Факультет

Студентам

Посетителям

Загрязнение городских природнотехногенных комплексов

На планете растет число людей, проживающих в городах.

Урбанизация — рост и развитие городов, увеличение доли городского населения, изменяющего своей жизнью и деятельностью природные ландшафты и превращающего их в природно-техногенные комплексы. Одновременно с ростом населения Земли (ежегодный прирост составляет 80 млн человек) на планете интенсивно идет процесс создания урбоэкосистем.

Урбоэкосистема — это природно-городская система, состоящая из фрагментов природных систем, окруженных домами, промзонами, автодорогами и т. д. Искусственно создаются новые типы систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем. В настоящее время на планете городское население составляет не менее половины всего населения, а к 2025 г. его доля достигнет 3/5.

К началу XXI в. в Западной Европе количество городских жителей составило 80 %. В России около 75 % населения городов проживает на территории, составляющей 0,65 % всей площади страны. В стране и на планете в целом растет число мегаполисов. Особенностью современных городов является большое число предприятий, размещенных компактно на ограниченной территории. Плотность проживания, концентрация людских и производственных ресурсов на ограниченной площади ведет к ухудшению качества всех компонентов окружающей среды.

В городах имеют место многочисленные экологически негативные явления: отчуждение земель под городские постройки, сокращение сельскохозяйственных земель и зеленых насаждений, растущее строительство, создание асфальтовых покрытий, размещение различных видов производств и проч. Одним из наиболее опасных для человека является загрязнение окружающей среды различными отходами. Количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу городов, измеряется сотнями и миллионами тысяч тонн в год. Наибольший вклад в загрязнение атмосферы городов вносит автотранспорт (до 90 %).

Загрязнение атмосферы городов отходами автотранспорта становится настоящим экологическим бедствием. Если в вначале 1970-х гг. доля загрязняющих веществ, вносимых автотранспортом в загрязнение городов, составляла в среднем 13 %, то в настоящее время — не менее 70 %, во многих городах она достигает 90 % и продолжает расти. Например, на каждого жителя Москвы ежегодно приходится не менее 0,5 кг токсичных веществ от транспорта.

В состав отработанных газов двигателей внутреннего сгорания входит более 280 различных химических веществ. В основном это газообразные вещества, некоторое количество веществ находится во взвешенном состоянии. Среди газообразных выделяются нетоксичные (N2, O2, СO2, Н2O, Н2) и токсичные вещества. Токсичные газы представлены оксидом углерода, присутствующим в больших количествах (до 12 % в отходах бензиновых двигателей), оксидом азота (из них на долю N0 приходится 98—99 %, на долю NO2 — 1—2 %), широким набором углеводородов (среди них преобладают предельные и непредельные), альдегидов (преобладают формальдегиды). Дополняют перечень токсичных веществ оксиды серы и соединения свинца. До конца XX в. около 75 % выпускаемого в РФ бензина содержало от 0,17 до 0,37 г/л свинца при его наибольшей токсичности.

В атмосферном воздухе с насыщенным движением автотранспорта содержание СО составляет 10—15 частей на 1 млн частей воздуха. Оксидов азота в выбросах бензиновых двигателей содержится на порядок меньше, чем оксидов углерода. Преобладает среди оксидов азота монооксид. В выбросах автомобильного транспорта доля оксидов серы невелика, она зависит от содержания серы в используемом топливе. Наибольший вклад в загрязнение воздуха атмосферы городов вносят автомобили с дизельным топливом. Содержание SO2 в отработанных газах дизельных двигателей существенно превышает ПДК и достигает 50—100 мг/м3.

В составе отработанных газов автомобилей присутствует большой набор органических веществ. Среди них выделяют: а) алифатические углеводороды и продукты их окисления (альдегиды, кислоты); б) ароматические соединения, включая гетероциклы и их окисленные продукты (фенолы, хиноны); в) алкилзамещенные ароматические соединения и их окисленные продукты (алкилфенолы, алкилхиноны, карбоновые кислоты); г) нитроароматические соединения (нитроПАУ).

Последствия длительного использования бензина с добавками свинца проявляются в повышенном содержании металла в поверхностных горизонтах почв на расстоянии 10—100 м от полотна автодорог.

Автотранспорт — источник загрязнения окружающей среды твердыми частицами. Есть сведения, что 20—30 % твердых частиц в городском воздухе составляют микрочастицы, выбрасываемые грузовыми автомобилями и автобусами вместе с отработанными газами. На твердых частицах адсорбированы разнообразные органические вещества, которые представлены несгоревшими углеводородами и продуктами их окисления. Они опасны для здоровья человека, так как могут быть причиной легочных и респираторных заболеваний.

Разработаны количественные показатели токсичности отработанных газов автомобилей. Для приведения токсичности разных веществ к единой шкале введен коэффициент токсичности /-го вещества (К), равный отношению среднесуточного (сс) ПДК оксида углерода к ПДК (сс) определяемого i-го химического вещества.

Заслуживает внимания содержание в воздухе бенз(а)пирена. Смена марок бензина приводит к существенному изменению его токсичности. Так как в состав этиловой жидкости, добавляемой к бензину, входят галогенизированные углеводороды, в продуктах горения присутствуют диоксины. Поступление их в окружающую среду невысоко, но велика их токсичность.

Соединения первичного состава, поступающие с выбросами автотранспорта, в атмосфере подвергаются различным трансформациям. Они включаются в процессы: а) сухого и мокрого осаждения; б) фотолиза; в) химических взаимодействий в гетерогенной системе, содержащей вещества в газообразном, водорастворимом, твердом состоянии. При фотолизе происходит диссоциация многих соединений (NO2, O2, O3, НСНО) с образованием высокореакционных радикалов и ионов, взаимодействующих как между собой, так и с более сложными молекулами, в частности с ароматическими веществами. Например, оксиды азота, выбрасываемые автотранспортом, содержат NO, NO2, N2O, HNO3, возможно, HNO2, N2O. В тропосфере, в стратосфере происходит серия преобразований оксидов азота.

С середины 1960-х годов в мире начата разработка нормативов содержания в отходах автотранспорта токсичных химических веществ. Усиливается внимание к разработке альтернативных видов топлива для автомобилей. Имеется опыт использования в качестве топлива водорода (энергетические показатели его высоки, сырьевая база не ограничена, в составе отработанных газов отсутствует большинство опасных химических веществ), природных углеводородных газов (преимущественно метана с добавками других углеводородов и инертных газов), спиртов.

Отходы предприятий различного профиля поступают в газообразном, жидком и твердом состояниях. С аэрозольными выбросами предприятий черной и цветной металлургии в атмосферу поступают колоссальные количества пыли, обогащенной тяжелыми металлами. Запыленность воздуха в городах в 5—10 раз повышает фоновые показатели (атмосферные выпадения твердых частиц на фоновых территориях Русской равнины измеряются величинами 10—15 кг/км2). Потребление химических элементов каждым предприятием и выброс отходов соответствующего состава создают сложную картину распределения загрязняющих веществ. Примером могут служить показатели технофильности, которые для одного из предприятий цветной металлургии измерялись сотнями тысяч.

Высокие кларки концентрации наиболее технофильных элементов свидетельствуют о поступлении их в почву с техногенными потоками. В городских комплексах техногенные факторы подавляют природные факторы миграции элементов.

Вокруг предприятий — источников загрязнения — формируется техногенный ареал, характеризующийся максимальной концентрацией загрязняющих веществ в центре и понижением их содержания к периферии. Ассоциации химических элементов отличаются большим разнообразием. Особенностью является накопление как катионогенных, так и анионогенных элементов, т. е. формируются техногенные ассоциации, считающиеся запрещенными в природных условиях.

Наиболее типичными ассоциациями химических элементов, распространенными в городских почвах, являются ассоциации металлов Zn, Cu, Pb, Ni, часто встречаются техногенные аномалии, характеризующиеся накоплением Sn, Cr, Мо, W, Sr, Ag. Содержание в аэрозольных выбросах Hg, Cd, Pb, Zn, Cu, Mn, Cr, Sn, As, Co в городах в десятки раз превышает уровень ПДК этих веществ для воздуха и почв. Суммарный индекс загрязнения для промышленных центров достигает нескольких сотен единиц (250—550).

Анализ снега свидетельствует о высоком уровне воздействия города на состав атмосферы, уровне техногенной нагрузки на почвы.

Общая картина загрязнения города зависит от концентрации производства и мощности выбросов предприятий. Выделяется два типа загрязнения городских территорий: очаговый, созданный одним или несколькими крупными центрами и имеющий закономерное зональное строение с падением концентрации поллютантов от центра к периферии, и мозаичный с локальными комплексными аномалиями вблизи предприятий без явно выраженной закономерности распространения поллютантов.

На два-три порядка повышены уровни содержания сульфатов, кальция и общая минерализованность снеговых вод, на 1,5—2 единицы повысился уровень pH, в несколько десятков раз увеличилось содержание Ag, Na, Si, Cr, Ni, Hg, повысилось содержание нитратов и аммония.

Загрязнение, неизбежно сопровождающее урбоэкосистемы, способствует формированию в них специфических черт структуры и функционирования, которые отличаются от таковых в природных ландшафтах. Прежде всего в городах происходит изменение климата. Очаги тепла и выбрасываемой пыли, плотность застройки, кирпичные и бетонные стены, сохраняющие тепло, асфальтовые покрытия способствуют тому, что температура в городе на несколько градусов выше, чем за городом. Проявляется это по-разному в разных районах. Различия температур могут достигать 10—15°.

С техногенной запыленностью городского воздуха связывают повышение количества осадков в городах. Например, количество годовых осадков в Москве в среднем на 25 % превышает их количество за городом. В городе летом выше число ливней, гроз, следовательно, больше водный сток, который способствует распространению загрязняющих веществ, развитию эрозионных процессов, изменению свойств почв.

В зимний период в городе иначе, чем за городом, формируется снежный покров, отличаются и сроки, и скорости его таяния. Снежный покров активно поглощает загрязняющие вещества. Техногенные ареалы пыли в снежном покрове в 2—3 раза более контрастны, чем в атмосферном воздухе. Химический состав снега в городах является четким показателем состава аэрозольных выбросов. Подщелачивание снеговых вод наблюдается при поступлении больших количеств пыли предприятий цементной, строительной промышленности, теплоэнергетики, которые богаты карбонатами, солями кальция, магния. Выбросы оксидов серы, азота с отходами предприятий цветной металлургии и ТЭЦ способствуют подкислению снеговых вод.

Большую опасность для городов представляют поступающие с выбросами тяжелые металлы и полиароматические углеводороды. Аккумулируясь в снеговых осадках окрестностей различных предприятий, они четко свидетельствуют о вкладе этих предприятий в формирование локальной экологической обстановки в городах. В снеговом покрове загрязняющие вещества распространяются, как правило, неравномерно, формируя мозаичные техногенные аномальные зоны с различным уровнем загрязнения и сочетанием загрязняющих веществ.

В Национальном докладе о состоянии окружающей среды дается оценка экологического состояния городов. В 6 % обследованных за период 1990—2003 гг. населенных пунктах выявлен опасный уровень загрязнения почв тяжелыми металлами, например, в Мончегорске, Рудной Пристани, Свирске. В десятой части обследованных городов отмечено умеренное загрязнение.

За названный период на 48 % увеличилось число городов, в которых уровень показателя ИЗА, характеризующий суммарное загрязнение атмосферы, классифицируется как высокий и очень высокий, что обусловлено преимущественно ростом концентрации бенз(а)пирена. В крупнейших городах России наблюдается рост уровня показателя ИЗА более чем на 30 %.

В этот список входят также города: Балаково, Благовещенск-на-Амуре, Братск, Зима, Комсомольск-на-Амуре, Краснотурьинск, Курган, Магадан, Нерюнгри, Новочеркасск, Первоуральск, Петропавловск-Камчатский, Радужный, Югра, Рязань, Селенгинск, Улан-Удэ, Уссурийск, Чебоксары, Чита, Шелехов, Южно-Сахалинск.

В природно-техногенном комплексе происходит изменение всех его компонентов. Растительность искусственно озелененных городов коренным образом отличается от природной — наряду с зональными видами растений в ней широко представлены интродуцированные виды. Растительность призвана не только обеспечивать комфортное проживание горожан, но и защищать их от пыли, аэрозолей. Деревья способны уловить почти половину общего количества загрязняющих веществ (в том числе тяжелых металлов, 3,4 бенз(а) пирена и др.), присутствующих в атмосфере. Для выполнения растительностью ее оздоровляющей функции в городе на каждого жителя предположительно требуется 20 м2 зеленых насаждений. Однако в большинстве городов России эта норма не достигается. К тому же за время 30—40-летнего существования растительность городов претерпевает существенные техногенные изменения. В условиях сильного загрязнения воздуха (прежде всего выхлопными газами автомобильного транспорта) происходит повреждение наземной части растений, отмирание ветвей, ослабление образования побегов, что нередко завершается преждевременной гибелью.

Существенно отличаются от природных почв городские почвы. Городские почвы — это почвы, имеющие созданный человеком поверхностный слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением материалами урбаногенного происхождения (строительно-бытовой мусор). Техногенные ареалы загрязненных почв в городах нередко имеют зональный характер. В эпицентрах, которые представлены чаще всего промзонами, формируются полиэлементные ассоциации загрязняющих веществ с наибольшими их концентрациями. Высокие концентрации поллютантов превращают чаще всего почвы этих зон в бесплодный грунт. К периферии из перечня загрязняющих почвы веществ отдельные элементы могут выпадать. Тем не менее концентрации многих неорганических и органических поллютантов, превышающие фоновые уровни, обнаруживаются в почвах и селитебных зон, и даже в парково-рекреационных зонах.

Экологическое состояние городских почв, как и других почв, в наибольшей степени характеризуют не показатели общего содержания металлов и металлоидов, а показатели содержания непрочно связанных соединений, подвижных форм этих элементов. Состав ПАУ также информативен при оценке экологического состояния загрязненных ими почв. Например, сигналом ухудшения обстановки в зоне воздействия выбросов Астраханского газоконденсатного комбината стало повышение в составе ПАУ доли наиболее опасных их компонентов (3,4 бенз(а)пирена и др.).

Выявлены некоторые закономерности распространения загрязняющих веществ в городах: наибольшее влияние металлургических заводов и ТЭЦ проявляется в радиусе 5—10 км, заводов машиностроения — 1,5—2 км, приборостроения — 0,5—1,0 км, автотранспорта 0,1—0,2 км. Загрязнение почв ведет к ухудшению их важных химических свойств (ионообменных, кислотно-основных, гумусного состояния), структуры и водно-физических свойств.

Процессы техногенного химического преобразования городских почв дали основание выделить их в современной классификации городских почв. Представляют загрязненные почвы индустриземы и интруземы. Индустриземами называют почвы промышленно-коммунальных зон, сильно загрязненные металлами и другими неорганическими поллютантами. Неблагоприятные для живых организмов химические свойства делают такие почвы практически непригодными для сохранения в них жизни. Интруземы загрязнены преимущественно органическими поллютантами, а именно техническими маслами, бензином и другими нефтепродуктами.

В городах одной из важных экологических проблем является загрязнение вод рек и ручьев вследствие сброса канализационных стоков. Например, концентрации многих химических элементов в стоках г. Подольска, сливаемых в водные артерии города, значительно превышают фоновые уровни. Ежегодно поступающий осадочный материал (не менее 3 тыс. т) резко отличается от природного руслового аллювия.

Распределение в водах рек загрязняющих их металлов происходит иначе, чем в природных условиях. Повышенные концентрации металлов в водах создаются частично за счет увеличения мутности вод, но главным образом за счет увеличения концентрации металлов и неметаллов во взвеси. Экологическую опасность создает и доминирование в составе взвеси металлов в составе подвижных соединений. Техногенные аномалии взвешенных форм металлов более устойчивы во времени и определяют уровень загрязнения рек и русловых отложений (Янин, 2003).

Рассмотрим влияние загрязняющих веществ на формирование экологической обстановки на примере г. Ростова-на-Дону. Число жителей в городе превышает миллион, в городе имеется множество предприятий, являющихся источниками загрязнения окружающей среды. К их числу относятся автотранспорт, ГРЭС, ТЭЦ, Ростсельмаш, мебельная фабрика, гипсовый завод, кожевенный завод, Роствертол и др. Ежегодно они выбрасывают в окружающую среду около 150 тыс. т химических веществ. На долю транспорта приходится 72 % общего объема атмосферных выбросов.

Техногенная пыль состоит на 30—70 % из соединений железа, 1—20 % соединений кальция и магния. Содержание микроэлементов невелико: оксидов марганца 0,3—0,9 %, оксидов цинка и хрома соответственно 2,0 % и 0,6 %.

Почвы исследуемого региона преимущественно представлены дерново-подзолистыми, развитыми на моренных и озерноледниковых отложениях, которые обеднены микроэлементами. Высокие уровни техногенной нагрузки выбросов Череповецкого комбината создают в окружающих природных средах высокий уровень обогащения микроэлементами по сравнению с фоновыми территориями. По результатам снеговой съемки модуль техногенного давления в городе составляет 539 т/км2. При высокой доли пыли в составе выпадений взвеси выпадений в несколько раз богаче химическими элементами, чем растворимая фракция. В составе выпадений велика доля кальция и железа, что ведет к повышению общего содержания железа в почвах и уровня pH в них. Что касается микроэлементов, атмосферные выпадения обогащены Pb, Cu, Cd, Zn, Bi, Fe, Co. Суммарный показатель атмотехногенной нагрузки достигает 334, что характеризует ее как экологически опасную.

В растениях города отмечена аккумуляция Fe, Pb, Zn, Cr, но резкой техногенной аномалии по этим показателям не выявлено.

Техногенно-обусловленное изменение состояния городских почв связано с высоким обогащением верхних горизонтов почв цинком и свинцом. Два обстоятельства определяют экологические последствия этого — реакция почв, близкая к нейтральной, что обусловлено высоким уровнем содержания в выбросах кальция и способствует ограничению миграции металлов, а также исходная обедненность пород и почв микроэлементами, в том числе и теми, которые доминируют в выбросах. В результате в то время как уровень техногенной нагрузки металлов на почвы оценивается как опасный, реальное состояние почв, получающих эту нагрузку, оценивается по содержанию в них металлов как умеренно опасное.

В городе отмечена четкая дифференциация экологического состояния отдельных регионов города в зависимости от их удаленности от комбината и их функции в городе. Крупнодисперсная пыль выпадает преимущественно в непосредственной близости от источника загрязнения. Максимальная нагрузка отмечена в пределах 1 км от комбината, и уже на расстоянии 6—9 км от комбината приближается к фоновой.

В пределах промплощадок атмотехногенная нагрузка металлов максимальна, суммарный коэффициент загрязнения достигает нескольких тысяч. В почвах уровень pH повышен до 8,0. Общее со

держание Zn, Cu, Ni в почвах превышает ПДК в 2—6 раз, в то время как содержание их подвижных соединений превышает фоновое в десятки и сотни раз. В растениях суммарный индекс загрязнения также максимальный.

В селитебной зоне атмотехногенная нагрузка превышает фоновый уровень в 10 раз, суммарный индекс загрязнения соответствует умеренно опасному загрязнению. В геохимической ассоциации металлов цинк уступает свое доминирующее место кальцию и меди. Обогащения растений железом не обнаруживается. На расстоянии 4—8 км от комбината картина распределения металлов в почвах и растениях приобретает мозаичный характер. Не отмечено доминирующего присутствия какого-либо элемента во всех аномальных ассоциациях.

Техногенное влияние комбината выявлено на почвах агроландшафтов, расположенных на расстоянии 2—20 км от комбината. Выращивались здесь преимущественно овощи. В то время как в почвах и наземных органах овощей количество металлов соответствовало допустимому уровню, в плодах отмечено превышение допустимых уровней содержания Pb, Cr, Fe — в моркови, капусте, картофеле на 28—33 %, что связывают с влиянием выбросов комбината.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: