

РЬ 240 113 47 490 70 14 730 183 25

N1 900 339 38 1838 261 14 2738 600 22

В соответствии с распределением поверхностной составляющей речного стока основная масса ТМ выносится в половодье (69±1% - по взвешенным, 67±9% - по растворенным формам от потерь загрязнителей за год)

Вынос взвешенных форм ТМ за год составляет в среднем 2,8% для Си, РЬ и N1 от их поступления с выпадениями на водосбор и 7,8% для 2.п, имеющего дополнительные источники поступления (оцинкованная сетка на участках русла)

Приведенные данные характеризуют потери ТМ, обусловленные выносом пыли, поступившей с водосбора с талым/дождевым стоком, и русловых наносов

Результаты сопоставления содержаний ТМ в пыли, взвеси и аллювии показывают, что мутность воды в половодье в среднем на 30% обеспечивается пылью, поступающей в русло с талым стоком В выносе взвешенных форм ТМ в половодье доля пыли составляет 54-69% для Си, РЬ и N1 и 24% для 2п

Полагая, что вклад пылевых выпадений в вынос взвешенных форм элементов в паводки не выше, чем в половодье, можно оценить потери ТМ за год, обусловленные выносом пыли Они составляют для Си - 2,3%, для 7.п - 1,9%, для РЬ - 1,6%, для N1 -1,4% (в среднем 1,8%) от их количества, поступившего на водосбор

Вынос растворенных форм ТМ определяется водным балансом реки В половодье выносится 38-59% Си, 7.п, РЬ, N1, аккумулированных в снеге (в среднем 50%), что соотносится со значением коэффициента стока талых вод /т =0,5-0,6 (при влагозапасах в снежном покрове в бассейне 100-120 кг/км2) В целом за год потери растворенных форм ТМ составляют 22-27% от их поступления с выпадениями

Поступающие с водосбора в русло ТМ частично аккумулируются в донных отложениях Значения коэффициента а', полученные при сопоставлении запасов ТМ в донных отложениях р Ички и почвах в полосе около МКАД (Б=6 км2) в пределах бассейна (без учета запасов в почвах на остальной площади водосбора), составили для Си - 0,011, Ъп - 0,012, РЬ - 0,009, N1 - 0,008, Мо - 0,007, - 0,003

Поскольку вынос с речным стоком и аккумуляция в донных отложениях практически не имеют значения в перераспределении взвешенных форм ТМ,

поступивши к с выпадениями в экосистему (f"t" -> 0. а —» 0). при расчетах загрязнений почв их потерями можно пренебречь (/"" = /„"'" + а' 0).

Потери растворенных форм ТМ при несущественны» вариациях величины коэффициента/' для Си. Zn. РЬ и Ni могут быть учтены при использовании его среднего значения по указанным элементам {/' -0,25).

Оценка и прогноз загрязнения почв от прдмшилешшх источников проводились на основе результатов снеговой съемки 2000 г, (с исключи и ним из выборки проб вблизи автомагистралей) в соответствии со схемой районирования территории парка по удаленности се участков от промышленных объектов (рис.2).

* " к + *

Рис. 2. Схема районирования территории 11П "Лосиный остров" по удалён ноегги от промышленные объектов

0-1

Г~1 1-2

I I 2-3

I I 34

О

^ Цюнышпыапк о^ьекты

р ÜflíEIl

LiTTfiribOB'üOU

сн&жноге

Интенсивности выпадений пыли и ТМ в ее Составе обратно коррелируют е расстоянием ло промышленных объектов. Характер убывания нагрузок при удалении от множественных источников при аппроксимации фактических данных может быть описан уравнением вида !'(х) - Ы, где .V - расстояние от границ промышленных зон, значение показателя степени а—>0.6 (рис.3).

Результаты расчетов, интенсивное гей выпадений в интервалах различной удаленности от промышленных объектов (табл.2) показывают, что около 45-50% загрязнителей выпадает на удалении до I км от источников. Поступление УМ е пылевыми выпадениями в ближайшем от источников интервале 0-1 км в 4.2-5.7 раз больше, чем в наиболее удаленных от них частях парка (в интервале 4-5 км).

Поскольку выпадение растворен|Щх форм ТМ на территории парка достаточно равномерно, убывание значений Кг определяются, главным образом, градиентом нагрузок взвешенных форм элементов; В наиболее приближенном к источникам выбросов интервале 0-1 км взвешенные формы ТМ обеспечивают 40-50% для 7,п, №, 70% для Си, /\£ п 90% для РЬ от их поступления в зимний период. Доля взвешенных форм элементов в выпадениях на

II

Р, кг/шгсут

* у=13.71Г°а

1 * R2= 0.54

1

1 • .'I. ». » « . •

0 1 2 3 4 X, KW

Рис 3. Зависимость пылевой нагрузки от расстояния до промышленных объектов

расстоянии 4-5 км от источников составляет около 15% (¿п, N1), 30-35% (Си, Ае) и 60% (РЬ) Полученные данные по соотношениям взвешенных и растворенных форм ТМ свидетельствуют о значительной роли последних в формировании загрязнения почв

Таблица 2

Средние нагрузки пыли, взвешенных форм ТМ и значения К,, в выпадениях

в зимний период на различном расстоянии от промышленных источников

Загрязнитель Характеристика Расстояние от промышленных источников, км

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 0-5

Пыль 1 -г, кг/км суг 52 32 28 25 23 32

2-Р", кг/км2сут 27 11 8,7 7,3 6,5 12

Си Р'м, г/км2сут 15,9 5,4 4,0 3,2 2,8 6,3

К, 2,33 0,97 0,74 0,62 0,55 1,04

Ъп Р™", г/км2сут 25,8 8,8 6,4 5,2 4,5 10,1

0,70 0,34 0,27 0,23 0,21 0,35

РЬ Р1"", г/км2сут 15,2 5,2 3,8 3,1 2,6 6,0

К, 9,6 3,1 2,2 1,8 1,5 3,6

N1 Р""\ г/км2сут 5,0 2,2 1,7 1,4 1,2 2,3

Кг 0,88 0,31 0,23 0,19 0,16 0,35

Мо Р"\ г/км2суг 0,35 0,15 0,11 0,10 0,08 0,16

Кг нет данных

Аб Р"м, г/км2сут 0,28 0,10 0,07 0,06 0,05 0,11

Кг 2,55 0,91 0,64 0,55 0,45 1,02

Примечание приведены данные по общей (1) и озоленной (2) пыли

Сопоставление нагрузок взвешенных форм ТМ в зимний и летний периоды (по данным пылевых смывов с листьев березы) не выявило расхождений в течение года =1,1±0,2), т к увеличение интенсивности пылевых выпадений летом (к" ^ =3,2

по неорганической пыли) компенсируется снижением в них содержаний элементов Равномерное поступление ТМ свидетельствует об отсутствии значимых сезонных изменений в технологии промышленного производства в настоящее время

Оценка интенсивностей выпадений пыли и ТМ в ее составе в интервалах различной удаленности от промышленных объектов в зимний период и значений коэффициентов Кр, к™ , к" позволила с учетом потерь ТМ (/*"=0,/'=0,25)

провести расчеты загрязнения почв (при условии С(0)=Сф)

При получении расчетных оценок загрязнения за период интенсивного развития промышленного производства в Московском регионе (с конца 1930-х гг) была учтена динамика нагрузок загрязнителей, установленная при использовании результатов снеговых съемок 1978, 1988 гг, проведенных МОМГЭ ИМГРЭ

Сравнительный анализ данных показал (табл 3), что за период с 1978 по 2000 гг поступление загрязнителей (кроме Ag) на территорию парка снизилось в связи с внедрением оборудования по очистке выбросов на предприятиях в середине 1980-х гг и спадом производства в 1990-е гг Сокращение нагрузок по Си, 2п, РЬ, Мо обусловлено соответствующим уменьшением пылевых выпадений, по N1 -дополнительным снижением содержаний в пыли, связанным с переводом ТЭЦ-23 с мазутного топлива на природный газ (1995 г) Поток Ag в окружающую среду резко

возрос за последнее десятилетие, что, вероятно, вызвано интенсивным развитием строительной отрасли и внедрением в производство и потребление новых материалов

Таблица 3

Динамика на1рузок пыли и ТМ в ее составе в НП «Лосиный остров» за период 1978-2000 гг (по данным снеговых съемок)_

Год Пыль Си Zn РЬ Ni Мо Ag

Р\т!Р 2ооо 4,0 3,5 5,3 3,9 13,1 5,6 0,8

Р\ш1Ргж 1,1 1,2 2,6 1,6 3,8 1,7 0,3

Расчеты аккумуляции ТМ в почвах проводились на период общей продолжительностью 60 лет (по нагрузкам 1978 г - на40 лет, за 1988 г-на 10 лет, за 2000 г - на 10 лет) Для Ni, поступающего в основном с выбросами ТЭЦ, при расчетах по значениям интенсивностей за 1978, 1988 гг была учтена разница в нагрузках в течение года, оцененная исходя из соответствия динамики его летних выпадений и нагрузок прочих элементов за период 1978-2000 гг (£™р =0,35)

Для проверки модели проводилось сопоставление расчетных данных с прямыми (фактическими) оценками аккумуляции ТМ в почвах, полученными по результатам их опробования в 1998 г

На фоне слабых вариаций среднеаномальных содержаний удельные запасы ТМ в почвах (слое 0,1 м) убывают от внешней зоны (0-1 км) к внутренней (4-5 км) в 3 - 12 раз Си - с 1041 до 386 кг/км2, Zn - с 4491 до 1432 кг/км2, РЬ - с 857 до 178 кг/км2, Ni -с 1193 до 98 кг/км2, Мо - с 67 до 22 кг/км2, Ag - с 5,1 до 2,2 кг/км2 Аномалии ТМ (вне влияния транспортных магистралей) занимают на удалении до 1 км от источников 36±7%, 1-2 км - 22±4%, 2-3 км - 18±7%, 3-4 км - 14±4%, 4-5 км - 11±4% площадей зон, попадающих в заданные интервалы (в среднем 21% площади НП «Лосиный остров»)

Отношение расчетных и фактических оценок загрязнения в интервале 0-5 км от промышленных объектов для рассматриваемых элементов близко к единице (1,1 ±0,1), что свидетельствует об удовлетворительной сходимости данных (рис 4) Наибольшие расхождения в оценках загрязнения почв получены для Ni, фактические запасы которого более резко убывают при удалении от источников, чем расчетные, что обусловлено сложной динамикой его выпадений

б км

1 2 3 4 5 км

Удельные запасы Ом, кг/км1 расчетные I расчетные (Вез учета растворенных форм в поступлении) -■- фактические

Рис 4 Расчетные и фактические удечьные запасы ТМ в почвах в интервалах разной удаленности от промышленных объектов

Полагая, что расчетные оценю! объективно отражают загрязнение почв, можно оценить вклад взвешенных форм ТМ (<з™„) в общий запас загрязнителей,

сформированный на территории парка из выпадений (<2^,) Результаты расчетов свидетельствуют, что загрязнение почв промышленными выбросами в интервале 0-5 км от источников формируется за счет аккумуляции сопоставимых количеств взвешенных и растворенных форм ТМ (табл 4)

Таблица 4

Показатель Си Zn Pb Ni Mo Ag

О'" , кг/км ~ рас* ' 307 797 353 240 11,0 1,7

Q^ , КГ/КМ2 556 2568 438 646 41 3,1

О'" /о1 ^расч р«сч 0,55 0,31 0,81 | 0,37 0,27 0,55

Примечание го Mo Qpa0I принята равной фактическим запасам в почвах

Использование результатов расчетной модели позволяет осуществить прогноз загрязнения почв выпадениями от промышленных источников При современных нагрузках загрязните тей превышения средними содержаниями в почвах минимально-аномального уровня будут зафиксированы в интервале 0-1 км для Pb, Zn и Ag через 35, 60 и 65 лет соответственно, для Си и Мо - через 200 лет, для Ni - через 280 лет С учетом районирования территории по удаленности от промышленных объектов прогнозные оценки актуальны примерно для 20% площади НП <'Лосиный остров»

В интервалах, более удаленных от границы промышленных объектов, минимально-аномальные уровни будут превышены не ранее, чем через 150 лет - по Ag, 250-300 лет - по Pb, Zn, 400-600 лет - по Mo, Ni, Си

На отдельных участках за счет латеральною перемещения элементов в процессах снеготаяния и плоскостного смыва загрязнение почв происходит быстрее Можно полагать, что динамика загрязнения почв на участках формирования аномалий, занимающих около 21% отощади парка, будет выше, чем в целом по территории Низкий уровень загрязнения почв Си (превышения ОДК) будет достигнут в интервалах различной удаленности от промыштенных объектов через 110± 15 лет, средний уровень загрязнения - через 990±125 лет Загрязнение почв Zn, Pb и Ni в аномалиях, соответствующее в настоящее время низкому уровню, превысит его через 120э:15, 150±25 и 670±230 лет соответственно

Оценка и прогноз загрязнения почв в зоне влияния автомагистралей Расчеты загрязнения почв выпадениями от транспортной магистрали были проведены дтя участка МКАД, проходящего по территории парка В основу расчетов были

потожены результаты опробования снежного покрова в 2000-06 гг, характеризующие транспортную нагрузку на магистрали после ее реконструкции в 1996-97 гг

Интенсивности выпадений пыли и ТМ быстро убывают при удалении ог дорожного полотна (рис 5)

Аппроксимация фактических данных (функцией вида Р{х) = Ых°) позволила выявить особенности поступления загрязнителей в придорожной полосе Более резко при удалении от МКАД

Р, кг/км'сут 1QOOQ1-

у = 7 1ЭХ R2 = 0 В4

озе

0 4 х, км

Рис 5 Зависимость пылевой нагрузки от расстояния до МКАД

снижается интенсивность выпадении пыли и Хп (значение показателя степени а—>0,9), более плавно - Си, Мо, РЬ, N1 и Ag (0,54<а<0,67), содержания которых в снеговой взвеси обратно коррелирует со значениями пытевой нагрузки (0,36<|г|<0,46 при />/о=0,325)

Результаты расчетов нагрузок пыли и ТМ в интервалах различной удаленности от дорожного полотна МКАД (табл 5) свидетельствуют о том, что около 70% пылевых выпадений приходится на полосу 0-100 м В этот же интервал поступает около 70% Ъп, 55% Си, 43-48% N1, РЬ, Ад и Мо Коэффициенты распределения между формами нахождения ТМ в выпадениях при удалении от МКАД имеют резко убывающий характер, что обусловлено снижением нагрузок взвешенных форм загрязнителей, происходящим на фоне относительно равномерного поступления их растворенных форм Доля взвешенных форм в выпадениях в полосе 0-500 м от МКАД составляет окото 45% для N1 и Мо, 60-70% для 7,п, А§, Си и 86% для РЬ

Таблица 5

Средние нагрузки взвешенных форм ТМ и значения Кр в выпадениях в зимний

период в полосе, прилегающей к МКАД

Загрязнитель Характеристика Интервал расстояний от МКАД, м

0-25 25-50 50-100 100-200 200-500 0-500

Си Р®8, г/км2сут 79,6 28,4 17,6 10,8 6,1 12,8

15,6 5,6 3,5 2,1 1,2 2,5

гп Рвм, 1/км2сут 404,6 101,2 54,2 29,1 13,9 44,1

12,8 3,2 1,7 0,9 04 1,4

РЬ Ретв, г/км-хут 63,8 27,2 17,8 11,8 7,2 12,9

30,4 13,0 8,5 5,6 3,4 6,1

N1 Р™", г/км2сут 24,2 12,0 8,6 6,0 4,0 6,2

К„ 3,2 1.6 1,1 0,8 0,5 0,8

Мо Рг/км2сут 2,08 0,80 0,60 0,40 0,23 0,42

КР 4,0 1,5 1,2 0,8 0,4 0,8

Аё Р"зв, г/км2сут 0,83 0,40 0,24 0,16 0,10 0,18

6,4 3,1 1,8 1,2 0,8 1,4

В летний период года происходит уве течение нагрузок ныли и ТМ вблизи автомагистрали Полученные значения коэффициентов, характеризующих отношение нагрузок в летний (по данным пылевых смывов с листьев березы, 1999, 2001 гг) и зимний периоды, имеют устойчивый характер Для Си, 2п, РЬ и N1 к™^ =2,0±0,3 при

к" =2,4 (по неорганической пыли) Содержания Мо и Ag в пылевых смывах в 1,71,8 раз выше, чем в снеговой взвеси, вследствие чего их нагрузки в летний период увеличиваются сильнее, чем по остальным элементам (к™^ =3,0-3,1)

По выпадениям растворенных форм ТМ транспортная составляющая загрязнения проявляется слабо, основной вклад в их поступление в полосе около МКАД, как и на территории парка в целом, вносят промышленные источники городов, для которых в настоящее время отсутствуют значимые сезонные изменения

в технологии производства {к™ =1 по растворенным формам ТМ)

'У,

При получении расчетных оценок загрязнения почв за период эксплуатации МКАД (1965-2005 гг ) была учтена динамика твердофазных выпадений загрязнителей

около автомагистрали в предшествующий период (по данным снеговых съемок 1978, 1988 гг , выполненных МОМГЭ ИМГРЭ)

Сравнительный анализ данных снеговых съемок (табл 6) показал, что интенсивность пылевых выпадений достаточно равномерно возрастала с увеличением транспортной нагрузки на магистрали (в 1,3-1,5 раз/10 лет) Общее поступление ТМ името тенденцию к резкому увеличению в конце 1980-х гг с последующим небольшим уменьшением в период после реконструкции МКАД за счет сокращения/отказа от применения этилированного бензина, использования очищенных масел и смазок, улучшения качества дорожного покрытия, модернизации парка автомашин, компенсирующих рост транспортной нагрузки (суммарное поступление Си, Zn, РЬ, N1, Мо и Ag составляло в 1978 г - 63 г/км сут, в 1988 г - 102 г/км сут и в 2000-06 гг - 86 г/км2сут)

На фоне общей тенденции выделяется связанное с последним этапом эксплуатации значительное увеличение нагрузок Ag и столь же заметное снижение выпадений N1, около 75% поступления которого в зимний период в полосу МКАД с 1965 по 1995 г обеспечивалось выпадениями от ТЭЦ-23

Таблица 6

Динамика нагрузок пыли и ТМ в ее составе в полосе, прилегающей к МКАД

за период 1978-2000 гг (по данным снеговых съемок)

Год Пыль Си Ъл РЬ N1 Мо Аё

978^2000-06 0,49 0,59 0,51 0,80 2,30 0,36 0,15

Р\988^2000-06 0,65 0,74 0,95 1,43 3,06 0,90 0,22

При расчетах общего поступления загрязнителей в полосу, прилегающую к МКАД, за период ее эксплуатации (1965-2005 гг) полагали, что нагрузки за 1978 г характеризуют выпадения в 1965-1985 гг , за 1988 г - в 1985-1995 гг, за 2000-06 гг -в 1995-2005 гг Для N1 при оценках поступления за период 1965-1995 гг были введены поправки на уменьшение промышленных выпадений (от ТЭЦ) и увеличение транспортной составляющей нагрузки в летний период

Для учета растворенных форм ТМ, в поступление которых основной вклад вносят городские источники, были использованы коэффициенты, характеризующие динамику выпадений на территории парка (см табл 3) Поступление растворенных форм ТМ (за исключением N1) было принято постоянным в течение года

Расчетные данные загрязнения почв около МКАД сопоставлялись с фактическими оценками аккумуляции ТМ в почвах (слое 0,1 м), которые были получены по результатам их детального опробования в 2000-02 гг в полосе 1000 м (по 500 м в обе стороны от МКАД) на отрезке магистрали, пересекающем парк (около 7 км) По результатам расчетов установлено, что в прилегающей к МКАД полосе на территории парка аккумулировано около 1,8 т Си, 14 т Хп, 2,5 т РЬ, 2,3 т N1, 195 кг Мо и 36 кг А§ Запасы ТМ в интервале 0-100 м составляют 20-30% для N1, Ag, Мо, РЬ и около 40% для Си и Ъл от их общего количества в почвах придорожной полосы

Сопоставление рассчитанных по выпадениям запасов ТМ в почвах за период эксплуатации МКАД с прямыми оценками их аккумуляции показало, что в целом для полосы 0-500 м отношение расчетных и фактических данных составляет 1,0±0,2 (рис 6) Наибольшие расхождения в оценках загрязнения получены для N1 и нагрузки которых за период эксплуатации МКАД менялись значительным образом (отношения расчетных и фактических данных составили 1,19 и 0,72 соответственно)

, расчетные расчетные (без учета растворенных

фактические форм в поступлении)

Рис 6 Расчетные и фактические удельные запасы РЬ и Zn в почвах в интервалах разной удаленности от МКАД

Полагая, что расчетная модель объективно отражает загрязнение почв, можно оценить вклад взвешенных форм ТМ в общий запас загрязнителей, сформировавшийся к настоящему времени из выпадений Результаты расчетов свидетельствуют, что аккумуляция твердофазных выпадений за 1965-2005 гг в полосе до 500 м от автомагистрали обеспечила около 30-40% существующих запасов Mo, Ni и Zn, 60-70% - Си и Ag и 80% - РЬ В интервале 0-100 м от МКАД вклад взвешенных форм элементов в загрязнение почв составил около 40-50% для Мо и Ni, 60% - для Zn, 75-80% для Си и Ag и 90% для РЬ

С ростом транспортной нагрузки на МКАД на фоне снижения интенсивностей выпадений от промышленных предприятий, обеспечивающих основное поступление растворенных форм, происходит увеличение вклада взвешенных форм ТМ в формирование загрязнения почв В настоящее время загрязнение почв в полосе до 500 м от МКАД на 60-70% для Ni и Мо, на 80% - для Си, Zn Ag и на 90% - для РЬ обеспечивается аккумуляцией твердофазных выпадений В интервале 0-100 м от дорожного полотна вклад взвешенных форм ТМ в формирование их запасов составляет около 65% по Ni, 80% по Мо, 85-90% по Zn, Си и Ag и более 95% по РЬ

Использование результатов расчетной модели позволяет осуществить прогноз загрязнения почв около МКАД при существующих нагрузках на магистрали

Проведенные расчеты показывают, что наибольшая динамика загрязнения отмечается по Zn и РЬ, минимально-аномальный уровень средних содержаний которых будет превышен в интервале 25-50 м от автомагистрали - в ближайшие 35-40 лет, в полосе 50-100 м - через 80-90 лет, 100-200 м - через 120-150 лет При соблюдении запрета на применение этилированного бензина (расчетные нагрузки по РЬ соответствуют данным 2006 г) загрязнение почв этим элементов будет происходить значительно медленнее В этом случае превышение минимально-аномального уровня будет отмечено в интервале 25-50 м от автомагистрали не ранее, чем через 90 лет, в полосе 50-100 м - через 180 лет

Слабая динамика загрязнения почв отмечается для Си, минимально-аномальный уровень концентраций которой даже в полосе отчуждения(0-25 м) будет превышен не ранее чем через 40 лет, а для формирования аномалий по средним содержаниям в полосе 25-50 м от автомагистрали понадобится более 150 лет Еще меньшую опасность представляет Ni, средние содержания которого в интервале 0-50 превысят минимально-аномальный уровень не ранее, чем через 240 лет

Концентрации Ag достигнут минимально-аномального уровня в интервалах 2550 м и 50-100 м от МКАД через 20 и 40 лет соответственно Минимально-аномальный уровень для Мо будет превышен за счет выпадений в полосе отчуждения (0-25 м) через 30 лет, в интервале 25-50 м от МКАД -через 100 лет

17

При вводе в эксплуатацию новой автомагистрали, по классу соответствующей МКАД (при условии С(0)=Сф), превышения средними содержаниями элементов в почвах минимально-аномальных уровней будут достигнуты на полосе отчуждения по Ъъ и А£ - через 20 лет, по РЬ - через 40-50 лет (при соблюдении запрета на применение этилированного бензина - через 130-140 лет), по Си и Мо - через 80-90 лет, N1 - через 300-350 лет В интервале 25-50 м от дорожного полотна формирование аномалии А§ произойдет через 40 лет, 7,п - через 80 лет, РЬ - через 90 лет (200 лет во втором варианте прогноза), Си, Мо — через 170-190 лет

В полосе 50-100 м от автомагистрали содержания А§ превысят минимально-аномальный уровень через 60 лет, Ъх\ - через 130 лет, РЬ - через 120 лет (270 лет во втором варианте прогноза)

Глава 5. Оценка и прогноз загрязнения почв солевыми компонентами в зоне влияния транспортных магистралей

5 1. Модель солевого загрязнения почв. Солевое загрязнение компонентов окружающей среды является следствием применения на автодорогах для борьбы с зимней скользкостью противогололедных реагентов (преимущественно хлоридов)

В результате снегоуборочных работ, с дорожными стоками и при воздушно-капельном переносе солей происходит их поступление в окружающую среду Весной часть солей, аккумулированных в снеге, удаляется с талым стоком, оставшаяся часть идет на засоление почв В теплый период года, по мере промывания атмосферными осадками, уровень засоления снижается, достигая минимума к началу осени

Уравнение баланса солей в почвах придорожной полосы (почвенном объеме

'-•5' И) имеет вид &-& = а£0? - £

1=1 1=0

где , Оп - запасы солей в почвах придорожной полосы после снеготаяния в начале и конце расчетного периода п (лет), Л(3" - вымывание в течение теплого периода года, а - доля от количества солей, аккумулированных в снежном покрове за зимний период 2™ , ежегодно идущая на загрязнение почв

Для практических вычислений приведенное уравнение может быть представлено рекуррентной формулой с временным шагом ДI, равным году

а., -а=а где /=о, 1,2, , п-\

Запасы солей в снежном покрове в придорожной полосе зависят от объемов внесения реагентов на дорожное полотно за зимний период и могут быть оценены по результатам снеговых съемок Оценка вымывания атмосферными осадками производится на основе опробования почв в начале и конце теплого периода дб" =(?-(?', где а - запасы солей в почвах в конце теплого периода

Значение коэффициента а определяется по результатам годичных исследований, в ходе которых оценивают запасы в почвах на момент после снеготаяния в текущем и следующем году, величину вымывания для текущего года и

запасы солей в снежном покрове следующего года а - -£),*

Поскольку растворимые соли практически не взаимодействуют с почвами при снеготаянии и выносятся с пропорционально количеству воды, участвующей в стоке (Василенко и др , 1985), а=\-/г,где /т - коэффициент стока талых вод

Прогноз солевого загрязнения осуществляется для заданных значений нагрузок, характеризующих запасы солей в снежном покрове (£>,™ = 0™„ )

Основной задачей, без решения которой прогноз невозможен, является оценка вымывания солей атмосферными осадками для /-го года , являющейся функцией от количества осадков в теплый период р, и исходных запасов солей Qt в почвах = f(p,, Q,) При условии р, =const в течение расчетного периода дQ" = /(£?,) = q" Q,, где q" - потери (в долях) солей за теплый период

В этом случае исходное уравнение для расчетов прогнозируемых запасов солей в почвах может быть представлено в виде Qlti = (1 - qw) Q, + a

При условии, что запасы солей в снежном покрове Q™c, = qwQ„/a уровень солевого загрязнения в течение прогнозного периода сохранится, при Q™r,> q'"Qtila будет наблюдаться рост солевого загрязнения, а при Qc^t < qwQ0/a - его уменьшение Предельным значением для Q, является величина запасов 0,lm Q„„ = lim О, = аО™с (Iq"

5 2 Оценка и прогноз солевого загрязнения почв в НП «Лосиный остров» Расчеты солевого загрязнения были проведены для почв на территории парка, прилегающих к участку МКАД Выбор элементов (Na и С1) обоснован составом реагентов на момент начала исследований в 1999 г (техническая соль NaCl)

Поступление солевых компонентов с дорожного полотна на прилегающую территорию оценивалось по данным снеговых съемок (2000, 2003, 2006 гг) Установлено, что интенсивность выпадений Na и С1 резко падает при удалении от автомагистрали при аппроксимации нагрузок солевых компонентов функцией вида Р(х) = Ы х", где х - расстояние от МКАД, значения показателя степени а—» 1

По данным снеговых съемок были проведены расчеты нагрузок солевых компонентов и оценены запасы загрязнителей в снежном покрове (Т=140 сут) в придорожной полосе (по 500 м с каждой стороны от МКАД (табл 7))

Таблица 7

Поступление солевых компонентов ("Ыа, С1) с выпадениями около МКАД

Зимний сезон Na С1

Рк" ,кг/км2сут pNa ! рЫ ъ Q" Т/КМ2 Ра ,кг/км2сут рс1/рси QТ/КМ2

1999-00 18,5 43,0 2,5 29,4 17,3 3,9

2002-03 2,5 5,8 0,29 15,6 9,2 1,9

2005-06 5,6 13,0 0,72 28,5 16,8 3,8

* Рф" =0,43 кг/км2сут, Р" =1,7 кг/км2сут, по данным ИМГРЭ (р-н оз Глубокое, 2000 г)

Дифференциация нагрузок по годам обусловлена различиями в объемах реагентов, внесенных на дорожное полотно, и в большей степени характерна для N3

Норма расхода технической соли составляла 50 г/м2 полотна на один цикл обработки - около 19 г/м2 N8 и 29 г/м2 С1 (Временная инструкция , 1997) В зимний сезон 1999-2000 гг при однократной обработке на 1 км полотна МКАД (пять полос со стандартной технической шириной 7 м) поступало около 1,75 т технической соли (0,65 т N3 и 1,0 т С1) За зимний период на 1 км МКАД могло быть внесено до 50 т № и 80 т С1 (из расчета 80 обработок, согласно Руководству (2003))

После смены состава реагентов в 2001-02 гг (переход на использование ХКМ (хлористого кальция модифицированного - 32%-го водного раствора СаС12), а также гранулированные №-Са хлоридные смеси) внесение N3 на дорожное полотно резко сократилось, а С1 осталось примерно на том же уровне (около 28 г/м2 С1 на цикл обработки) Снижение расхода реагентов (на 30-40%) могло быть достигнуто за счет точного дозирования в сочетании с оптимизацией уборки снега

Содержание дорог в условиях более низких температур и обильных осадков требует больших объемов реагентов Вероятно, поэтому поступление солей в малоснежный зимний период 2002-03 гг (61% от нормы осадков, по данным (http //meteo infospace ru)) оказалось заметно ниже, чем в 2005-06 гг, когда количество осадков было близко к норме (93%), при схожих температурных режимах Сопоставление запасов солей в снежном покрове с их вносимым, согласно нормам, количеством показывает, что воздушным путем с покрытия МКАД удаляется около 5-8% реагентов, которые при таянии снега частично аккумулируются в почвах

В результате снижения поступления Na и С1 с дорожного полотна на фоне их вымывания из почв осадками в теплый период года произошло сокращение масштабов солевого загрязнения почв около МКАД (уменьшение ширины аномалий и концентраций в них элементов) (рис 7) Расчеты запасов солей в почвах (в полосе по 500 м с каждой стороны от дороги), основанные на результатах их систематического опробования, позволили установить, что за период с 1999 по 2005 гг масштабы солевого загрязнения сократились по Na - в 3,1 раз, по С1 - в 1,5 раз

Na гЛ 150

100

50 Сф

| — 2000 г Д -- 2002 г

2

/

_ / V. iK^., t

05 0403 02 01 00 0 1 0 2 0 3 0 4 ш

CI гЛ

150

100

50 Сф 0

< 2000 г А — 2002 г

i а А——

—

D5 04030201 00 0 1 0 2 0 3 0 4 см

Рис 7 Динамика загрязнения почв Ка и С1 в полосе, прилегающей к МКАД

Вымывание солевых компонентов из почв осадками в теплый период года оценивалось по данным опробования почв по профилю 2 с мая по сентябрь 2001 г По результатам подсчетов запасов N3 и С1 в почвах было установлено, что потери солей, прямо коррелирующие с количеством осадков за предшествующий период (г=0,96 при /-5о/о=0,88), составили за сезон около 40% от их запасов на начало теплого периода (д"=0,4 при количестве осадков, близком к норме) Наибольший вынос наблюдался в течение мая-июня (около 80% от суммы потерь при 53% осадков) (рис 8)

В основу расчетов доли № и С1,

до'

август —а

июль .-i сентябрь

/ июнь »- CI ■ - Na -

100

зсо

о ездки мм

Рис 8 Вымывание солей из почв атмосферными осадками в тёплый период года (% от запасов в мае)

идущеи на аккумуляцию в почвы при таянии снега, были положены оценки запасов солей в снежном покрове 199900 гг и почвах (1999-01 гг) Поступление в зимний период 2000-01 гг было учтено по данным за 1999-00 гг с поправками на большее количество осадков (302 и 239 мм за ноябрь-март) при сопоставимых значениях средних температур (-3,3°С и -3,2°С) Сведения об осадках за май-сентябрь 1999 и 2000 гг (253 мм - 71% от нормы и 454 мм - 127% от нормы) были использованы для пропорционального изменения значения

Полученные результаты свидетельствуют, что на аккумуляцию в почвы идет 40-50% от общего количества солей, временно депонированных снежным покровом

20

(а—0 45) С талым стоком удаляется 50-60% загрязнителей, чю соответствует значению /т , определенному прямыми измерениями для бассейна р Ички

На основе полученных оценок входных функций и параметров модели были проведены расчеты запасов солей в почвах на период 2002-05 гг и их сопоставление с фактическими данными При расчетах нагрузки за 2001-02, 2003-04 гг принимались равными оцененным нагрузкам 2002-03 гг, а нагрузки 2004-05 гг - нагрузкам 2005-06 гг (в силу сходных интегральных климатических характеристик) Поправки на вымывание вводились по количеству осадков, выпавших за теплый период /-ого года

Результаты пошагового моделирования динамики солевого загрязнения почв приведены в табл 8 Сравнение расчетных данных с фактическими свидетельствует о том, что отклонения от последних не превышают 12%

Таблица 8

Расчеты запасов легкорасгворимых солей в почвах придорожной полосы

Элемент а, т/км2 р:, % нормы «а:,, т/км2 вш, т/км2 Ум ' т/км2 Й-, глфаш И11

Ыа 2001—>2002 3,50 103 0,4 ,_ 0,13 2,23 2,16 1,03

2002—»2003 2,23 52 0,2 0,13 1,92 1,90 1,01

2003—>2004 1,92 114 0,4 0,13 1,28 - -

2004—>2005 1,28 127 0,5 0,32 0,96 1,09 0,88

С1 2001—>2002 5,24 103 0,4 0,86 4,00 4,01 1,01

2002—>2003 4 00 52 0,2 0,86 4,06 4,00 1,05

2003—>2004 4,06 114 0,4 0,86 3,30 - -

2004—>2005 3,30 127 0,5 1,71 3,36 3,38 0,95

Сходимость расчетных и фактических данных по запасам солей в почвах позволяет использовать балансовую модель для прогноза солевого загрязнения при заданных и условии д"=сопз(=0,4 в течение всего прогнозного периода Были рассмотрены два варианта прогноза

1 равны 0,72 т/км2 для Иа и 3,8 т/км2 для С1 (нагрузки 2005/2006 гг)

2 равны 0,29 т/км2 для № и 1,9 т/км2 для С1 (нагрузки 2002/2003 гг)

В случае начала расчетов с 2005 г б0 = 62005 (1.09 т/км2 для Ш, 3,38 т/км2 для С1) При условии равенства запасов в снежном покрове по № - 0,97 т/км2, по С1 - 3,0

т/км2 масштабы солевою загрязнения почв будут сохраняться

В 1-ом варианте_прогноза

запасы Ыа в снежном покрове меньше, а С1 - больше указанных, в течение прогнозно] о периода будет наблюдаться отрицательная

динамика загрязнения почв придорожной полосы Ка и положительная - С1 (рис 9) Значения £)|:т составят 0,81 т/км2 для № и 4,28 т/км2 для С1, что соответствует Сма - 22 г/т (Кс=1,3) и СС1 - 51 г/т (Кс=2,3) Во 2-ом варианте для обоих солевых компонентов будет наблюдаться

0„ Фактические данные_Прогноз

С1 \ 1|тС1»аг1 вариант 1

Ма\ 1 4 " У^т С1 \аг2 л""* V ■"-«ч».^ вариант 2

вариант 1

||гг» ^а уаг1 Ьт № уэг2

'% *°От % % % % ' го'

Рис 9 Изменение запасов солевых компонентов в почвах в зоне влияния транспортной магистрали, варианты прогноза

снижение запасов в почвах - до 0,33 т/км2 по Иа и 2,14 т/км2 по С!, чго соответствует содержаниям СМа - 19 г/т (Кс=1,1) и Са - 36 г/з (Кс=1,6)

Глава 6 Оценка и прогнозирование загрязнения донных отложений малых рек тяжелыми металлами

6 1 Модель загрязнения донных отложений. Для описания техногенного загрязнения донных отложений использовались подходы, заложенные в моделях литохимических потоков рассеяния рудных месторождений, источником формирования которых являются вторичные ореолы рассеяния в элювио-делювии

В модели «идеального» потока рассеяния, предложенной Солововым (1985), распределение концентраций химического элемента в любой точке опробования аллювии х описывается функцией СХ'=А(Р, 8Х), где Р - площадная продуктивность вторичного ореола рассеяния, - площадь бассейна водосбора для точки х Уравнение «идеального» потока рассеяния имеет вид Сх' = РХ/8Х + Сф

Техногенные аномалии в почвах и снеге допустимо рассматривать в качестве аналога вторичных ореолов В результате миграции загрязнителей, аккумулированных за зимний период в снежном покрове, с поверхностным стоком при снеготаянии и плоскостного смыва в аллювии рек будет происходить формирование техногенного литохимического потока с приращением концентраций загрязняющих веществ на величину

а' а^+а"' АС'(%)= Чси Чгл 100, Ч"„ +4™

где я"ие и q"ll - запасы металла и общее количество пыли, аккумулированное

в снежном покрове за период п (лет) на площади водосбора 8Х, а' - доля металла (пыли), пошедшая на загрязнение (формирование) аллювия, от их общего количества в снежном покрове, и qrл - дополнительное количество металла и общее количество материала почв, сносимое за тот же период в русло с площади водосбора 8Х, отвечающей точке х на любом расстоянии от водораздела

Вводя в уравнение коэффициент редукции г, отражающий долю бассейнового материала, достигающего речных русет, коэффициент кх, характеризующий соотношение между пылью и продуктами денудации почв в слое аллювия реки, сформированном за рассматриваемый период п (лет) кх= а' q"н Л}т, производя замену параметров (я"„'=Р г л <1, чт=8х г п дЬ с!,, где дЬ - ежегодный слой

денудации, (¡1~с12 - плотности почв и пыли) и дальнейшие преобразования, приращение концентраций в аллювии выразим

а' 100 Р

ДС (%)=-—-+-, где а - плотность почв

(*,+1) г п дЬ й (*, + 1) Б,

Первый член слагаемого этого уравнения определяет приращение концентраций за счет поступления металла из снежного покрова при его таянии, второй - за счет поступления металлов из техногенных аномалий в почвах

Эрозия почв в равнинных районах со слабо развитым сельскохозяйственным производством характеризуется малой интенсивностью (ДЬ<0,01 мм/год, Соловов, 1990) Скорости перемещения часгиц почв при птоскостном смыве в равнинном рельефе умеренно гумидных зон с развитым растительным покровом составляют в среднем 0,п см'год (Джеррард, 1984) Вследствие этого, в формировании техногенного потока рассеяния могут принимать участие только частицы почв, загрязненных выпадениями по берегам рек

Полагая, что их дотя крайне мала, а содержания ТМ в почвах значительно ниже, чем в пылевых выпадениях, можно допустить, что приращение концентраций в слое донных отложений, образованном за период техногенного воздействия, будет происходить преимущественно за счет транспорта загрязняющих веществ, аккумулированных снежным покровом за зимний период

лс,(%)= а'"" 100 ,

(кх+1) 8Х г п лЬ а

а уравнение техногенного литохимического потока рассеяния примет вид

с,(%)=с4+-""" 100 ,

ф (¿, + 1) гпдьа Уравнение позволяет рассчитывать содержания загрязнителей в слое донных отложениях сформированных за любой период техногенного воздействия (без ограничений на его продолжительность)

Проведение расчетов содержаний элементов Сх в опробуемом слое аллювия по предложенному уравнению ограничивается периодом времени от начала техногенного воздействия до момента, когда мощность формирующегося слоя аллювия ДЬя1 достигнет мощности слоя опробования Ь

При условии ДЬа1 < Ь, приращение содержаний в опробуемом слое донных отложений ДСХ и сами содержания определяются выражениями

ДС.-ДС. ^,схсф+дсх^-

Продолжительность периода времени, в течение которого возможно проведение расчетов содержаний элементов в слое опробования донных отложений, определяется его мощностью и скоростями накопления аллювия

6 2. Оценка и прогноз загрязнения донных отложений р Ички. Проверка предложенной расчетной модели и про1 нозная оценка техногенного загрязнения ТМ проводились для донных отложений р Ички

Основное вклад в загрязнение донных отложений вносит МКАД, вдоль которой река протекает на протяжении 5 км Загрязненные выпадениями от МКАД снежный покров и почвы придорожной полосы являются основным источником поступления ТМ в реку Детальным опробованием в 2003 2005 г г, установлено, что основными загрязнителями донных отложениях являются Си, 2п, РЬ, №, Мо и Ag

Для проверки модели и прогноза загрязнения донных отложений были проведены 1) оценка поступления ТМ с атмосферными выпадениями в зимнее время за период эксплуатации МКАД, 2) оценка запасов ТМ в донных отложениях, 3) определение коэффициентов а', устанавливающих связь между запасами загрязнителей в снежном покрове и донных отложениях, 4) расчет содержаний ТМ в потоке рассеяния по предложенному уравнению, 5) сопоставление расчетных данных с фактическими

Расчеты поступления ТМ на основе оценки современных выпадений у МКАД проводились в полосе шириной 200 м общей площадью 1,85 км2, прилегающей к руслу Принятый подход обусловлен тем, что в лесных ландшафтах равнин только на прилегающих к руслам участках, занимающих не более 10% от общей площади бассейна, таяние снега приводит к формированию преимущественно поверхностного стока (/г>0,8, Василенко и др, 1985) Поверхностный сток с остальной части водосбора составляет 20-40% от общего количества осадков, аккумулированных в снежном покрове, и поступление с ним взвешенных форм загрязнителей,

осаждающихся по мере движения к руслу из временных водотоков на почвы, может рассматриваться как незначительное

В основу расчетов поступления ТМ были положены оценки современных пылевых выпадений в полосе, прилегающей к МКАД Общее поступление загрязнителей с выпадениями в зимнее время за 40 лет эксплуатации МКАД (табл 9) было определено с учетом динамику загрязнения снежного покрова (см табл 6)

Таблица 9

Количества загрязняющих веществ, аккумулированных снежным покровом в полосе, прилегающей к руслу р Ички, за период эксплуатации МКАД

Период эксплуатации, годы Пыль, т Си, кг Ъл., кг РЬ, кг N1, кг Мо, кг А& кг

1965-1985 177 37 125 41 57 0,69 0,12

1985-1995 117 23 116 37 38 0,86 0,09

1995-2005 180 32 123 26 12 0,96 0,39

1965-2005 474 92 364 104 107 2,5 0,59

Для определения значений коэффициентов пропорциональности а', характеризующих долю пошедших на загрязнение донных отложений тяжелых металлов из их общего количества, аккумулированного снеге за период эксплуатации МКАД (40 лет), были проведены расчеты запасов загрязняющих веществ в аллювии При общей протяженности загрязненного участка русла 8,1 км, его средней ширине 1,5 м, запасы загрязняющих веществ в слое опробования Ь = 5 см составили Си - 24 кг, Хп - 323 кг, РЬ - 17 кг, N1 - 19 кг, Мо - 1,8 кг, Ag - 0,11 кг Значения коэффициентов пропорциональности а'для четырех химических элементов (Си - 0,26, РЬ - 0,16, № -0,18, Ag - 0,18) характеризуются незначительным разбросом а' =0,20±0,05

«Избыток» накопленных в донпых отложениях '¿п (а'=0,89) и Мо (а'=0,72) обеспечивается за счет коррозии оцинкованной металлической сетки, которой выложены дно и берега реки на отдельных участках русла По результатам анализа фракции <0,25 мм было выявлено уменьшение средних концентраций 2л - в 2,3 раза, Мо - в 1,3 раза по сравнению с фракцией <1 мм, в то время как для остальных ТМ отношения содержаний близки к единице (0,9-1,1) Полученные данные свидетельствуют, что значительная часть накопленных в донных отложениях 2п и Мо заключена в агрегатах 1-0,25 мм, образующихся при коррозии оцинкованной сетки

Исходя из полученных результатов, среднее значение коэффициента пропорциональности а'=0,2, определенное для РЬ, Си, N1, Ag, было принято при расчетах концентраций в техногенных потоках рассеяния и Мо

Расчеты концентраций химических элементов в донных отложениях на основе предложенного уравнения проводились по данным подсчетов их суммарной аккумуляции (за период 1965-2005 гг) в снежном покрове элементарных площадок, соответствующих ближайшим точкам опробования донных отложений в русле реки

При расчетах поступления продуктов эрозии почв были приняты значения ДЬ=0,01 мм для условий равнинного рельефа (Соловов, 1990), г=0,1 для площади бассейна р Ичка (Алексеевский, Чалов, 1997), <1 =1,5 т/м3 (средняя плотность почв)

Расчетное количество материала склоновых отложений (почв), поступивших в русло за 40 лет эксплуатации МКАД, составило 1080 т За этот же период из выпадений, депонированных снежным покровом, на формирование слоя аллювия при а'=0,2 пошло около 95 т пыли Вклад пылевых выпадений в формирующийся слой аллювия составляет около 8% (¿,=0,09) и при расчетах им можно пренебречь

За рассматриваемый промежуток времени в 40 лет произошло накопление слоя аллювия ДЬа, мощностью около 40 мм (для средней ширины русла 1,5 м), что позволяет провести расчеты содержаний в слое опробования (1г=5 см) при ДИа1/11=0,8 и сопоставление полученных результатов с фактическими (по данным 2003, 2005 гг)

Кривые распределения элементов-загрязнителей, построенные по расчетным данным и результатам анализа донных проб, сглаженных окном в три точки, свидетельствуют о посчедовательном возрастании концентраций вниз по течению реки на всем интервале зоны влияния МКАД (рис 10)

и

101 юз

108 110 112 114 Нгпрэб

102» ь-щ

Содержание,!^ расчетное

ПО рй!)'1ШИ.ТШ

ацроба ешкя 2 003 г ( ш резугагатия агфобо ешия 2 003 г

100

300

200

100 Сф 0

101 103 10В 103 110 112 114 К51Ч50Б

С„,г/г

1п 1 { | 1 \Л 1 * I Ц

1 1 ! 1 1 1 1 1- 1 н II

1 1 [ У! 1 ".иЦ 1 > ,1 Ч ¡1

1 1 -аргТТЛГ -¡_ 1 .

! Г Г | |

101 103 юе 103 110 112 114 №1506

7 х,ил

РЬ| | I 1." I,; 1^4.4-

! 1 1 [и-1 л 11 I1

Г ' 1 1 1(1 ;

1 • ! ! 1 1 ,4 1'

I ; | ! 111 1 1 ' 1 ! 5 : 1 !'

В 7

Рис 10 Графики расчетных и наблюдаемых содержаний главных загрязнителей в донных отложениях реки Ичка

Сопоставление расчетных и фактических данных показывает, что средние концентрации Си, РЬ, N1, полученные расчетным путем, характеризуются незначительными отклонениями от фактических (не выходят за пределы ±10%) Отношения средних расчетных и фактических надфоновых содержаний по указанным элементам находятся в диапазоне 0,7-1,2 Близкие соотношения расчетных и фактических содержаний для Ъа и Мо (0,8-1,1) получены дтя фракции <0,25 мм

При современных нагрузках и соответствующих им скоростях накопления аллювия (1 мм/год) формирование слоя донных отложений, равного по мощности слою опробования (Ь=5 см), произойдет в течение ближайших 10 лет

В течение этого периода по расчетным данным произойдет незначительное увеличение концентраций тяжелых металлов в донных отложениях (в 1,1 - 1,3 раза), после чего их рост в слое опробования 5 см прекратиться, если нагрузки на магистрали не превысят средние за предшествующий период наблюдений

Набтюдаемые на графиках превышения расчетных концентраций над измеренными на одних интервалах русла и измеренных над расчетными на других имеют локальное значение и связаны с особенностями строения речной долины подпруженных участков со слабым течением, на которых происходит избирательная аккумуляция элементов, и непротяженных интервалов с более сильным течением в местах сужений русла, где преобладает избыточный вынос

Предложенная модель позволяет оценить динамику загрязнения донных отложений реки Ички за счет выпадений, аккумулированных в снежном покрове в зоне влияния транспортной магистрали от начала ее эксплуатации

Расчеты загрязнения проводили а) по средним нагрузкам за период эксплуатации МКАД, б) по современным нагрузкам на транспортной магистрали

Результаты расчетов показывают, что поступление загрязнителей из снежного покрова при нагрузках, соответствующих средним за период эксплуатации МКАД, приводит к достижению минимально-аномальных значений в слое опробования по 7х\, РЬ и Ag - через 30 лет, по № - через 50 лет Для Си и Мо минимально-аномальный уровень в донных отложениях превышен не будет

При расчетах по современным нагрузкам, которые выше средних за прошедший период по Си, 2п, Мо - в 1,4-1,5 раза, по А§ - в 2,6 раз, равны им по РЬ и ниже в 2,3 раза по №, минимально-аномальный уровень содержаний в слое опробования будет превышен для Ag, 2п, РЬ, Си и Мо - примерно через 10, 20, 30, 40 и 50 лет соответственно Поступление N1 не приведет к превышению минимально-аномального уровня в донных отложениях

Выводы

1) Атмосферные выпадения от промышленности и транспорта являются одним из основных источников загрязнения почв урбанизированных территорий тяжелыми металлами Прогноз загрязнения можег осуществляться на базе оценок нагрузок загрязнителей по данным снеговых съемок и ряда коэффициентов, характеризующих равномерность твердофазных выпадений в течение года, степень их аккумуляции почвами и долю от растворенных форм в выпадениях, идущую на загрязнение почв

2) Вынос загрязнителей из экосистемы НП «Лосиный остров» осуществляется преимущественно с речным стоком в половодье (около 70% от выноса за год) В условиях выровненного рельефа и залесенной местности доля твердофазных выпадений, идущая на аккумуляцию почвами, составляет не менее 97%, растворенных форм тяжелых металлов (Си, Хп, РЬ, N1) - 73-78% от их поступления на водосбор

3) Около 45-50% загрязнителей в зимний период поступает с твердофазными выпадениями в интервал до 1 км от промышленных источников При отсутствии выраженных различий в профиле промышленного производства в летний и зимний периоды поступление тяжелых металлов равномерно в течение года (трехкратное увеличение пылевой нагрузки в летнее время компенсируется снижением содержаний в пыли)

4) На территории НП «Лосиный остров» загрязнение почв в интервале до 5 км от границы промышленных зон обеспечивается сопоставимыми количествами взвешенных (30-40% для Мо, Хп, N1, 50-60% для Си, Ag и 80% для РЬ) и растворенных форм тяжелых металлов Согласно прогнозу, средние содержания приоритетных загрязнителей в почвах превысят аномальный уровень на расстоянии до 1 км через 35-65 чет (на 20% площади парка), в более удаленных частях - не ранее, чем через 150-300 лет За счет латеральной миграции на отдельных участках парка загрязнение почв достигнет среднего уровня через 120-150 лет

5) Проведенными исследованиями в районе МКАД установлено, что около 70% поступления пыли и 45-70% металлов в зимний период приходится на интервал 0-100 м В летний период наблюдается близкое к двукратному увеличение выпадений основных загрязнителей, связанное с возрастанием транспортной нагрузки

6) Загрязнение почв в районе транспортной магистрали определяется преимущественно твердофазными выпадениями, обеспечивающими в полосе до 100 м

от дорожного полотна 65-95% запасов тяжелых металлов Время формирования техногенных аномалий приоритетных загрязнитетей в интервале 0-25 м составляет 20-50 лет, 25-50 м - 40-90, 50 - 100 м - 60-130 лет

7) Исследованием солевого загрязнения около МКАД установлено, что на аккумуляцию солей почвами из снежного покрова при его таянии приходится около 45% запасов за зимний период Вымывание из почв наиболее интенсивно идущее в начале теплого периода, коррелирует нарастающим итогом с атмосферными осадками и составляет при их количестве, близком к норме, 40% от запасов в почвах после снеготаяния

8) Практическая реализация прогноза солевого загрязнения почв осуществляется путем пошаговых расчетов для заданных значений нагрузок солевых компонентов и количества атмосферных осадков за теплый период года При условии их постоянства в течение прогнозного периода могут быть определены предельные значения снижения (роста) запасов солей в почвах

9) Загрязненный снежный покров является одним из основных источников формирования техногенного потока рассеяния тяжелых металлов в донных отложениях На примере р Ички, протекающей в зоне влияния МКАД, балансовыми расчетами показано, что существующий уровень загрязнения обеспечивается аккумуляцией 20% взвешенных форм тяжелых металлов, депонированных в снежном покрове в прилегающей к руслу полосе

10) Согласно расчетным данным, полученным при использовании предложенного уравнения, определено, что время формирования техногенного потока рассеяния основных загрязнителей (РЬ и 2п) составляет 20-30 лет

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1 Лубкова Т Н, Яникиева О Е Солегое загрязнение почв и растительности НП «Лосиный остров» // Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геотоги XXI века», Саратов, 2001 г, с 73-74

2 Лубкова Т Н Солевое загрязнение растительности от МКАД как один из факторов ухудшения состояния лесных насаждений в НП «Лосиный остров» // II Межвузовская молодежная научная конференция «Школа экологической геологии и рационального недропользования», Санкт-Петербург, 2001 г , с 207-209

3 Лубкова Т Н Влияние солевой составляющей транспортного загрязнения от МКАД на древесную растительность НП "Лосиный остров" // Геохимия биосферы, III Международное совещание, посвященное 10-летию Научно-исследовательского института геохимии биосферы РГУ, Новороссийск, 2001 г , с 171-173

4 Николаев Ю Н , Шестакова Г В , Бычков А Ю , Маркова Ю Л , Лубкова Т Н , Яникиева О Е Солевое загрязнение почв и растительности в НП «Лосиный остров», V Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2001 г, с 44

5 Лубкова Т Н Динамика загрязнения древесной растительности в условиях транспортного воздействия (на примере НП «Лосиный остров», Москва) // III Межвузовская молодежная научная конференция «Школа экологической геологии и рационального недропользования», Санкт-Петербург, 2002 г, с 263-265

6 Лубкова Т Н , Яникиева О Е Динамика солевого загрязнения почв в НП «Лосиный остров», VI Международная конф «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2003 г, с, 68

7 Лубкова ТН Балансовые расчеты техногенного загрязнения в НП «Лосиный остров» // Геотоги XXI века Тезисы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, Саратов, 2003 г , с 88-91

8 Лубкова ТН Оценка потоков загрязняющих веществ в НП Лосиный остров // Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Выпуск 9,-М, Студенческий союз МГУ, 2003, с 116

9 Лубкова ТII, Николаев Ю Н Шестакова Т В Оценка потоков и балансовые расчеты загрязнения экосистемы НГ1 «Лосиный остров», г Москва // Тезисы Международной

школы «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды», - Новороссийск, 2003 г с 119-121

10 Лубкова Т Н, Яникиева О Е Динамика солевого загрязнения от МКАД в национальном парке «Лосиный остров» // Вести Моек ун-та, сер 4 Геология, 2003, №6, с 43-45

11 Николаев 10 ,Н , Лубкова Т Н , Шестакова Т В , Сырямкина О В Оценка потоков и динамики загрязнения тяжелыми металлами в Национальном парке «Лосиный остров» //Научные труды Национального парка «Лосиный остров», выпуск I / Под ред В В Киселевой -М «КРУК-Престиж», 2003, с 127-147

12 Лубкова Т Н , Николаев Ю Н , Шестакова Т В , Яникиева О Е Солевое загрязнение от автотранспортных магистралей в НП «Лосиный остров» динамика и балансовая оценка //Научные труды Национального парка «Лосиный остров», выпуск I / Под ред В В Киселевой -М «КРУК-Престиж», 2003, с 148-168

13 Лубкова ТН Количественная оценка миграции противогололедных реагентов вблизи транспортных магистралей (на примере участка МКАД) // Геологи XXI века Материалы VI Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, Саратов, 2005 г с 124-125

14 Лубкова ТН, Шестакова ТВ, Охапкина ЕЮ, Толмачева АВ, Ябтонская ДА Основные виды воздействия крупного аэропорта на окружающую среду// Тез докл VII Международной конференции "Новые идеи в науках о земле", т 4, М, 2005, с 27

15 Шестакова Т В , Лубкова Т Н , Сущенцова Б Ю , Блинова Т А Особенности загрязнения почв вблизи автомагистралей// Тез„докл, VII Международной конференции "Новые идеи в науках о земле", т 4, М, 2005, с 51

Подписано в печать 20 04 2007 г Исполнено 20 04 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 435 Тираж 120экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56 www autoreferat ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Лубкова, Татьяна Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАЛАНСОВОГО ПОДХОДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ОЦЕНКЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМ ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Природная характеристика парка.

2.2. Основные источники загрязнения и последствия их воздействия на экосистему Национального парка (обзор предшествующих работ).

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Полевые исследования.

3.2. Аналитические исследования.

3.3. Методика обработки данных.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ИЗ АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ.

4.1. Модель загрязнения почв тяжелыми металлами.

4.2. Балансовые расчеты загрязнения почв в НП «Лосиный остров».

4.2.1. Поступление тяжелых металлов от промышленности и транспорта: общая характеристика и структура выпадений.

4.2.2. Вынос тяжелых металлов с речным стоком и баланс загрязнителей в экосистеме.

4.2.3. Оценка и прогноз загрязнения почв от промышленных источников.

4.2.4. Оценка и прогноз загрязнения почв в зоне влияния автомагистралей.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ СОЛЕВЫМИ КОМПОНЕНТАМИ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ.

5.1. Модель солевого загрязнения почв.

5.2. Оценка и прогноз солевого загрязнения почв в НП «Лосиный остров».

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МАЛЫХ РЕК ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ.

6.1. Модель загрязнения донных отложений малой реки (в отсутствии воздействия сточных вод).

6.2. Оценка и прогноз загрязнения донных отложений р.Ички (НП «Лосиный остров», г.Москва).

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов"

Экологическая геохимия, сформировавшаяся как самостоятельная научная дисциплина в 70-80 годы XX века, развивалась как прикладная наука, направленная на констатацию факта техногенного загрязнения химическими элементами компонентов окружающей среды и описание объектов и ситуаций, где данное загрязнение наиболее ярко проявилось (горнорудные территории, урбо- и агроландшафты).

Техногенная эмиссия химических элементов в промышленно-развитых и урбанизированных районах формирует мощные искусственные миграционные потоки, загрязняющие компоненты окружающей среды.

Главной практической целью эколого-геохимических исследований в городах является оценка уровней загрязнения компонентов природной среды, экологической обстановки территорий, категорий загрязнения функциональных зон, условий произрастания городских растений и степени риска техногенного воздействия для здоровья населения.

Основы экологической геохимии урболандшафтов, базирующиеся на огромном фактическом материале, заложены Ю.Е.Саетом и развивались в работах В.А.Алексеенко, Л.Н.Алексинской, И.Л.Башаркевич, Э.К.Буренкова, А.А.Волоха, А.А.Головина, Н.С.Касимова, А.И.Летувнинкаса, И.А.Морозовой, Н.И.Несвижской, Б.А.Ревича, С.Б.Самаева, Л.С.Соколова, Н.Я.Трефиловой, Е.П.Янина и др., которые позволили установить важнейшие геохимические особенности техногенного преобразования компонентов окружающей среды и разработать методические основы изучения их загрязнения и оценки.

К настоящему времени разработаны методы количественной оценки загрязнения окружающей среды, определены геохимические показатели ее качества, сформировались представления о масштабах и последствиях геохимического преобразования биосферы в связи с деятельностью человека. Использование полученных знаний в практических целях служит основой для разработки рекомендаций и мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации негативных последствий человеческой деятельности.

Современные подходы к эколого-геохимической оценке территорий, находящихся под воздействием промышленных и транспортных источников (урболандшафтов), фактически не предполагают использования балансовых моделей загрязнения, хотя и базируются на устойчивых корреляционных связях между источниками загрязнения, миграцией химических элементов в транспортирующих (вода, воздух) и аккумуляцией в депонирующих (снежный покров, почвы, растительность, донные отложения) природных средах.

Прогноз загрязнения окружающей среды на современном этапе эколого-геохимических исследований основан преимущественно на оценке динамики загрязнения и экстраполяции полученных данных в некотором временном диапазоне. Такой подход страдает двумя очевидными недостатками:

1. Длительным периодом времени, затрачиваемым на выявление динамики загрязнения в основных депонирующих компонентах окружающей среды, на основе которой возможно осуществлять дальнейшее прогнозирование;

2. Отсутствием в его основе балансового подхода, позволяющего учитывать всю последовательность геохимических изменений в сопряженных компонентах окружающей среды, находящихся под воздействием источников химического загрязнения.

Устранение этих недостатков применительно к некоторым типам воздействия представляется возможным путем использования расчетных моделей загрязнения и балансовых подходов, которые рассмотрены в настоящей работе.

Целью работы являлась разработка научных основ прогнозирования химического загрязнения в локальных экосистемах на основе расчетных моделей и балансовых подходов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) оценка потоков поступления, выноса и количеств аккумулированных загрязнителей в почвах, находящихся под воздействием промышленных выбросов (на примере Национального парка Лосиный остров);

2) оценка потоков поступления и количеств аккумулированных загрязнителей в почвах, находящихся в зоне влияния транспортной магистрали (на примере МКАД);

3) оценка потоков поступления, выноса и количеств аккумулированных загрязнителей в донных отложениях малых рек (на примере р. Ичка);

4) разработка расчетных моделей оценки и прогноза загрязнения почв химическими элементами, поступающими с выпадениями из атмосферы;

5) разработка расчетной модели оценки и прогноза загрязнения донных отложений химическими элементами, аккумулированными в снежном покрове в бассейнах рек.

В основу диссертационной работы положены результаты мониторинга снежного покрова, почв, донных отложений и вод (2000-06) на территории Национального парка Лосиный остров (г. Москва), проводимого с участием автора. За указанный период были отобраны 102 пробы снега, около 600 почвенных проб, 112 проб донных отложений, 25 проб речной воды, выполнено 49 пылевых смывов с листьев деревьев.

В работе использованы результаты снеговых съемок МОМГЭ ИМГРЭ за 1977-78., 1987-88 гг., предоставленные С.Б.Самаевым, и данные кафедры геохимии МГУ (1998-99 гг.), обобщенные в коллективной монографии (Николаев и др., 2000) и диссертационной работе Ю.Л.Марковой (2003).

Автор принимала непосредственное участие в аналитических исследованиях состава почв, вод и донных отложений, построении эколого-геохимических карт. Автором выполнен весь объем обработки данных и балансовых расчетов.

Результаты исследований докладывались на II Межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования», Санкт-Петербург, 2001; III Международном совещании, посвященном 10-летию Научно-исследовательского института геохимии биосферы РГУ, Новороссийск, 2001 г.; V и VII Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2001, 2005 г. г. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю доценту Ю.Н.Николаеву и Т.В.Шестаковой за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы; Самаеву С.Б. - за предоставленные результаты снеговых и почвенных съемок по территории НП Лосиный остров и полезные советы, Гричуку Д.В. - за консультации и внимание к работе, Яникиевой O.E. за плодотворную совместную работу; Алехину Ю.В. - за консультации, Пчелинцевой Н.Ф., Родионовой И.П., Митояну P.A. за помощь при выполнении анализов; Аплеталину A.B. и Охапкиной Е.Ю. за содействие и помощь по обработке результатов и оформлении работы.

Заключение Диссертация по теме "Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых", Лубкова, Татьяна Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были разработаны модели загрязнения почв и донных отложений химическими элементами, поступающими на поверхность с атмосферными выпадениями от различных источников.

На основе обработки фактического материала были получены входные расчетные параметры для предложенных уравнений, характеризующие поступление взвешенных и растворенных форм химических элементов от промышленных источников г.Москва на территорию НП "Лосиный остров", в полосу, прилегающую к МКАД и в долину р.Ички, находящейся под воздействием транспортного загрязнения.

Расчеты поступления загрязнителей были проведены с учетом сезонных вариаций и динамики выпадений за периоды воздействия промышленных источников и транспорта, что позволило определить поправочные коэффициенты для входных параметров уравнений, по которым проводилась оценка загрязнения почв и донных отложений.

По данным режимных наблюдений и ежемесячного опробования вод на створе была произведена оценка выноса тяжелых металлов из экосистемы и получены коэффициенты, характеризующие потери для почв их взвешенных и растворенных форм с поверхностным стоком.

По данным опробования почв на территории НП "Лосиный остров", в полосе, прилегающей к МКАД и донных отложений р.Ички были оценены запасы химических элементов в слое загрязнения в контурах выделенных техногенных аномалий и на интервалах русла с аномальными содержаниями.

Сопоставление поступления тяжелых металлов за вычетом их выноса с речным стоком с фактическими запасами загрязнителей в донных отложениях и почвах позволило определить долю выпадений, пошедших на аккумуляцию.

По данным ежемесячного мониторинга почв в полосе прилегающей к МКАД, была оценена доля солевых компонентов, вымываемых атмосферными осадками в течение теплого периода и остаточный запас, аккумулированный в почвах на начало нового цикла поступления загрязнителей.

На основании установленных параметров и определенных коэффициентов в уравнениях были проведены расчеты концентраций (запасов) химических элементов в почвах и донных отложениях объектов исследований. Для проверки предложенных моделей производилось сопоставление расчетных и фактических оценок загрязнения.

На основании расчетных параметров загрязнения по заданным (фактическим) нагрузкам был выполнен прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами и солевыми компонентами на территории НП «Лосиный остров» и в полосе, прилегающей к МКАД.

Аналогичный прогноз был выполнен для донных отложений р.Ички, загрязняемых тяжелыми металлами, поступающими от транспортной магистрали.

В результате выполненных работ получены следующие выводы:

1) Атмосферные выпадения от промышленности и транспорта являются одним из основных источников загрязнения почв урбанизированных территорий тяжелыми металлами. Прогноз загрязнения может осуществляться на базе оценок нагрузок загрязнителей по данным снеговых съемок и ряда коэффициентов, характеризующих равномерность твердофазных выпадений в течение года, степень их аккумуляции почвами и долю от растворенных форм в выпадениях, идущую на загрязнение почв.

2) Вынос загрязнителей из экосистемы НП «Лосиный остров» осуществляется преимущественно с речным стоком в половодье (около 70% от выноса за год). В условиях выровненного рельефа и залесенной местности доля твердофазных выпадений, идущая на аккумуляцию почвами, составляет не менее 97%, растворенных форм тяжелых металлов (Си, Тп, РЬ, №) - 73-78% от их поступления на водосбор.

3) Около 45-50% загрязнителей в зимний период поступает с твердофазными выпадениями в интервал до 1 км от промышленных источников. При отсутствии выраженных различий в профиле промышленного производства в летний и зимний периоды поступление тяжелых металлов равномерно в течение года (трехкратное увеличение пылевой нагрузки в летнее время компенсируется снижением содержаний в пыли).

4) На территории НП «Лосиный остров» загрязнение почв в интервале до 5 км от границы промышленных зон обеспечивается сопоставимыми количествами взвешенных (30-40% для Мо, 1п, №, 50-60% для Си, Ag и 80% для РЬ) и растворенных форм тяжелых металлов. Согласно прогнозу, средние содержания приоритетных загрязнителей в почвах превысят аномальный уровень на расстоянии до 1 км через 35-65 лет (на 20% площади парка), в более удаленных частях - не ранее, чем через 150-300 лет. За счет латеральной миграции на отдельных участках парка загрязнение почв достигнет среднего уровня через 120-150 лет.

5) Проведенными исследованиями в районе МКАД установлено, что около 70% поступления пыли и 45-70% металлов в зимний период приходится на интервал 0-100 м. В летний период наблюдается близкое к двукратному увеличение выпадений основных загрязнителей, связанное с возрастанием транспортной нагрузки.

6) Загрязнение почв в районе транспортной магистрали определяется преимущественно твердофазными выпадениями, обеспечивающими в полосе до 100 м от дорожного полотна 65-95% запасов тяжелых металлов. Время формирования техногенных аномалий приоритетных загрязнителей в интервале 0-25 м составляет 20-50 лет, 25-50 м -40-90, 50- 100 м-60-130 лет.

7) Исследованием солевого загрязнения около МКАД установлено, что на аккумуляцию солей почвами из снежного покрова при его таянии приходится около 45% запасов за зимний период. Вымывание из почв, наиболее интенсивно идущее в начале теплого периода, коррелирует нарастающим итогом с атмосферными осадками и составляет при их количестве, близком к норме, 40% от запасов в почвах после снеготаяния.

8) Практическая реализация прогноза солевого загрязнения почв осуществляется путем пошаговых расчетов для заданных значений нагрузок солевых компонентов и количества атмосферных осадков за теплый период года. При условии их постоянства в течение прогнозного периода могут быть определены предельные значения снижения (роста) запасов солей в почвах.

9) Загрязненный снежный покров является одним из основных источников формирования техногенного потока рассеяния тяжелых металлов в донных отложениях. На примере р.Ички, протекающей в зоне влияния МКАД, балансовыми расчетами показано, что существующий уровень загрязнения обеспечивается аккумуляцией 20% взвешенных форм тяжелых металлов, депонированных в снежном покрове в прилегающей к руслу полосе.

10) Согласно расчетным данным, полученным при использовании предложенного уравнения, определено, что время формирования техногенного потока рассеяния основных загрязнителей (РЬ и Ъп) составляет 20-30 лет.

Основными защищаемыми положениями в работе являются:

1. На основе балансового подхода разработана модель и предложено уравнение, позволяющее по интенсивностям твердофазных выпадений в зимний период проводить оценку и прогноз загрязнения почв тяжелыми металлами.

2. На основе расчетной модели выполнены оценка и прогноз загрязнения почв промышленными выбросами на территории НП «Лосиный остров». Установлено, что загрязнение почв на расстоянии до 5 км от границы промышленных зон обеспечивается сопоставимыми количествами взвешенных (30-40% для Мо, Ъп, N1, 50-60% для Си, Ag и 80% для РЬ) и растворенных форм тяжелых металлов. Согласно прогнозу, средние содержания приоритетных загрязнителей в почвах превысят аномальный уровень на расстоянии до 1 км через 35-65 лет, в более удаленных частях парка - не ранее, чем через 150-300 лет.

3. На примере отрезка МКАД, проходящего по территории НП «Лосиный остров», показано, что загрязнение почв в зоне влияния транспортной магистрали определяется преимущественно твердофазными выпадениями, обеспечивающими в полосе до 100 м от дорожного полотна 65-95% запасов тяжелых металлов. Время формирования техногенных аномалий приоритетных загрязнителей в интервале 0-25 м составляет 20-50 лет, 25-50 м -40-90, 50- 100м-60-130 лет.

4. На основе разработанной балансовой модели и установленных параметров, характеризующих аккумуляцию солей из снежного покрова при его таянии и их вымывание осадками из почв в течение теплого периода, на примере отрезка МКАД проведены оценки и прогноз солевого загрязнения вблизи автомагистрали. Установлены предельные запасы (содержания) солевых компонентов в почвах для заданных расчетных нагрузок.

5. Предложено уравнение, позволяющее по запасам тяжелых металлов в снежном покрове, проводить оценку и прогноз загрязнения донных отложений. На примере малой реки, протекающей в зоне влияния МКАД, показано, что превышение минимально-аномального уровня содержаний главных загрязнителей (РЬ и 2п) в донных отложениях обеспечивается аккумуляцией 20% их взвешенных форм, депонированных в снежном покрове за период 20-30 лет.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Лубкова, Татьяна Николаевна, Москва

1. Алексеевский Н.И., Чалов P.C. Движение наносов и русловые процессы. М., 1997

2. Алексеенко В.А., Марунич C.B. К расчету баланса некоторых биогенных элементов в условиях малого лесного водосбора//Метеорология и гидрология, 1985, №11, с.77-83

3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.:МГУ.1970

4. Башаркевич И.Л., Килипко В.А., Самаев С.Б., Соколов Л.С., Якубов Х.Г. Геохимическая оценка состояния окружающей среды на территории парка «Лосиный остров» /Прикладная геохимия, вып.6, М.: ИМГРЭ, 2004, с. 13 8-145

5. Башкин В.Н., Курбатова A.C., Савин Д.С. Методологические основы оценки критических нагрузок поллютантов на городские экосистемы. М.: НИиПИЭГ, 2004

6. Белицына Г.Д., Скворцова И.Н., Перевозник И.А. Геохимия цинка в почвах Московской Мещеры с различной техногенной химической нагрузкой /Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах. М.: Изд-во МГУ, 1983, с.123-131

7. Блэк К.А. Растение и почва. М.: Колос, 1973

8. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л., Гидрометеоиздат. - 1985

9. Водохранилища Москворецкой водной системы. Под ред. В.Д. Быкова, Н.Ю. Соколовой, К.К. Эдельштейна. М.: Изд-во МГУ, 1985

10. Вомперский С.Э. Биологическая продуктивность лесов Поволжья. М.: Наука, 1982

11. Воробьев С.А., Самаев С.Б. Ореолы загрязнения автотранспортных магистралей //Вест. МГУ, сер. геология. 2002, №6, с. 47-53

12. Воробьева А.Л., Лобанова Е.А., Новых Л.Л. Подвижность железа и свинца в почвах /Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах. М.: Изд-во МГУ, 1983, с.5-12

13. Воробьева Л.А., Рудакова Т.А., Лобанова Е.А. Элементы прогноза уровня концентраций тяжелых металлов в почвенных растворах и водных вытяжках из почв /Тяжелые металлы в окружающей среде. М.: Изд-во МГУ, 1980, с.28-34

14. Временная инструкция по технологии зимней уборки проезжей части улиц и проездов с применением химических противогололедных реагентов и щебня фракции 2-5 мм.УКХиБ. М.1997

15. Гильманов Т.Г. Математическое моделирование биогеохимических циклов в травяных экосистемах. М.: Изд-во МГУ, 1978

16. Глазовская М.А. Теория геохимии ландшафтов в приложении к изучению техногенных потоков рассеяния и анализу способности природных систем ксамоочищению /Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. М.: Наука, 1981, с.7-40

17. Глазовская М.А. Качественные и количественные оценки сенсорности и устойчивости природных систем к техногенным кислотным воздействиям //Почвоведение, 1994, №1, с. 134-139

18. Глазовская М.А. Роль и функции педосферы в геохимических циклах углерода //Почвоведение, 1996, №2, с. 174-186

19. Головин A.A., Самаев С.Б., Соколов Л.С. Современные подходы к эколого-геохимической оценкеурбанизированных территорий /Прикладная геохимия, вып.6, М.: ИМГРЭ, 2004, с.51-62

20. Горбатов B.C., Зырин Н.Г., Обухов А.И. Адсорбция почвой цинка, свинца, кадмия //Вестн.МГУ. Сер. 17, почвоведение, 1988, №1, с. 10-16

21. Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии: Учебное пособие. Смоленск: Изд-во Смоленского гуманитарного университета, 1998

22. Гринин A.C., Орехов H.A., Новиков В.Н. Математическое моделирование в экологии: Учеб. пособие для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003

23. Гуляева Н.Г. Методические рекомендации по эколого-геохимической оценке территорий при проведении многоцелевого геохимического картирования масштаба 1:1000 000 и 1:200 000. -М.: ИМГРЭ, 2002

24. Дедков А.П., Мозжерин В.И. Эрозия и сток наносов на земле. Казань.:Изд-во Казанского университета, 1984

25. Денисов В.Н., Рогалев В.А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. -СПб.: МАНЕБ, 2003

26. Джеррард А.Дж. Почвы и формы рельефа. Л.: Недра, 1984

27. Дронин Н.М., Седова Н.Б. Современное техногенное засоление почв Москвы в результате применения противогололедных смесей //Экологические проблемы крупных административных единиц мегаполисов. М.: 1997

28. Егоров И.Е., Илларионов А.Г., Перевощиков A.A. и др. Эрозионно-аккумулятивные процессы в водосборных бассейнах Вятско-Камского региона /Эрозионные и русловые процессы. Вып.4. Под ред. проф. Р.С.Чалова М.: МГУ, 2005, с. 304-330

29. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М.: Наука, 1993

30. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений.- М.: Недра, 1983

31. Исследование состояния природных комплексов парка. Отчет НИЛ ГПНП "Лосиный остров". М., 1990

32. Касимов Н.С. Экогеохимия городских ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1995

33. Климат Москвы за последние 30 лет / Под ред. М.А. Петросянца. М.: Изд-во МГУ, 1989

34. Колдоба A.B., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. -М.: Наука, 2000

35. Комплексная оценка техногенного воздействия на НП "Лосиный остров". Отчет ЗАО "Прима-М". М., 1998

36. Кошелева Н.Е. Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1997

37. Кошелева Н.Е. Моделирование биогеохимических циклов тяжелых металлов в агроландшафтах на основе балансового подхода/Геохимия ландшафтов и география почв. Под ред. Н.С.Касимова и М.И.Герасимовой. Смоленск: Ойкумена, 2002 с. 389-405

38. Кузнецов М.Ф., Владыкина Р.И., Иванов В.П., Максимова Т.М. Баланс микроэлементов в звене кормового севооборота //Агрохимия, 1986, №7, с.87-92

39. Кузьмина Н.П., Осипов Д.Г., Прянишникова E.H., Ищенко И.Г. Оценка загрязненности снегового покрова территории Москвы // Чистый город, 2003, №1(21), с.14-19

40. Лепнева О.М., Обухов А.И. Поступление загрязняющих веществ в снежный покров и почвы городских газонов// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1988. № 3. с. 1720

41. Лепнева О.М., Обухов А.И. Экологические последствия влияния урбанизации на состояние почв Москвы /Экология и охрана окружающей среды Москвы и Московской области.- М.: Изд-во МГУ, 1990. с.63-69

42. Летопись погоды, климата и экологии Москвы. Вып. 1.- 2000 г./ Отв. ред проф.А.И.Исаев. М.-Географический факультет МГУ, 2002

43. Летувнинкас А.И. Антропогенные геохимические аномалии и природная среда: Учебное пособие. Томск: Изд-во НТЛ, 2002

44. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высш. шк., 2001

45. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984

46. Маркова Ю.Л. Оценка воздействия промышленности и транспорта на экосистему Национального парка "Лосиный остров".Авт. дисс. канд. геол.-мин. наук. М., 2003

47. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. М: ИМГРЭ, 1982

48. Методические рекомендации по определению степени загрязнения городских почв и грунтов и проведению инвентаризации территорий, требующих рекультивации. М.: ИМГРЭ, 2004

49. Минеев В.Г., Соловьева Е.И., Соловьев Г.А. Баланс некоторых микроэлементов в дерново-подзолистой почве при длительном применении удобрений //Химизация сельского хозяйства, 1988, № 1, стр. 47-49

50. Мозолевская Е.Г. Результаты оценки и динамики состояния зеленых насаждений и городских лесов Москвы в 1998 г.// Лесной вестник. 1999. №2. с. 183-188

51. Морозова И.А., Самаев С.Б., Якубов Х.Г. Некоторые особенности засоления почв Москвы как техногенного процесса /Прикладная геохимия, вып.2, М.: ИМГРЭ, 2001, с.415-426

52. Немчинов М.В., Систер В.Г., Силкин В.В. Охрана окружающей природной среды при проектировании и строительстве автомобильных дорог: Учеб. пособие. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004

53. Нефедьев В.В., Жирин В.М., Шапочкин М.С., Янгутов А.И. и др. История и состояние лесов Лосиного острова. М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2000

54. Николаев Ю.Н., Шестакова Т.В., Нефедьев В.В., Маркова Ю.Л. и др. Оценка геохимического загрязнения Национального парка "Лосиный остров". М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2000

55. Николаевский В.С., Васина И.В., Николаевская Н.Г. Влияние некоторых факторов городской среды на состояние древесных пород// Лесной вестник. 1998, №2.

56. Николайкина Н.Е. и др. Промышленная экология: Инженерная защита биосферы от воздействия воздушного транспорта: Учеб. пособие / Н.Е.Николайкина, Н.И.Николайкин, А.М.Матягина. М.: ИКЦ «Академкнига»,2006

57. Нормативные данные по предельно-допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды. Справочный материал. С-Пб.: Научно-технический центр «АМЕКОС», 1994

58. Обухов А.И., Лепнева О.М. Биогеохимия тяжелых металлов в городской среде.// Почвоведение. 1988, № 5. с. 65-73

59. Обухов А.И., Лепнева О.М. Экологические последствия применения противогололедных соединений на городских автомагистралях и меры по их устранению /Экологические исследования в Москве и Московской области. М.: 1990, с.197-202

60. Обухов А.И., Лурье Е.М. Закономерности распределения тяжелых металлов в почвах дерново-подзолистой подзоны /Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах. М.: Изд-во МГУ, 1983, с.55-62

61. Обухов А.И., Плеханова И.О. Детоксикация дерново-подзолистых почв, загрязненных тяжелыми металлами: теоретические и практические аспекты //Агрохимия, 1995, №2, с. 108-116.

62. Обухов А.И., Попова A.A. Баланс тяжелых металлов в агроценозах дерново-подзолистых почв и проблемы мониторинга //Вест. МГУ, сер. почвоведение, 1992, № 3, стр. 31-39

63. Оценка экологического состояния природной среды и режим землепользования территории ГПНП "Лосиный остров" и его охранной зоны. Отчет ГНИИ земельных ресурсов. Под ред. Федосеевой Т.П., Мытищи, 1990

64. Павлов Н.В. Противогололедная обработка дорожных покрытий в Москве //Управление городским хозяйством Москвы. М., Прима-Пресс, 2001 //http.V/www.prima-press.ru/journal41 .htm

65. Перельман А.И. Геохимия. Учеб. для вузов. 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1989

66. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М: Астрея 2000,1999

67. Поликарпочкин В.В. Вторичные ореолы и потоки рассеяния. Новосибирск: Наука, 1976

68. Пузаченко Ю.Г., Хрусталева М.А. Химический состав вод весеннего половодья в лесных ландшафтах центра Русской равнины //География и природные ресурсы, 1999, №2, с.80-84

69. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. М.-Л., 1965

70. Ронов А.Б., Ярошевский A.A., Мигдисов A.A. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. М.: Наука, 1990

71. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. Минтранс РФ, 2003

72. Садовникова Л.К. Тяжелые металлы /Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв.Под. ред. Д.С. Орлова, В.Д. Васильевской.- М.: Изд-во МГУ, 1994, с. 105-126

73. Садовникова J1.K., Зырин Н.Г. Показатели загрязнения почв тяжелыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге //Почвоведение, 1985, №10, с.84-89

74. Сает Ю.Е. Геохимическая оценка техногенной нагрузки на окружающую среду /Геохимия ландшафтов и география почв. -М.: Изд-во МГУ, 1982, с.84-100

75. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990

76. Самаев С.Б. Оценка эколого-геохимического состояния зон с высокой антропогенной нагрузкой (Московский регион) / Автореф. дисс.к.г.-м.н., М, 2004,26 с.

77. Самаев С.Б., Башаркевич И.Л., Соколов JI.C. и др. Состояние зеленых насаждений в Москве//Аналитический доклад по данным мониторинга 1997. М: Прима-Пресс-М, 1998, с.45-69

78. Свинец в окружающей среде /Отв.ред. В.В.Добровольский. М., Наука, 1987

79. Снакин В.В., Присяжная A.A., Рухович О.В. Состав жидкой фазы почв. М.: РЭФИА, 1997

80. Соколова Т.А. Экологическая оценка территории государственного природного национального парка "Лосиный остров". Авт. дисс. на соиск. уч. степ.канд.геогр.наук. М., 1995

81. Соколовский Д.Л. Речной сток. Л., Гидрометеоиздат, 1968

82. Соловов А.П. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1985

83. Соловов А.П. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых. М. -Недра, 1990

84. Техногенное загрязнение речных экосистем / В.Н.Новосельцев и др. М.: Научный мир, 2002

85. Требования к противогололедным материалам. ОДН 218.2.027-2003

86. Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга. СПб.: Наука, 2005

87. Фокин А.Д. Эмпирический прогноз миграции вещества в дерново-подзолистой почве /Проблемы почвоведения. М.: Наука, 1982, с.53-58

88. Черных Н.А., Ладонин В.Ф., Черных И.Н. Баланс тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве при длительном применении средств химизации в районе развитого промышленного производства//Агрохимия, 1994, № 5, с. 56-65

89. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере: Монография. М.: Изд-во РУДН, 2003

90. Эделынтейн К.К, Смахтина О.Ю. Генетическая структура речного стока и химико-статистический метод выделения ее элементов //Водные ресурсы, 1991, №1, с.5-20

91. Якубов Х.Г., Самаев С.Б., Семутникова Е.Г., Абатуров А.В. Комплексная оценка техногенного воздействия на национальный парк «Лосиный остров» (1995-1997) /Науч.тр.НП «Лосиный остров», вып.1. Под ред.В.В.Киселевой. М.: «КРУК-Престиж», 2003, с. 111-126

92. Якубов Х.Г., Седова Н.Б. Экологические проблемы применения противогололедных смесей и засоление почв (последствия для зеленых насаждений) //Управление городским хозяйством Москвы. М., Прима-Пресс, 2001 //http://www.pnma-press.ru/journal23.htm

93. Янин Е.П. Русловые отложения равнинных рек (геохимические особенности условий формирования и состава). М.: ИМГРЭ, 2002

94. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). М.: ИМГРЭ, 2002

95. Янин Е.П. Техногенные речные илы в зоне влияния промышленного города (формирование, состав, геохимические особенности). М.: ИМГРЭ, 2002

96. Янин Е.П. Промышленная пыль в городской среде. М.: ИМГРЭ, 2003

97. Янин Е.П. Тяжелые металлы в малой реке в зоне влияния промышленного города. -М.: ИМГРЭ, 2003

98. Hautala E.-L., Rekila R., Tarhanen J. & Ruuskanen J. Deposition of motor vehicle emissions and winter maintenance along roadside assessed by snow analyses // Environmental Pollution, 1995, vol. 87, pp.45-49

99. Rosenberry D.O., Bukaveckas P.A., Buso D.C., Likens G.E., Shapiro A.M. & Winter T.C. Movement of road salt to a small New Hampshire lake // Water, Air, and Soil Pollution, 1999, vol.109, pp. 179-206

100. Schut P.H., Evans R.D., Scheider W.A. Variation in trace metal export from small Canadian shield watershed// Water, Air, Soil Pollution, 1986, vol. 28, p.225-338

101. Viskari E.-L., Rekila R., Roy S., Lehto O., Ruuskanen J. & KSrenlampi L. Airborne pollutants along a roadside: assessment using snow analyses and moss bags // Environment Pollution, 1997, vol.97, no. 1-2, pp. 153-160