CC BY
191
ГЕОГРАФИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 550.42
Н.С. Касимов1, Н.Е. Кошелева2, Д.В. Власов3, Е.В. Терская4
ГЕОХИМИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ВОСТОЧНОМ ОКРУГЕ МОСКВЫ5
Оценена интенсивность техногенной трансформации основных физико-химических свойств растворенной и твердой фракций снега в Восточном округе Москвы. В разных функциональных зонах территории установлена техногенная геохимическая специализация снеговой пыли, экологически опасные элементы-загрязнители и величины их выпадения. Проведено картографирование техногенных геохимических аномалий тяжелых металлов и металлоидов в снежном покрове округа. Дана сравнительная оценка загрязнения снега за последние два десятилетия.
Ключевые слова: техногенез, снежный покров, тяжелые металлы, Москва, выпадения, суммарное загрязнение.
Введение. На урбанизированных территориях формируются специфические городские ландшафты, сочетающие природные и антропогенные компоненты, в которых выбросы, стоки и отходы промышленных предприятий, коммунально-бытовых объектов и транспорта создают искусственные геохимические потоки и обширные аномалии загрязняющих веществ. В городских ландшафтах выделяют транзитные среды — атмосферу и атмосферные выпадения (дождь, снег, пыль), водотоки, поверхностные водоемы, подземные воды, принимающие техногенные выбросы и стоки, а также депонирующие среды — донные отложения, почвы, растения, микроорганизмы, в которых накапливаются и преобразуются продукты техногенеза [22]. Загрязнение атмосферного воздуха контролируется путем наблюдения за содержанием газообразных пол-лютантов за короткий промежуток времени (обычно 20 мин.). После статистической обработки обширного массива информации можно получить средние данные о загрязнении за более длительный период — день, месяц, год [1].
Пространственный геохимический анализ аномалий поллютантов в почвенном покрове дает интегральную оценку состояния атмосферы за длительный промежуток времени (несколько лет), в снежном покрове — за холодный период года (несколько месяцев). По интенсивности загрязнения снега можно определить массу поллютантов, поступающих в почвы
и поверхностные воды во время снеготаяния [29, 33, 38]. Кроме того, химический состав снежного покрова — удобный индикатор техногенных геохимических аномалий в других компонентах ландшафта [4, 7, 14]. Снег из-за меньшей скорости выпадения и большей площади поверхности снежинок по сравнению с дождевыми каплями Gjessing, 1975, цит. по [39]) загрязняется сильнее, чем жидкие осадки.
Основное внимание при изучении геохимии снежного покрова в городах уделяется трансформации физико-химических свойств снега (рН и минерализация талой воды, содержание взвешенных частиц и фосфора) по сравнению с фоновыми территориями [6, 11, 15, 17, 18, 21, 38] и накоплению в нем органических и неорганических загрязнителей, к которым относятся тяжелые металлы (ТМ), металлоиды, нефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и др. Основными источниками загрязняющих веществ для снежного покрова городов служат выбросы автотранспорта, промышленности, топливно-энергетического комплекса и антигололедные средства. Значительные выбросы сажи, обогащенной ТМ и ПАУ, обусловлены сжиганием углей в отопительных системах. Повышенное загрязнение снега вдоль дорог вызвано снижением эффективности работы автомобильных двигателей при отрицательных значениях температуры воздуха [33]. В снежном покрове городов наиболее интенсивно аккумулируются
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, декан, зав. кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв, академик РАН; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, вед. н. с., докт. геогр. н.; e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, студент; e-mail: [email protected]
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, н. с.; e-mail: [email protected]
5 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Русского географического общества (РГО) (договор №38/08/2011), госконтракта № 16.515.11.5076 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» и программы развития МГУ (2011-1.5-515-047) по теме «Исследование качества городской среды и разработка научно-методических принципов эколого-географической оценки городов России на основе комплексного анализа состояния компонентов окружающей среды и здоровья населения».
Cu (выбрасывается при торможении автотранспорта на поворотах и светофорах), Zn (истирание резины) и Pb (применение этилированного бензина).
Наиболее детально изучено влияние автотранспорта и антигололедных реагентов на загрязнение снега вблизи автодорог с разной интенсивностью движения [21, 33, 37, 38]. Соотношение взвешенных и растворенных форм ТМ в снеге определяет их накопление в почве или миграцию с талыми водами в поверхностные водотоки [9, 23, 35, 39]. При этом содержание ТМ во взвешенной фракции коррелирует с размером твердых частиц [36, 37, 39], а концентрация растворенных форм — с анионами SO|- [9]. Наиболее распространенный антигололедный реагент NaCl вызывает засоление почв и угнетение городской растительности [23, 24, 27, 32, 34]. Ион С1- в талых снеговых водах также может способствовать вымыванию ТМ, адсорбированных почвенными частицами [35].
Загрязнение снежного покрова, как правило, оценивается на основе суммарного коэффициента загрязнения Zc, который учитывает содержание ТМ в обогащенной ими твердой фракции снега (взвеси). Наряду с этим рассчитывают выпадения ТМ на единицу площади как за отдельные снегопады, так и за весь холодный период (показатель D). Суммарный коэффициент нагрузки (Zd) показывает превышение выпадения (Kd = D/D^) отдельных элементов над фоном (D^) [16] и более информативен, так как учитывает массу химических элементов, поступающих с пылью на снежный покров [14, 26, 28, 31, 38].
Постановка проблемы. Необходимо оценить основные физико-химические характеристики и уровень накопления ТМ и металлоидов в снежном покрове Восточного административного округа (ВАО) Москвы, на территории которого расположены десятки крупных предприятий различного профиля, выбросы которых загрязняют воздушный бассейн столицы. Загрязнение снежного покрова ТМ в Москве исследовалось ранее [7, 25, 29], однако в последние годы на территории ВАО и столицы в целом существенно изменилась структура промышленного сектора, были построены новые жилые районы и автомагистрали, что отразилось и на экологической ситуации [2, 19, 20]. Назрела необходимость в обновлении геохимических данных, характеризующих техногенную нагрузку на городские ландшафты. Для этого решались следующие задачи:
— сравнение основных физико-химических свойств растворенной и твердой фракций снега в округе и на фоновой территории;
— установление техногенной геохимической специализации и источников снеговой пыли;
— определение экологически наиболее опасных элементов-загрязнителей, имеющих максимальные величины выпадения и концентрации в снеговой пыли;
— выявление эпицентров техногенных геохимических аномалий ТМ и металлоидов в снежном покрове на территории округа;
— оценка изменения в загрязнении снежного покрова ВАО за последние два десятилетия.
Объект исследований. Природные условия. Территория Москвы охватывает южную часть Московской синеклизы, расположенную в центральной части Восточно-Европейской платформы. Территория Восточного округа находится в пределах Подмосковной Мещеры, которая относится к подзоне южной тайги и представляет собой плоскую зандровую равнину с отметками абсолютной высоты 140—160 м [13]. В течение года преобладают ветры южного и западного направлений, что обусловливает перенос поллютан-тов в северном и восточном направлениях. Велика повторяемость и ветров восточных румбов [30].
Москва представляет собой "остров тепла", который существует за счет сжигания огромного количества топлива с конца сентября до второй половины апреля, что вызывает восходящие воздушные токи и поступление относительно чистого воздуха с пригородных территорий в город. Это способствует самоочищению атмосферного воздуха и как следствие — снижению вероятной загрязненности снежного покрова. Зимой 2009/10 г. постоянный снежный покров установился 8 декабря. Максимальная высота снежного покрова мало отличалась от средней многолетней величины (40—45 см) [30] и составила в среднем 45—50 см, местами снижаясь до 25—30 см (преимущественно вблизи автомагистралей) и увеличиваясь до 55—65 см (в жилых районах и на фоновых территориях).
Источники загрязнения и функциональное зонирование территории. В пределах ВАО изучены южные наиболее загрязненные районы Косино—Ухтомский, Новокосино, Вешняки, Кусково, Новогиреево, Ивановское и Перово, где расположены предприятия теплоэнергетики, металлообработки и машиностроения, производства стройматериалов, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отраслей промышленности, имеющих различную техногенную геохимическую специализацию выбросов.
Интенсивное техногенное воздействие на территорию ВАО оказывают стационарные источники в промзонах Соколиная гора (ТЭЦ-11; предприятия машиностроения и металлообработки "Энергоремонт", "Вперед", "ВИАМ", "Кристалл" и др.; химии и нефтехимии — ГНИИ химии и технологии элементоор-ганических соединений, "Нефтепродукт"; пищевой промышленности — "Мортадель"); Прожектор (предприятия машиностроения и металлообработки — "Орион", "Компас", "Импульс", "Мовен", "Прожектор"; производства стройматериалов и деревообработки, химической, нефтехимической и прочих отраслей — "Электродный завод", "Графит"); Перово (предприятия химии и нефтехимии — "Кусковский химзавод", "Кусковский завод консистентных смазок"; металлообработки и машиностроения; производства стройматериалов, легкой и текстильной промышленности); Перовская районная тепловая станция (РТС) (энергетика, предприятия по обслуживанию автотранспортных средств) и Руднево (мусоросжигательный
завод № 4). Не менее сильно воздействуют на городскую среду крупные автомагистрали — МКАД, шоссе Энтузиастов, Свободный и Зеленый проспекты, улицы Кетчерская, Перовская, Плеханова и др., железные дороги (рис. 1). В непосредственной близости от исследуемой территории находятся промзоны Семеновская (машиностроение) и Карачарово (машиностроение и деревообработка) — на севере и западе от Соколиной горы [3].
За пределами МКАД в юго-восточной части территории (вблизи Косинского Триозерья) расположены предприятия пищевой промышленности (тепличный комбинат "Косино", теплицы агрофирмы "Косино—Ухтомский") и электроэнергетики (производственно-отопительная котельная, газотурбинная электростанция "Кожухово").
На основе анализа космических снимков сверхвысокого разрешения 2009 г. (РшскВМ, 2,4 м) выполнено функциональное зонирование территории ВАО, выделены зоны автомагистралей, жилой застройки низкой (до 5), средней (6—9) и повышенной (10 и выше) этажности, промышленная и рекреационная
зоны, а также зона не используемых ныне сельскохозяйственных угодий [12].
Материалы и методы исследований. Снегомерная геохимическая съемка проведена в начале марта 2010 г. при максимальной высоте снежного покрова. Смешанные пробы из 10 отдельных проб отбирали с шагом 500—700 м пластиковой трубой диаметром 5 см в 51 точке на территории округа (рис. 1) и в 5 фоновых точках в 50 км на запад от Москвы в районе г. Звенигород, который из-за преобладающего западного атмосферного переноса не испытывает загрязняющего влияния столичного мегаполиса. Пробы снега помещали в пластиковые ведра и растапливали при комнатной температуре.
Основные физико-химические характеристики снега определены в Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ. В полученном растворе потенциометрическим методом измеряли величину рН и минерализацию. Затем путем фильтрования через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм выделяли жидкую (фильтрат) и твердую (фильтр со взвесью) фазы, которые затем анализировали раз-
Рис. 1. Основные источники техногенного воздействия и точки отбора проб снега на территории ВАО. Функциональные зоны: Р — рекреационная, В — жилая застройка высокой этажности, С — жилая застройка средней этажности, Н — жилая застройка низкой этажности, АЛ — агроландшафты
дельно. Количество содержащихся ТМ в этих фазах различно: наибольшая часть металлов (до 90% и более) концентрируется в твердой фазе, в то время как на жидкую приходится не более 10% [4, 22]. Анионный состав фильтрата (SO|-, Cl-, NO3") определяли на жидкостном ионном хроматографе "Стайер", катион-ный состав (Са2+, Mg2+, K+, Na+) — на атомно-аб-сорбционном спектрометре с пламенной атомизацией "novAA-400" фирмы "Analytik-Jena AG". Концентрацию ТМ и металлоидов в твердой фазе определяли во ВНИИ минерального сырья масс-спектральным (ICP-MS) и атомно-эмиссионным (ICP-AES) методами с индуктивно связанной плазмой, позволяющими обнаружить сотые и тысячные доли кларков для большинства элементов.
Пылевую нагрузку (кг/км2 в сутки) в точках на фоновой и городской территориях вычисляли по формуле Рп = m/(nl2-10-6), где m — масса взвеси на фильтре, кг; n — число отобранных проб снега в точке; l — число дней снегостава; 2-10-6 — площадь сечения снегоотборника, км2. Массу каждого поступающего на поверхность снежного покрова металла (мг/км2 в сутки) рассчитывали по формуле D = РпС, где С — концентрация элемента во взвеси, мг/кг.
Химический состав твердых атмогенных выпадений на фоновой территории характеризовался кларками концентрации КК = Сф/Ск и рассеяния элементов КР = Ск/Сф, где Сф — содержание металла во взвеси, мг/кг; Ск — кларк элемента в литосфере, мг/кг [5]. Для выявления техногенных геохимических аномалий в снежном покрове ВАО определяли значения коэффициента концентрации элементов Кс = С/Сф и коэффициента превышения выпадений над фоном Kd = D/Dф. Для подробного статистического анализа использованы данные о 20 элементах (из 53 элементов, определяемых методом ICP-MS) с максимальными значениями Kd (в скобках — класс опасности): Ni, Cd, Co, Pb, Cr, Be (I), Ag, Sb, As, Bi, Zn, Sn, Cu, Mn, Sr (II), Mo, V (III) и W, Fe, Ti (IV). Данные обработаны в пакете STATISTICA 8.0.
Общую геохимическую нагрузку на ландшафты оценивали двумя суммарными показателями — загрязнения снежного покрова Zc [7] и имиссии элементов Z, которые представляют собой сумму K и Kd над
фоновым уровнем соответственно: Zc = Y.Kc - (n - 1); Zd = ^Kd - (n - 1), где n — число химических элементов с Kc или Kd > 1,5. Степень экологической опасности загрязнения ландшафтов ТМ определяли в зависимости от значений Zc и Zd для твердой фазы снега и пылевой нагрузки Рп (табл. 1).
Пространственная структура техногенных аномалий элементов отражена на картах суточной пылевой нагрузки, значений коэффициента Kd для отдельных элементов и суммарных показателей Zc и Zd, построенных в пакете Surfer 10 методом кригинга.
Результаты и их обсуждение. Фоновые условия. В районе Звенигорода талые снеговые сульфатно-хло-ридно-кальциевые воды имеют слабокислую реакцию (рН 5,8), очень низкую минерализацию (6 мг/л) и малое содержание взвеси (8 мг/л). Фоновая пылевая нагрузка (8 кг/км2 в сутки) близка к аналогичному показателю (~10 кг/км2) для равнинной континентальной территории умеренных широт, удаленной от урбанизированных зон [7, 14], и существенно ниже оценки 28 кг/км2 в сутки, полученной для Приокско-Террасного заповедника [8].
По содержанию ТМ в фоновой снеговой взвеси относительно кларков в литосфере выделяются элементы сильноконцентрирующиеся (КК > 10) — Bi > Pb > Cd > Cu, концентрирующиеся (3 < КК< 10) — Ag > Sb > Zn > W > Sn > As, с околокларковой концентрацией — Ni, V, Cr, Co и рассеивающиеся (КР > 3) — Sr, Mo, Fe, Be, Ti, Mn. Набор ТМ в указанных группах весьма закономерен. Концентрирующиеся халькофильные металлы типичны для промышленной пыли и твердых отходов. Металлы, содержащиеся в снеговой взвеси в околокларковой или более низкой концентрации, — в основном литофильные и сидерофильные элементы [22].
Высокое содержание большинства ТМ в снеговой пыли объясняется их концентрированием в аэрозолях, в которых степень аккумуляции рассеянных элементов оценивается с помощью предложенного В.В. Добровольским [10] коэффициента аэрозольной концентрации Ka = A/K, где А — содержание элемента в твердой фазе аэрозоля, К — кларк элемента в гранитном слое земной коры. По Добровольскому, аэрозоли обогащены Cd (Ka > 100), Pb, Sn (50—100), Zn,
Таблица 1
Уровни загрязнения снежного покрова металлами и пылью и соответствующие им градации экологической опасности,
по [Методические..., 2006] с изменениями
Уровень загрязнения и экологической опасности Суммарный показатель загрязнения снега, Zc Выпадение пыли Рп, кг/км2 в сутки Суммарный показатель имиссии ТМ, Zd
Низкий, неопасный < 32 < 200 < 1000
Средний, умеренно опасный 32—64 200—300 1000—2000
Высокий, опасный 64—128 300—500 2000—4000
Очень высокий, очень опасный 128—256 500—800 4000—8000
Максимальный, чрезвычайно опасный > 256 > 800 > 8000
Cu, Ni, Cr (10—50). Происхождение аэрозолей можно определить путем расчета коэффициента обогащения (КО) относительно среднего состава земной коры: КО = (Эл/Sc)Проба/(Эл/Sc)зeмH.Kора, где Эл и Sc — содержание интересующего элемента и скандия (или алюминия) в пробе или в земной коре [28]. Cu, Zn, Cd, Sb, W, Pb, Bi имеют на фоновой территории значения КО > 10, что свидетельствует о преобладании антропогенного поступления ТМ из атмосферы при региональном переносе поллютантов с прилегающих территорий.
Основные физико-химические свойства снежного покрова ВАО. Величина рН талого снега изменяется от 4,5 до 8,0, подщелачивание снежного покрова относительно фоновых территорий составляет в среднем 0,4. Наиболее высокие значения рН приурочены к промышленным зонам и автомагистралям, что связано с имиссией карбонатной строительной пыли. Минерализация талой воды в 4 раза выше фонового значения (в среднем 23 мг/л) и увеличивается вдоль автомагистралей и в жилой зоне высокой этажности в 6—9 раз (табл. 2). На большей части территории ВАО снеговая вода относится к хлоридно-кальциево-му классу, что характерно для территории города [11]. Преобладание в снеговой воде хлоридов и кальция обусловлено применением CaCl2, а также мраморной крошки в качестве антигололедных средств [23]. На юге округа встречаются воды сульфатно-кальциевого (воздействие ТЭЦ-22), нитратно-кальциевого (воздействие автотранспорта вблизи Новоухтомского шоссе на юге и шоссе Энтузиастов на севере округа) и хлоридно-натриевого классов (вблизи почти всех автодорог, где NaCl может использоваться в качестве антигололедного средства).
Пылевая нагрузка на территории ВАО в 1,5—5,5 раза (в среднем 2,7 раза) превышает аналогичный показатель для равнинной континентальной территории умеренных широт, удаленной от урбанизированных зон [7]. Наиболее сильно загрязнена территория промыш-
ленной (40 кг/км2 в сутки) и транспортной (55 кг/км2 в сутки) зон. Максимальная наблюдавшаяся суточная нагрузка пыли в кленово-березовой лесопосадке в 30 м от МКАД составила 213 кг/км2, что в 21 раз выше фонового значения.
Средняя за зимний период величина суточных выпадений твердых частиц из атмосферы в ВАО (27 кг/км2) в 2,3 раза ниже этого показателя в Юго-Западном округе Москвы в октябре 2003 г. — январе 2004 г. (63 кг/км2), в 1,9 раза выше потока пыли в ноябре— декабре 2003 г. в г. Томск (14 кг/км2) [28] и мало отличается от величины пылевой нагрузки в г. Саранск (около 30 кг/км2) [26].
Содержание и выпадение поллютантов. Значения коэффициента концентрации металлов Кс в снеговой пыли варьируют довольно сильно, что связано с пространственной изменчивостью ее состава по территории округа (табл. 3, рис. 2). В группу элементов с высоким накоплением входят Мо (Кс = 19,1), а также Ag, 8Ь, Аз, ^ 8п (Кс = 6,3^3,6); менее активно накапливаются V, Fe, Сг, §г, N1, Сё, Со, В1 (К, < 3). Содержание остальных металлов (7п, Мп, РЬ, Си, Ве, Т1) близко к фоновому.
Элементный состав снеговой пыли во многом определяется специализацией ее источника: Мо, ^ Сг, Сё, 8Ь, N1, Со — от предприятий машиностроения и металлообработки; Сё, Ag, Аз, Сг, Со, V — от химической промышленности; Мо, V, №, W — от энергетики; Мо, Сё — от автотранспорта; В1, Ag, 8п, Сё — от сжигания твердых бытовых отходов [7]. Околофоновое содержание РЬ в снегу можно объяснить его высоким фоновым уровнем (КК = 21), который обусловлен активной урбанизацией всего Московского региона.
Наибольшая вариабельность концентрации характерна для Ag, Сё, В1, 7п, Си: в отдельных точках на территории округа превышение фоновых значений для Ag достигает 183 раз, для Сё и В1 — 27 и 18 раз, а для 7п и Си — 5,6 и 4,1 раза соответственно.
Таблица 2
Основные физико-химические характеристики снеговой воды в функциональных зонах Восточного округа Москвы в 2010 г.
Зона (число проб) рН Минерализация, мг/л Пылевая нагрузка, кг/км2 в сутки
Автомагистрали (13) 6,2 (5,3—7,1)* 36 (12—135) 55 (15—213)
Застройка
низкой этажности (5) 5,3 (4,5—7,3) 12 (7—28) 11 (5—19)
средней этажности (9) 6,2 (5,4—7,1) 13 (7—35) 15 (7—26)
высокой этажности (7) 6,4 (5,7—6,7) 53 (7—305) 17 (6—33)
Промышленная (5) 6,7 (6,3—7,6) 13 (8—16) 40 (13—117)
Рекреационная (9) 6,0 (4,8—6,7) 7 (5—15) 15 (7—18)
Агроландшафты (3) 6,0 (5,8—6,1) 6 (5—7) 8 (4—10)
Округ в целом (51) 6,2 (4,5—7,6) 23 (5—305) 27 (4—13)
Фоновая территория (5) 5,8 (5,5—6,0) 6 (4—7) 8 (7—10)
* В скобках здесь и в табл. 3 приведен интервал минимального и максимального значений.
Таблица 3
Концентрация ТМ и металлоидов в снеговой пыли в ВАО Москвы и на фоновой территории в 2010 г.
Элемент Показатели* Элемент Показатели*
Сф, мг/кг С, мг/кг Кс Сф, мг/кг С, мг/кг Кс
Mo 0,3 (0,1—0,5) 6,0 (0,1—25) 19,1 Ni 70 (52—87) 135 (53—419) 1,9
Ag 0,6 (0,3—1,0) 3,6 (0,1—110) 6,3 Cd 2,0 (1,2—3,4) 3,5 (0,7—54) 1,7
Sb 3,8 (2,6—5,4) 19 (4,9—62) 4,9 Co 12 (8,3—16) 17 (6,6—43) 1,5
As 4,0 (2,1—5,2) 18 (0,8—167) 4,6 Bi 1,9 (0,8—5,7) 2,7 (0,4—27) 1,5
W 5,2 (3,7—6,2) 22 (8,1—46) 4,3 Zn 475 (179—1062) 673 (335—3115) 1,4
Sn 6,6 (4,1—13) 24 (9,7—53) 3,6 Cu 607 (284—1521) 762 (195—2466) 1,2
V 92 (77—108) 190 (87—470) 2,1 Mn 640 (455—917) 674 (369—1440) 1,0
Fe 20 (18—23) 43 (17—188) 2,1 Pb 336 (286—460) 333 (72—777) 1,0
Cr 66 (54—104) 135 (54—371) 2,0 Be 2,2 (1,9—2,4) 1,8 (0,9—5,0) 0,9
Sr 57 (36—70) 111 (50—256) 1,9 Ti 2,8 (1,9—3,6) 2,6 (1,3—5,1) 0,9
*Концентрация Fe и Ti в г/кг.
Морфология техногенных геохимических аномалий в снежном покрове крупных городов зависит от распределения выпадения (имиссии) ТМ из атмосферы на земную поверхность, которое в ВАО для всех металлов в несколько раз превышает фоновое. Наибольшее значение Кё (176) характерно для Мо; для ^ БЪ, Аз, Ag значения Кё лежат в диапазоне Кё = 14^18. Значительно меньший Кё (от 3 до 12) зафиксирован для Бп, Fe, Бг, V, Сг, N1, Со, 2п, Мп, Си, Сё, В1, И. Все эти элементы весьма опасны с экологической точки зрения, так как относятся к I—III классам опасности. Самые высокие значения Кё у всех элементов (кроме Ag и Аз) обнаружены в снеге транспортной и промышленных зон (табл. 4).
Максимальные значения Кё Мо обусловлены пылевыми выбросами предприятий машиностроения и металлообработки, а также от автотранспорта. Последние содержат продукты трения частей автомобилей, так как Мо, Со и Сг нанесены на кромки стальных деталей, работающих на износ. Это подтверждается тесной зависимостью между выпадением Мо и Fe (коэффициент корреляции г = 0,93). Кроме того, источником Мо служат разливы автомобильного масла,
в состав которого в качестве антифрикционной присадки входит MoS2.
К элементам с высокой имиссией во всех зонах, кроме рекреационной и сельскохозяйственной, относятся Sb и As, в транспортной зоне значения их Kd > 25, в остальных зонах они попадают в градацию Kd = 10^25. Источниками этих элементов могут быть выбросы предприятий химической промышленности, теплоэнергетики и производства стройматериалов [7].
Суммарное загрязнение снежного покрова ВАО. Концентрация ТМ в выпадениях из атмосферы оценивается суммарным показателем загрязнения пыли Z, который изменяется по территории ВАО от нескольких единиц до 128 и более и составляет в среднем 43, что соответствует среднему уровню загрязнения и умеренно опасной для здоровья человека экологической ситуации (рис. 3, а). Максимальные значения Zc в пределах того же уровня загрязнения характерны для автомагистралей и промышленных зон (в среднем 59 и 54 соответственно).
Наиболее высокая концентрация поллютантов в пыли наблюдается на западе (южная и восточная части района Перово, центральная часть района Но-
Мо W Sb Sn Fe As Ni Cr V Со Sr Zn Mn'.Ag;* Cu Cd Bi Ti Be P?
8J X
Рис. 2. Геохимические спектры ТМ и металлоидов в снежном покрове ВАО. Функциональные зоны: ПЗ — промышленная (Zc = 54), АМ — автомагистрали (59), СЗ — жилая застройка средней этажности (44), НЗ — жилая застройка низкой этажности (36), АЛ — агро-ландшафты (35), РЗ — рекреационная (29), ВЗ — жилая застройка высокой этажности (28)
Таблица 4
Интенсивность выпадений ТМ и металлоидов с пылью в различных функциональных зонах ВАО
Зона Превышение выпадений ТМ над фоном, Kd Zd
> 50 50—25 25—12 12—6 6—3
Автомагистрали M°380* ^31 Sn18Fe15 Sr14V13 Co11Cr11Mn10 Ni9Ti8Zn8Cu7 Bi6Ag6Cd5Be4Pb3 609
Промышленная Mo424 — WnSb17 Fe17 As14Sn14 Cr Ni V 1110V8 Co8 Zn7Sr7 Mn6Cu6Cd4Ti4 Ag4Bi3Be3 566
Жилая застройка низкой этажности ^107 Mo54 — — As12Sbn W5Sn5Fe4Cr3Cu3 206
Жилая застройка средней этажности Mo84 — — Sb12As10W8Sn7 Zn5Sr4Ni4V4Cu4 Fe4Cr4Co3Bi3Cd3 147
Жилая застройка высокой этажности Mo53 — As21 Sb11W9 Sn6Ni4Sr4V4Zn4 Fe4Ag4Bi3Cr3Co3 Cu3Cd3 127
Рекреационная Mo55 — — Sb8Sn7Cd7W7 Ag6Bi5Cr4Sr4V4Ni4 Fe3Zn3As3Cu3 110
Агроландшафты — — As10 Ag6Sb4Sn3W3 28
Среднее по округу Mo176 — W18Sb16 As15A«14 Sn10Fe8 Sr6V6Cr6Ni6Co5Zn5 Mn4Cu4Bi4Cd4Ti3 295
* Величина Kd каждого элемента указана в подстрочном индексе.
Рис. 3. Суммарное загрязнение снежного покрова 2с (а) и суммарное выпадение (б) тяжелых металлов и металлоидов в южной части
ВАО в 2010 г. Условные обозначения см. на рис. 1
вогиреево), а также на юго-востоке (район Косино— Ухтомский) округа. В западной части округа, около промзоны Соколиная гора, а также в юго-восточной части западнее мусоросжигательного завода суммарный показатель загрязнения снега увеличивается до очень высокого и очень опасного уровня загрязнения (128 единиц и более). Низкие средние значения 2с = 28^29 приурочены к рекреационной зоне и жилой застройке высокой этажности. Практически на всей территории округа наибольший вклад в загрязнение снега вносят Мо, ' БЪ, Бп, Fe, Аз, N1, Сг, V и Со. Помимо этих элементов в транспортной зоне велик вклад Ag, в рекреационной зоне — Сё.
В начале 1990-х гг. снежный покров примерно на 65% рассматриваемой территории имел средний уровень загрязнения с суммарным показателем 2С от 32 до 64, что соответствует умеренно опасной экологической ситуации [25]. В настоящее время такие значения 2с зафиксированы на 58% территории округа, на 12% наблюдается высокий уровень загрязнения, т.е. опасная экологическая ситуация (2С = 64-^128). Положение техногенных аномалий ТМ и металлоидов в снежном покрове округа за прошедшие два десятилетия практически не изменилось. Однако в работе [25] учитывалась информация о 37 химических элементах, а в наших исследованиях — о 20. Так как величина суммарного показателя загрязнения 2С определяется величиной коэффициента концентрации и числом учитываемых элементов, то можно считать, что загрязнение снежного покрова в 1990-е гг. было как минимум в 1,5—2 раза ниже. Интенсивность загрязнения снега в округе усилилась, скорее всего, из-за значительного повышения числа транспортных средств и количества дорожных заторов, что привело к увеличению объема выбросов от автотранспорта.
Показатель загрязнения снежного покрова 2С не дает полной картины загрязнения территории, поскольку его величина зависит только от специализации, а не от количества выброшенной пыли, поступающей в снег; он позволяет лишь констатировать степень обогащения снеговой пыли химическими элементами. Поэтому для оценки реального геохимического воздействия на компоненты городского ландшафта целесообразно использовать суммарный показатель имиссии элементов , показывающий интенсивность потока загрязнителей в единицу времени на единицу площади. Величина зависит не только от содержания ТМ в снеговой пыли, но и от величины пылевой нагрузки, определяемой мощностью и положением источников выбросов, рассеивающей способностью атмосферы, преобладающим направлением ветра и т.д.
Суммарная имиссия элементов, определяемая величиной , варьирует в округе от нескольких единиц в агроландшафтах до 1000 и более в промышленной и транспортной зонах. В среднем для ВАО этот коэффициент равен 296, что соответствует слабому
загрязнению с неопасной экологической ситуацией. Среднее загрязнение с умеренно опасной экологической ситуацией (1000 < < 1800) характерно для северо-западной части территории и сформировано в основном автотранспортом, выбросами предприятий энергетики, машиностроения и металлообработки, химии и нефтехимии (рис. 3, б). Наибольший вклад в суммарный показатель имиссии на этих территориях вносит выпадение Мо и '
Имиссия металлов на территории ВАО зависит в основном от количества выпадающей пыли (г = 0,85) и в меньшей степени от ее состава (г = 0,39). При сравнении карт значений 2с и 2й (рис. 3) видны значительные различия в распределении этих показателей. Показатель 2С относительно мало варьирует по площади по сравнению с более контрастными изменениями значений . В северо-западной части округа максимумы формируются за счет повышенного выпадения пыли, которая по составу сравнительно однородна. На юго-востоке, несмотря на высокую концентрацию ТМ в снеговой пыли, наблюдаются минимальные значения , обусловленные малой пылевой нагрузкой (< 20 кг/км2 в сутки).
Таким образом, для оценки интенсивности загрязнения снежного покрова на урбанизированных территориях более информативен и контрастен суммарный показатель имиссии элементов .
Соотношение аномалий ТМ в снеге и почвах. Сравнение карт суммарного выпадения ТМ, характеризующегося показателем и распределения 2С в почвах позволило выделить регрессивные техногенные аномалии, проявляющиеся только в почвенном покрове, неотрансгрессивные — только в снеге, и трансгрессивные — и в снеге, и в почвах [7]. По содержанию ТМ в почвенном покрове территория ВАО характеризуется средним, умеренно опасным уровнем загрязнения со значением 2с, равным 19,4, который резко повышается около промзон Перово, Соколиная гора и Прожектор до высокого, опасного уровня [20]. При наложении на карту распределения 2С в почвах карты распределения показателя имиссии элементов видно, что на большей части округа сформировались трансгрессивные аномалии. По соотношению 2с почв и суммарного выпадения ТМ в центральной части округа около промзоны Перово установлена регрессивная техногенная аномалия, наличие которой объясняется закрытием и перепрофилированием стационарных источников выбросов. На севере вдоль шоссе Энтузиастов рядом с Терлецким парком выявлена неотрансгрессивная аномалия ТМ. В южной части недалеко от Косинского Триозерья эпицентры аномалий выпадения поллютантов смещены к югу относительно их положения в почвенном покрове.
Выводы. 1. На территории ВАО г. Москва, как и во многих других городах, происходит подщелачивание снежного покрова, вызванное осаждением строительной карбонатной пыли. Минерализация снеговых вод
на территории округа возрастает по сравнению с фоном в 4 раза и составляет в среднем 23 мг/л. Из-за применения антигололедных средств состав талой воды в ВАО трансформируется с сульфатно-хлоридно-каль-циевого до преимущественно хлоридно-кальциевого. Средняя по округу пылевая нагрузка примерно в 3 раза выше фонового значения, наибольшими выпадениями пыли характеризуются автомагистрали и промышленные зоны.
2. Техногенная геохимическая специализация твердой фракции снега в ВАО определяется накоплением Мо (Кс = 19); А§, БЪ, Аз, ^ Бп (4-6); V, Fe, Сг, Бг, N1 (2—3,9); Сё, Со, В1 (1,5—1,7). В выпадениях доминируют Мо (Ха = 176); ^ БЪ, Аз, Ag (14—18); Бп, Fe, Бг, V, Сг, N1 (6—10); Со, 2П, Мп, Си, В1, Сё, Т1 (3—5). Наиболее высокие значения Ка элементов характерны для автомагистралей и промышленных зон, где размещены предприятия машиностроения и металлообработки, химической промышленности, энергетики, сжигания твердых бытовых отходов. Особую экологическую опасность представляют элементы с максимальной величиной выпадения и одновременно имеющие высокую концентрацию в снеговой пыли — Мо, Ag, БЪ, Аз, ^ Бп. Для них увеличение имиссии на территории ВАО на порядок и более превышает фоновый уровень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В. Воздух городов и его изменения. СПб.: Астерион, 2008. 254 с.
2. Битюкова В.Р. Социально-экологические проблемы развития городов России. М.: Кн. дом "Либроком", 2009. 448 с.
3. Битюкова В.Р., Слободской Д.И. Промышленные зоны Москвы. Ч. 2. Комплексная оценка степени экологической опасности промзон Москвы // Экология и промышленность России. 2002. № 11. С. 29—35.
4. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1985. 181 с.
5. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555—571.
6. Волкова В.Г., Давыдова Н.Д. Техногенез и трансформация ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1987. 188 с.
7. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
8. Глазовский Н.Ф., Учватов В.П. Химический состав пыли некоторых районов ЕТС. Пущино, 1981. 33 с.
9. Грачева И.В. Геоэкология снегового покрова урбанизированных территорий северной лесостепи Южного Урала: Автореф. канд. дисс. СПб., 2011. 18 с.
10. Добровольский В.В. География микроэлементов: глобальное рассеяние. М.: Мысль, 1983. 272 с.
11. Еремина И.Д., Григорьев А.В. Кислотность и химический состав снежного покрова в Москве и Подмосковье за период 1999—2006 гг. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2010. № 3. С. 55—60.
12. Лабутина И.А., Хайбрахманов Т.С. Функциональное зонирование территории ВАО г. Москвы для целей экологического мониторинга // Устойчивое развитие террито-
3. Степень обогащения выпадений из атмосферы ТМ, которая оценивается суммарным показателем загрязнения пыли 2с, составляет в среднем по округу 43, что соответствует среднему уровню загрязнения и умеренно опасной экологической ситуации. Максимальные значения 2с характерны для автомагистралей и промышленных зон (до 100 и более), минимальные — для рекреационной зоны и жилой застройки высокой этажности. Судя по величинам 2с, за последние два десятилетия загрязнение снега в округе увеличилось как минимум в 1,5—2 раза, что связано с резким увеличением числа транспортных средств и заторов на дорогах.
4. Для оценки загрязнения снежного покрова использован суммарный показатель имиссии элементов 2й, характеризующий не только состав пыли, но и пылевую нагрузку от источников выбросов. Судя по его распределению, эпицентры наиболее контрастных техногенных геохимических аномалий находятся на северо-востоке (район Ивановское) и северо-западе (район Перово) округа. Сравнение карт суммарного выпадения ТМ и распределения 2с почв показало, что на большей части округа сформировались трансгрессивные аномалии; в центральной части округа установлена регрессивная техногенная аномалия ТМ, а на севере — неотрансгрессивная.
рий: теория ГИС и практический опыт / Мат-лы междунар. конф. ИнтерКарто/ИнтерГИС-16. Ростов-на-Дону, 2010. С. 234—236.
13. Ландшафты Московской области и их современное состояние / Под ред. И.И. Мамай. Смоленск: Изд-во СГУ, 1997. 296 с.
14. Линник В.Г. Автоматизация построения карт для мониторинга окружающей среды (на примере геохимических карт Московской области): Автореф. канд. дисс. М., 1985. 185 с.
15. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами. М.: ИМГРЭ, 1982. 112 с.
16. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. М.: ИМГРЭ, 2006. 7 с.
17. Моисеенков О.В. Эколого-геохимический анализ промышленного города (на примере г. Тольятти): Автореф. канд. дисс. М., 1989. 243 с.
18. Никифорова Е.М., Лазукова Г.Г. Москва. Перовский район. Равнинные ландшафты // Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. С. 57—90.
19. Никифорова Е.М., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Новикова О.В. Пространственно-временные тренды загрязнения городских почв и растений соединениями свинца (на примере Восточного округа Москвы) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2010. № 1. С. 11—20.
20. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е., Касимов Н.С. Оценка загрязнения тяжелыми металлами почв Восточного округа г. Москвы (по данным 1989—2010 гг.) // Инженерная геология. 2011. № 3. С. 34—45.
21. Павленко И.А., Батоян В.В., Кучумова Н.А. Выявление зон промышленного загрязнения по исследованию снежного покрова // Техногенные потоки в ландшафтах и состояние экосистем. М.: Наука, 1981. С. 193—210.
22. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.
23. Систер В.Г., Корецкий В.Е. Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период. М.: ЦентрМГУИЭ, 2004. 159 с.
24. Смагин А.В., Азовцева Н.А., Смагина М.В. и др. Некоторые критерии и методы оценки экологического состояния почв в связи с озеленением городских территорий // Почвоведение. 2006. № 5. С. 603—615.
25. Соколов Л.С., Астрахан Е.Д. Загрязнение территории Москвы металлами // Природа. 1993. № 7. С. 68—73.
26. Стульцев Ю.К. Эколого-геохимическая оценка территории республики Мордовия: Автореф. канд. дисс. М.,
2002. 20 с.
27. Черноусенко Г.И., Ямнова И.А., Скрипникова М.И. Антропогенное засоление почв Москвы // Почвоведение.
2003. № 1. С. 97—105.
28. Шевченко В.П., Волков В.А., Новигатский А.Н., Сав-вичев А.С. Вертикальные потоки нерастворимых аэрозольных частиц в воздушном бассейне Москвы // Мат-лы Меж-дунар. конф. "Геохимия биосферы". М.; Смоленск, 2006. С. 927—931.
29. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1995. 336 с.
30. Экологический атлас Москвы. М.: Изд-во "АБФ/ ABF", 2000. 96 с.
31. Яхнин Э.Я., Томилина О.В., Чекушин В.А. Салминен Р. Сравнительный анализ данных о составе атмосферных
осадков и снежного покрова на территории Ленинградской области и Юго-Восточной Финляндии и уточнение параметров атмосферного выпадения тяжелых металлов // Экологическая химия. 2003. № 12. С. 1—12.
32. Cekstere G., Nikodemus O., Osvalde A. Toxic impact of the de-icing material to street greenery in Riga, Latvia // Urban Forestry & Urban Greening. 2008. Vol. 7 (3). P. 207—217.
33. Engelhard C., De Toffol S., Lek I. et al. Environmental impacts of urban snow management — The alpine case study of Innsbruck // Sci. of Tot. Environ. 2007. Vol. 382. Iss. 2—3. P. 286—294.
34. Joutti A., Schultz E., Pessala P. et al. Ecotoxity of Alternative de-Icers // J. Soils & Sediments. 2003. Vol. 3(4). P. 269—272.
35. Reinosdotter K., Viklander M. A comparison of snow quality in two swedish municipalities — Lulea and Sundsvall // Water, Air and Soil Pollution. 2005. Vol. 167. P. 3—16.
36. Sansalone J.J., Cristina C.M. Prediction of gradation-based heavy metal mass using granulometric indices of snowmelt particles // J. Envir. Engrg. 2004. Vol. 130. Iss. 12. P. 1488—1497.
37. Sansalone J.J., Glenn D.W., Tribouillard T. Physical and chemical characteristics of urban snow residuals generated from traffic activities // Water, Air and Soil Pollution. 2003. Vol. 148. P. 45—60.
38. Viklander M. Substances in urban snow. A comparison of the contamination of snowing different parts of the city of Lulea, Sweden // Water, Air and Soil Pollution. 1999. Vol. 114. P. 377—394.
39. Westerlund C, Viklander M. Particles and associated metals in road runoff during snowmelt and rainfall // Sci. of Tot. Environ. 2006. Vol. 362. Iss. 1—3. P. 143—156.
Поступила в редакцию 09.02.2012
N.S. Kasimov, N.E. Kosheleva, D.V. Vlasov, E.V. Terskaya
GEOCHEMISTRY OF SNOW COVER WITHIN THE EASTERN DISTRICT OF MOSCOW
The intensity of technogenic transformation of principal physical and chemical properties of melted snow water and solid fraction of snow was evaluated for the Eastern district of Moscow. Technogenic specialization of snow dust, environment-hazardous pollutants and their deposition values were identified within particular functional types of land use under study. Maps of technogenic geochemical anomalies of heavy metals and metalloids in the snow cover were compiled for the territory of the district. A comparative assessment of snow pollution for two recent decades was performed.
Key words: technogenesis, snow cover, heavy metals, Moscow, deposition, total pollution.
