Анализ пространственно-временной картины полей химического загрязнения почв как базового компонента городских экосистем

Полный текст

Процесс урбанизации - одна из ключевых проблем современности, сопровождается неизменным увеличением нагрузки на компоненты природной среды [1-3]. В системе городов особая роль принадлежит малым и средним городам, именно они составляют 85 % современных российских городов. Такие города отличаются индивидуальностью и степенью изученности уровня антропогенной нагрузки и ее влияния на различные компоненты окружающей среды. Среди них есть моногорода, в которых сосредоточены промышленные объекты черной и цветной металлургии, химической отрасли с высоким уровнем локализации загрязнения [4]. В настоящее время все больше выходит на первый план задача устойчивого развития городов с учетом обеспечения экологической безопасности. В связи с этим необходимость изучения современных процессов, происходящих на урбанизированных территориях, неуклонно возрастает. Прогноз экологического состояния городских экосистем позволит более эффективно решать экологические проблемы малых и средних городов. Городские почвы выполняют важные экосистемные функции, которые часто остаются недооцененными. При этом почва является депонирующей средой и индикатором геохимической нагрузки. Основной источник поступления загрязняющих веществ в городские почвы - это атмосферные выпадения как от «местных» стационарных источников промышленных предприятий и автотранспорта, вторичного загрязнения в результате денудационных процессов на урбанизированных ландшафтах, так и за счет переноса на значительные расстояния с «внешних» объектов техногенного воздействия. Анализ пространственно-временной картины полей химического загрязнения почв позволяет оценить степень накопления тяжелых металлов в городских почвах и время достижения критического уровня. Цель исследования - прогноз загрязнения почв как базового компонента городской экосистемы г. Кольчугино Владимирской области с использованием балансового подхода. Объект и методы исследования Город Кольчугино расположен в северо-западной части Владимирской области (56°17′; 39°22′ на правом берегу р. Пекша, являющейся притоком р. Клязьма. Город находится в 74 км от Владимира и в 131 км от Москвы. Площадь города составляет 31 км2, численность населения - 41 953 (малый город). Город относится к моногородам. В городе функционируют 19 крупных, средних и малых промышленных предприятий. Основными градообразующими предприятиями являются предприятия по обработке цветных металлов: АО «Электрокабель кольчугинский завод», ООО «Кольчугинский мельхиор», АО «Интерсильверлайн», ООО «МТК «ЗиО-Мет», «Кольчугинский завод цветных металлов» (в 2017 г. вошел в состав АО «Электрокабель кольчугинский завод»). На Кольчугинском заводе цветных металлов выпускалось около 30 % общего объема проката цветных металлов в России. Часть селитебной застройки находится в пределах санитарно-защитной зоны предприятий и испытывает высокий уровень загрязнения. Расчет пространственно-временных полей химического загрязнения городских почв был выполнен с использованием балансовой модели Т.Н. Лубковой [5] на основе эколого-аналитических данных, полученных авторами в результате многолетнего изучения различных компонентов окружающей среды малых и средних городов Центральной России. Были использованы данные площадных съемок почв и снежного покрова города Кольчугино с учетом его функционального зонирования. Пробы почв и снежного покрова отбирали в соответствии с общепринятыми требованиями[19] по случайно упорядоченной сетке с учетом функционального зонирования из расчета 1 проба на 1 кв. км[20]. Всего было отобрано 20 проб почвы и 20 проб снега. В пробах почв и снега (раздельно твердая и жидкая фазы) по стандартным методикам определено содержание тяжелых металлов 1 и 2 классов опасности с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра «КВАНТ-2А» фирмы НПО «Кортек». Данные, полученные в результате количественного химического анализа исследованных проб, были обработаны методами математической статистики с использованием программных пакетов Statistica 6.0 и Microsoft Excel. Далее на основе полученных расчетных данных были построены карты-схемы пространственно-временных полей загрязнения почв для каждого тяжелого металла с использованием программно-технологического комплекса ГИС INTEGRO (включен в Единый реестр российского программного обеспечения Минкомсвязи под номером 4302), разработанного в лаборатории геоинформатики научно-исследовательского института ВНИИ геосистем (1998-2015). В качестве алгоритма интерполяции использована функция «Многоуровневый базисный сплайн». Результаты и их обсуждение На основе данных о содержании тяжелых металлов в почвах города Кольчугино проведено ранжирование территории по уровню загрязнения почв химическими веществами[21], где первый уровень загрязнения относится к «допустимому», а содержание ТМ не превышает предельно допустимые значения. Превышение санитарно-гигиенических нормативов (валовых форм) отмечаются для всех исследованных металлов. Среднее содержание свинца, кадмия, цинка и меди превышает ОДК от 1,5 до 2,8 раза. На территории города выявлены районы со «средним» уровнем загрязнения, площадь таких территорий составила по свинцу 13 % территории города (3,9 кв. км), по меди - 17 % (5,2 кв. км). Такой уровень загрязнения фиксируется сразу по двум металлам (свинцу и меди), ареолы загрязнения находятся на территории селитебной части города. «Низкий» уровень загрязнения выявлен по содержанию всех изученных металлов. Площадь таких территорий составила: по кадмию на 75 % территории города (23,4 кв. км), по цинку - 71 % (22,1 кв. км), по меди - 69 % (13 кв. км), по свинцу - 34 % (6,5 кв. км). В оценке и прогнозировании загрязнения локальных экосистем химическими элементами возможно применение балансовой модели, позволяющей 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 [6]. Для расчета нагрузки тяжелых металлов с атмосферными выпадениями были использованы результаты по содержанию взвешенных и растворенных форм тяжелых металлов в пробах снега. Поступление тяжелых металлов в почвы с пылевыми выпадениями за расчетный период характеризует аккумуляцию загрязнителей в верхнем горизонте почв, непосредственно контактирующем с приземным слоем атмосферы в этот период. Расчеты проводились в соответствии с МУ 2.1.7.730-99[22] по следующей формуле: Статистические характеристики нагрузки тяжелых металлов с атмосферными выпадениями по данным снеговой съемки представлены в таблице. Статистические характеристики нагрузки тяжелых металлов с атмосферными выпадениями по данным снеговой съемки Характеристика ∆Q тм, г/кв. км в год 1 класс опасности 2 класс опасности Cвинец Цинк Кадмий Медь Минимальное 525 3 089 41 178 Максимальное 4 099 30 421 440 2 833 Среднее 1 227 12 011 182 1 302 Медиана 751 11 374 175 1 252 Стандартное отклонение 984 7 264 126 785 Ошибка среднего 220 1 624 28 176 Дисперсия 968 173 52 761 825 15 924 616 092 Анализ полученных данных показал, что поступление тяжелых металлов с атмосферными выпадениями в г. Кольчугино неравномерно и характеризуется крайне выраженной пространственной неоднородностью. Более высокая нагрузка поступления тяжелых металлов характерна для восточной и юго-восточной части города. Интенсивность выпадения меди и цинка убывает при удалении от территории промплощадки, где сосредоточены основные градообразующие предприятия цветной металлургии. Для свинца и кадмия зависимость имеет менее выраженный характер. На основе данных о содержании тяжелых металлов в почве и рассчитанной нагрузке с атмосферными выпадениями был выполнен расчет пространственно-временных полей загрязнения городских почв на среднесрочный и долгосрочный период. Расчет прогнозируемых (на конец расчетного периода n) концентраций тяжелых металлов в почвах осуществлялся по формуле где С(n) и С(0) - прогнозируемые и текущие концентрации тяжелых металлов в почвах (С(0) = Сф); d - плотность почв; h - высота почвенного слоя. По результатам прогнозных расчетов построена серия карт-схем пространственного распределения тяжелых металлов по территории г. Кольчугино. Анализ данных пространственно-временных полей загрязнения почв тяжелыми металлами г. Кольчугино показал, что содержание свинца в почвах в течение 100 лет остается в пределах уже существующего загрязнения, а именно 66 % территории города имеет «допустимый» уровень, 21 % - «низкий» и 13 % - «средний» уровни загрязнения. Через 1000 лет при существующих темпах поступления свинца с атмосферными выпадениями площадь с «допустимым» уровнем загрязнения уменьшится на 2,6 кв. км и составит 57 % территории города. При этом увеличится площадь с «низким» уровнем загрязнения до 22 % территории. Содержание цинка в соответствии с расчетами в течение 50 лет достигнет «низкого» уровня загрязнения на 75 % территории города. Через 100 лет «низкий» уровень загрязнения цинком будет отмечаться в почвах на площади 83 % территории города. Через 1 000 лет вся территория города перейдет в категорию с «низким» уровнем загрязнения почв цинком. По содержанию кадмия почвы г. Кольчугино через 50 лет остаются на том же уровне загрязнения. Через 100 лет при существующей нагрузке территории города в 2,6 кв. км с «низким» уровнем загрязнения произойдет ухудшение и будет достигнут второй «допустимый» уровень загрязнения. Через 1 000 лет загрязнение кадмием в 9 % городских почв достигнет третьего «среднего» уровня загрязнения. В течение 100 лет уровни загрязнения почв по содержанию валовых форм меди не изменятся и составят: «высокий» уровень загрязнения на 4 % территории города, «средний» уровень - 17 %, «низкий» уровень - 42 % и «допустимый» уровень - 37 %. Через 1 000 лет почвы на площади 3,9 кв. км перейдут из первого «допустимого» уровня во второй «низкий» уровень загрязнения. Кроме того, на основе данных о содержании тяжелых металлов в почвах, полученных при помощи балансовой модели, был проведен прогнозный расчет достижения различных уровней загрязнения почв г. Кольчугино (нижние границы диапазонов значений, характеризующих каждый уровень загрязнения в соответствии с [6]). Анализ данных показал, что среднее время достижения второго «низкого» уровня загрязнения почвами г. Кольчугино (в том случае, если этот уровень не достигнут) составит для свинца 3074 года, минимальное - 286 лет. Похожая картина наблюдается для меди, среднее время составит 2686 лет, минимальное на порядок меньше - 262 года. Среднее время достижения 2-го уровня загрязнения кадмием составит 228 лет, минимальное - 77. Самый неблагоприятный прогноз отмечается для цинка - минимальное время достижения 2-го уровня загрязнения 2 года, среднее время достижения - 126 лет. Третий «средний» уровень загрязнения почв будет достигнут в среднем: для свинца через 17 131 год, для цинка - 6 392, для кадмия - 2 687, для меди - 42 584. Время достижения четвертого «высокого» уровня загрязнения составит: для свинца - 35 001 год, для цинка - 21 621, для кадмия - 5 441, для меди - 42 799. Среднее время достижения пятого «чрезвычайно высокого» уровня загрязнения почв г. Кольчугино составит десятки тысяч лет: для свинца - 93 286, для цинка - 44 465, для кадмия - 26 095, для меди - 77 177. Вероятно, установленный уровень загрязнения почв тяжелыми металлами, на большей части территории города превышающий ПДК, связан в первую очередь с прошлой хозяйственной деятельностью предприятий цветной металлургии, существующей в городе с 1871 г. В настоящее время предприятия прошли существенную модернизацию, в том числе систем очистки атмосферных выбросов, что привело к значительному сокращению выбросов. Тем не менее, как уже отмечалось, интенсивность выпадения меди и цинка зависит от расстояния до промплощадки, где сосредоточены предприятия цветной металлургии, и убывает при удалении от территории промплощадки. Для свинца и кадмия зависимость имеет менее выраженный характер, что указывает на поступление тяжелых металлов, в том числе от других источников, таких как городские котельные, автомобильный и железнодорожный транспорт и др. Заключение Малые города - важная составляющая в структуре Российской Федерации, в них в значительной степени сосредоточены не только отечественная история и культура, но и наука и промышленность. В последнее время со стороны государства уделяется большое внимание к экономическому и социальному развитию малых городов. Вместе с тем дальнейшее развитие таких городов неизбежно приведет к возрастанию антропогенной нагрузки. Для сохранения экологической безопасности и устойчивого развития городов необходимо усиление внимания к состоянию окружающей среды. Использование балансового подхода для прогноза пространственно-временной картины загрязнения городских почв позволяет оценить тренды загрязнения урбоэкосистем. Полученные результаты представляют интерес для принятия своевременных управленческих решений, направленных на создание безопасной, комфортной среды для проживания и хозяйственной деятельности на территории г. Кольчугино.

Об авторах

Инна Здиславована Каманина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Университет «Дубна»; Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: kamanina@uni-dubna.ru
ORCID iD: 0000-0001-9186-8689

кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры экологии и наук о Земле, факультет естественных и инженерных наук

141982, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19

Светлана Петровна Каплина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Университет «Дубна»; Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований

Email: sv_kap@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1323-6349

кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и наук о Земле, факультет естественных и инженерных наук

141982, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19

Анна Владимировна Любимова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Университет «Дубна»; Всероссийский научно-исследовательский геологический нефтяной институт

Email: anna_lioubimova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8075-937X

кандидат технических наук, заведующая отделом ГИС и цифровой картографии

117105, Российская Федерация, г. Москва, Варшавское шоссе, д. 8

Список литературы