CC BY
13
УДК 504.06
12Ю.А. Тунакова, 2Д.В. Иванов ,2А.Р. Шагидуллин, 2В.С. Валиев
'Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н Туполева, juliaprof@mail.ru
2Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, water-rf@mail.ru
ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ КАК ИНДИКАТОР ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Г. КАЗАНИ
Рассмотрена сходимость полей концентраций металлов в приземном слое атмосферного воздуха г. Казани (расчетный метод) и верхнем слое почвенного покрова (натурные наблюдения). Показано, что, ввиду ограниченных в пространственно-временном аспекте данных экспериментальных наблюдений содержания металлов на уровне дыхания человека, оценку содержания металлов, полученную расчетным путем, целесообразно корректировать результатами натурных наблюдений за содержанием подвижной формы металлов в поверхностном слое почв. Длительно формирующиеся аномалии в почвенном покрове позволяют (с некоторой погрешностью) характеризовать полиметаллическое загрязнение динамично изменяющего приземного слоя атмосферного воздуха.
Ключевые слова: металлы; почвенный покров; приземный слой атмосферного воздуха; поля концентраций; картографический анализ.
Введение
Согласно Приложению № 2 к приказу Минприроды России от 31 декабря 2010 г. №579, металлы входят в Перечень вредных (загрязняющих) веществ, подлежащих государственному учету и нормированию, и входят в перечень, изложенный в Международной программе по химической безопасности, что подтверждает необходимость проведения полиметаллического экомониторинга урбанизированных территорий. Приоритетность исследования металлов заключается в большой их устойчивости в компонентах урбоэкосисте-мы, высокой способности к биогенной миграции, разнообразных антропогенных источниках поступления в окружающую среду, замедленной элиминации из организма человека.
Доминирующим путем поступления металлов в пределах городской территории является аэрогенный путь - с выбросами стационарных и передвижных источников загрязнения. Металлы без трансформации мигрируют в различных компонентах городской среды, отражая взаимосвязь между ними, в том числе между атмосферным воздухом и почвенным покровом (Голенецкий и др., 1981; Елпатьевский, 1993).
Поступление металлов происходит обычно с малой интенсивностью в течение длительного времени (Сает и др., 1990; Добровольский, 1980; Тунакова и др., 2014). Почвенный покров, находясь на пересечении всех путей миграции, фиксирует суммарный эффект многолетнего накопления
атмосферных примесей и представляет собой один из самых информативных блоков при исследовании состояния урбоэкосистем (Сает и др., 1990; РД 52.04.186-89).
Исследование уровня полиметаллического загрязнения проводилось на территории города Казани с доминирующим аэрогенным поступлением металлов от широкого спектра стационарных, а также передвижных источников загрязнения. Несмотря на множественные источники выбросов, на территории г. Казани металлы систематически контролируются только на двух стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха.
В случае пространственно-временных ограничений данных экспериментальных наблюдений, содержание металлов в компонентах урбоэкосистем можно
рассчитывать с использованием методов математического моделирования. Однако расчеты полей загрязнения приземного слоя атмосферы и их картографическая проекция лимитируются недостатком фактической информации о компонентном составе выбросов и метеорологических условиях рассеивания, типах застройки, особенностях рельефа и др. и погрешностями используемых математических методов (Замай, Якубайлик, 1998; Потапов и др., 2005; Шагидуллин и др., 2017). Поэтому результаты расчетного экологического мониторинга содержания металлов в приземном
Рис. 1. Карта-схема расположения предприятий - источников полиметаллического загрязнения
Условные обозначения: 1. АО «Нэфис косметикс»; 2. ОАО «Казанский завод синтетического каучука; 3. ПАО «Камско-Волжское акционерное общество резинотехники «КВАРТ»; 4. ЗАО «Казанский завод искусственных кож»; 5. ОАО «Теплоконтроль»; 6. ПАО «Казаньоргсинтез»; 7. ПАО «Казанский вертолетный завод»; 8. АО «Казанское моторостроительное производственное объединение»; 9. «Казанский авиационный завод им. С.П. Горбунова - филиал ПАО «Туполев»; 10. АО «Сталепромышленная компания» филиал в г. Казани; 11. ООО «Научно-производственное объединение «Тасма»»; 12. АО «Казанский оптико-механический завод»; 13. ОАО «Хитон»; 14. ОАО «Казанькомпрессормаш»; 15. АО «НПО «Радиоэлектроника» им. В.И.Шимко; 16. ОАО «Казанский завод газовой аппаратуры «Веста»»; 17. ОАО «Полимиз»; 18. АО «Вакууммаш»; 19. АО «Радиоприбор»; 20. АО «Казанский медико-инструментальный завод»; 21. Филиал ОАО «ТГК-16» - «Казанская ТЭЦ-3»; 22. АО «Татэнерго» «Казанская ТЭЦ-2»; 23. АО «Татэнерго» «Казанская ТЭЦ-1»; 24. АО «Завод «Элекон»; 25. ОАО «Сантехприбор»; 26. ОАО «Казанский завод медицинской аппаратуры»; 27. ФКП «Казанский государственный казенный пороховой завод»; 28. ООО «Кожгалантерейная фабрика»; 29. ОАО «Сафьян»; 30. ФКП «Казанский завод точного машиностроения»; 31. ОАО «Казанский комбинат строительных материалов».
слое атмосферного воздуха должны быть скорректированы результатами натурных наблюдений, наиболее информативными из которых, как уже указывалось, являются исследования полиметаллического загрязнения почвенного покрова. Аномалии содержания металлов в почвах хорошо отражают общую структуру загрязнения территории. Техногенные аномалии, являющиеся следствием аэрозольного загрязнения, хорошо оконтуриваются по уровням подвижных форм содержания металлов в верхних горизонтах почв (Касимова, 1995; Глазовская, 1998; Беляев, 1998).
Посредством геохимического картографирования распределения загрязня-ющих веществ в компонентах урбоэкосисте-мы можно охарактеризовать интегральную степень загрязнения, выделить зоны повышенного содержания поллютантов, а также оценить
вклад основных источников загрязнения (Сорокина и др., 1988; Шагидуллина, Шагидуллин, 2013; Тунакова и др., 2014). Нами исследовались возможности коррекции зон загрязнения и эпицентров загрязненности, установленных расчетным и экспериментальным путем метода геохимического картографирования.
Совместное использование карт, полученных по расчетным и экспериментальным данным, позволяет:
- оценивать роль различных факторов в формировании аэро-техногенных полиметаллических аномалий;
- установить степень влияния первичного (с выбросами) и вторичного (из депонирующих сред) поступления металлов на уровень полиметаллического загрязнения;
- выявлять причины формирования территориальных различий в уровнях
полиметаллического загрязнения;
- определять пути снижения полиметаллической нагрузки (Большаков и др., 2002).
Между средними многолетними
концентрациями металлов в приземном слое атмосферного воздуха и содержаниями металлов в верхних слоях почв существуют зависимости, которые могут быть описаны статистически (РД 52.04.186-89; Сает и др., 1990). Однако, геохимические аномалии металлов в приземном слое атмосферного воздуха и в почвенном покрове, в силу различий в длительности формирования и различных способах получения исходной информации имеют различия.
Методы исследования
Для расчета концентраций металлов в атмосферном воздухе использовалась сводная база данных параметров выбросов в атмосферу г. Казани, актуализированной по состоянию на конец 2018 г. в рамках ведения системы сводных расчетов (Ведение ..., 2018). В сводной базе данных учтены выбросы 11081 стационарного источника, а также выбросы автотранспортных потоков. Согласно материалам инвентаризации выбросов, использованных при создании и актуализации базы данных, в атмосферу г. Казани выбрасывается 65 различных соединений металлов.
С учетом характера поставленной задачи расчетная оценка уровней загрязнения атмосферного воздуха проводилась с помощью величин долгопериодных средних концентраций. Для проведения расчетов использовалась программа «Эколог-Город» 4.5 с дополнительным модулем для расчета осредненных концентраций (ООО «Фирма «Интеграл», г. Санкт-Петербург). В точках отбора проб почв рассчитывалась суммарная концентрации всех соединений металлов исследуемого ряда в атмосферном воздухе. Для представления результатов расчетов и последующего их сопоставления с данными экспериментов проводилась интерполяция результатов вычислений с построением поэлементных карт.
Почвенное-геохимические исследования г. Казани проведены в 2015 г. по сетке из 75 станций, расположенных относительно равномерно по территории города. В каждой точке отбиралась одна смешанная проба из поверхностного горизонта почв методом конверта с глубины 0-20 см. Экстракция валовых форм металлов (Cd, РЬ, Си, №, 2п, Сг, Мп, Бе) из почв проводилась 5н НШ3(РД 52.18.191-89), подвижные формы экстрагировались ацетатно-аммонийным буфером
с pH=4.8 (РД 52.18.289-90). Концентрации металлов в растворе определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе AAnalyst 400.
Карты распределения содержания металлов в приземном слое атмосферного воздуха и почвах построены с помощью программ SAGA 2.0.8 и MapInfo Professional 6.0.
Результаты и их обсуждение
С учетом специфики производственных процессов химические элементы - металлы присутствуют в выбросах большей части предприятий. В частности, металлы исследуемого ряда присутствуют в выбросах 154 из 291 предприятия сводной базы данных. После проведения анализа структуры выбросов, а также с учетом результатов предшествующих исследований, на территории г. Казани в зависимости от расположения крупных промышленных предприятий, являющихся источниками поступления соединений металлов в атмосферный воздух, выделено 7 крупных промышленных агломераций (зон):
I. ПАО «Казаньоргсинтез», Филиал ОАО «ТГК-16» - «Казанская ТЭЦ-3»;
II. ОАО «Сантехприбор», ОАО «Казанский завод медицинской аппаратуры», ФКП «Казанский государственный казенный пороховой завод», ООО «Кожгалантерейная фабрика», ОАО «Сафьян»;
III. АО «Нэфис косметикс», ОАО «Казанский завод синтетического каучука, ПАО «Кам-ско-Волжское акционерное общество резинотех-ники «КВАРТ», ЗАО «Казанский завод искусственных кож», ОАО «Теплоконтроль», АО «Ва-кууммаш», АО «Радиоприбор», АО «Казанский медико-инструментальный завод», АО «Татэнер-го» «Казанская ТЭЦ-1», ФКП «Казанский завод точного машиностроения»;
IV. ПАО «Казанский вертолетный завод», АО «Татэнерго» «Казанская ТЭЦ-2»;
V. АО «Казанское моторостроительное производственное объединение», «Казанский авиационный завод им. С.П. Горбунова - филиал ПЛО «Туполев»;
VI. ОАО «Казанькомпрессормаш», АО «НПО «Радиоэлектроника» им. В.И.Шимко, ОАО «Казанский завод газовой аппаратуры «Веста»;
VII. АО «Казанский оптико-механический завод», ОАО «Хитон» (рис. 1).
Анализ результатов геохимических исследований позволил выявить широкий разброс концентраций валовых и подвижных форм металлов в поверхностном слое почв Казани, свидетельствующий о наличии участков
с различной степенью загрязнения. Наиболее вариабельным оказалось содержание в почвах РЬ, Си, гп.
Значительная часть подвижной фракции металлов в почвах формируется за счет аэрогенного поступления металлов (Алексеенко В., Алексеенко А., 2013). В этой связи для выявления особенностей распределения металлов в поверхностном слое почв покрова и приземном слое атмосферного воздуха г.Казани рассматривалось распределение их подвижных форм (рис. 2).
Как показывают результаты расчетов осредненных концентраций Cd, Си, №, гп, Мп, Fe, эпицентры загрязнения чаще приближены к IV и V промышленным зонам. Это объясняется высокими нормативными значениями выбросов расположенных в этой зоне крупнейших машиностроительных предприятий. По некоторым металлам (№, Сг, Мп) эпицентры наблюдаются также в III зоне. По ряду металлов (Cd, РЬ, Си) ореолы загрязнения сосредоточены в центральной части города, где промышленные предприятия отсутствуют.
Эпицентры загрязненности приземного слоя атмосферного воздуха металлами в целом соотносятся с зонами распределения их подвижных форм в почвенном покрове. К относительно чистым можно отнести восточные и юго-восточные районы Казани.
Относительно малое количество расчетных точек может приводить к некоторому искажению картины загрязнения. Более классическим типом построения изолиний уровней загрязнения по результатам расчета рассеивания вредных веществ является интерполяция результатов расчетов концентраций в узлах периодической расчетной сетки с заданным шагом, что способствует более равномерному охвату территории.
Заключение
Установлено, что эпицентры загрязненности приземного слоя атмосферного воздуха г. Казани металлами когерентны с зонами
Рис. 2. Сопоставление полей концентраций металлов в приземном слое атмосферного воздуха (мг/дм3) (слева) и подвижных форм металлов в почвах (мг/кг) (справа) г. Казани
Изолинии Cd в приземном слое атмосферного воздуха приведены в размерности 10-8мг/м3, М - 10-7мг/м3, Си - 10-6 мг/м3, Мп, 2п и РЬ - 10-5 мг/м3, Сг - 10-4 мг/м3, Fe - 10-3мг/м3.
распределения их подвижных форм в городских почвах, в связи с чем использованный комплексный метод исследования содержания металлов в приземном слое атмосферы (расчетные методы) и почвенном покрове (натурные наблюдения) позволяет провести четкую дифференциацию зон исследования и выделить зоны риска.
Данные почвенно-геохимического мониторинга позволили выявить очаги загрязнения, не обнаруживаемые расчетными методами и имеющие территориальную привязку к стационарным источникам эмиссии металлов. Дополнение расчетного экологического мониторинга атмосферного воздуха результатами оценки качества депонирующих сред позволяет существенно повысить адекватность его результатов, при этом показано, что для этих целей оптимально использовать распределение концентраций в почве подвижных форм металлов в почвах.
Проведенный картографический анализ степени полиметаллического загрязнения металлами территории г. Казани может использоваться для разработки комплекса природоохранных мероприятий, экологического обоснования схем развития и размещения производственных объектов, генеральных планов городов и кадастровой оценки городских земель.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-41-160020/18.
Список литературы
1. Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в геохимических системах. Кларки почв селитебных ландшафтов. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2013. 388 с.
2. Беляев В.А. Техногенная трансформация ландшафтов крупного промышленного центра (на примере г. Ярославля) // Известия РГО. 1998. Т.30, вып. 4. С. 64-72.
3. Большаков В.А., Ладонина Н.Н., Фрид А.С. Картографическое отображение точечного и контурного загрязнения городских территорий // Почвоведение. 2002. №5. С. 629-633.
4. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа, 1988. 328 с.
5. Голенецкий С.П., Жигаловская Т.Н., Голенецкая С.И. Роль атмосферных выпадений в формировании микроэлементного состава почв и растений // Почвоведение. 1981. №2. С. 41-48.
6. Добровольский В.В. Тяжелые металлы: загрязнение окружающей среды и глобальная геохимия // Тяжелые металлы в окружающей среде. М.: Изд-во МГУ, 1980. - С. 3-12.
7. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М., 1993. 253 с.
8. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города: Учеб. Пособие. Красноярск: Изд-во Красноярского гос. ун-та, 1998. 109 с.
9. Потапов А.И., Воробьев В.Н., Карлин Л.Н., Музалев-
ский А.А. Мониторинг, контроль, управление качеством окружающей среды. СПб.: РГГМУ, 2005. 600с.
10. Ведение системы расчетного мониторинга за состоянием атмосферного воздуха для выявления источников загрязнения, деятельность которых является причиной повышенной загазованности атмосферного воздуха в городе Казани. Отчет по государственному контракту №18МЭ-24с от 31.08.2018 г. Казань: ИПЭН АН РТ, 2018. 249 с.
11. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1991. 689 с.
12. РД 52.18.191-89. Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-аб-сорбционным анализом.
13. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
14. Сорокина Е.П., Пронин А.П., Сакова М.А. Опыт регионального геохимического картографирования техногенных аномалий в ландшафтах Центрального Нечерноземья // Тяжелые металлы в окружающей среде / Матер. 2-ой Всесоюзной конф. М., 1988. Ч. I. С. 176-179.
15. Тунакова Ю.А., Григорьева И.Г., Шагидуллина Р.А. Области применения моделей для расчета распределения примесей в приземном слое атмосферного воздуха // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 20. С. 163-166.
16. Шагидуллин А.Р., Тунакова Ю.А., Шагидуллин Р. Р. Аспекты практического применения нормативного метода расчета распространения примесей в атмосфере для оценки приземных концентраций в условиях города // XIII Международная научная конференция «Дифференциальные уравнения и их приложения в математическом моделировании». Саранск, 2017. С. 462-468.
17. Шагидуллина Р.А., Шагидуллин А.Р. Развитие системы расчетного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха г. Казани промышленными предприятиями // Экология и промышленность России. 2013. №5. С. 52-54.
18. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во МГУ, 1995. 336 с.
Y.A. Tunakova, D.V. Ivanov, A.R. Shagidullin, VS. Valiev. Soil landscape as an indicator of poly-metallic pollution of the surface layer of the atmospheric air of Kazan.
The article examines the convergence of the calculated fields of metal concentrations in the atmospheric air of Kazan and the metals in the upper layer of the soil landscape. It is shown that the calculated concentrations of metals in the surface air layer can be corrected using the results of measurements of the mobile form of metals in the surface layer of the soil. The distribution of metals in the soil cover, which are formed for a long time, is capable of characterizing polymetallic pollution of the surface layer of atmospheric air with some error.
Keywords: metals; soil landscape; surface layer of atmospheric air; fields of concentrations; cartographic analysis.
Информация об авторах
Тунакова Юлия Алексеевна, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, Россия, 420126, г. Казань, ул. Четаева, 18, E-mail: juliaprof@mail.ru.
Иванов Дмитрий Владимирович, кандидат биологических наук, зам. директора по научной работе, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, e-mail: water-rf@mail.ru.
Шагидуллин Артур Рифгатович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: Artur.Shagidullin@tatar.ru.
Валиев Всеволод Сергеевич, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, e-mail: podrost@mail.ru.
Information about the authors
Yulia A. Tunakova, D.Sci. in Chemistry, Professor, Head of Department, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev - KAI, 18, Chetaeva st., Kazan, 420126, Russia, E-mail: juliaprof@mail.ru.
Dmitrii V. Ivanov, Ph.D. in biology, deputy director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Ta-tarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: water-rf@mail.ru.
Artur R. Shagidullin, Ph.D. in Mathematic, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Artur.Shagidullin@tatar.ru.
Vsevolod S. Valiev, senior researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: podrost@mail.ru.
