CC BY
122
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
7
Экологические проблемы и природопользование
УДК 502.55
Э.М. Галеева, И.А. Хафизова, Э.И. Хасанова
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА Г. УФЫ
В статье рассматриваются особенности загрязнения снежного покрова г. Уфы как результат отражения состояния атмосферного воздуха. Особое внимание уделено специфике снежного покрова как накопителя загрязняющих веществ, в том числе и совпадению аномалий традиционных загрязнителей и тяжелых металлов. Отмечается актуальность данного исследования для города Уфы, относящегося к категории городских агломераций типа «центр» с полиэлементным составом геохимических потоков и ореолов рассеяния. Подчеркнута геохимическая специфика города. С помощью системы ArcGis проведено картографирование ореолов загрязнения в городе и проанализирована структура загрязнения на примере соединений свинца и ртути. Охарактеризована морфология выявленных аномальных зон, выделены очаги и периферийные участки, указаны их размеры. Отмечено, что контуры геохимических аномалий связаны с физико-географическими особенностями изучаемой территории - своеобразным расположением форм мезорельефа, преобладающими направлениями ветра по сезонам года, а также преобладанием неблагоприятных метеорологических условий. Подчеркивается необходимость совместного применения нескольких взаимодополняющих ГИС-технологий.
Ключевые слова: загрязнение, метеорологические факторы, снежный покров, пространственная структура, мониторинг.
Мониторинг качества атмосферного воздуха - обязательное условие системы контроля окружающей среды. Его важность подчеркивается тем обстоятельством, что выбросы в атмосферу в городских агломерациях являются наиболее опасным источником загрязнения с прямым экологическим воздействием.
Ряд авторов [1; 2 и др.] отмечают высокую динамичность содержания загрязняющих веществ в атмосфере. Концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе зависят от многих факторов, в том числе метеорологических - наличия инверсий, влажности воздуха, направления воздушных течений. Немаловажными являются характер рельефа, технологические параметры выбросов. Кроме того, распространение загрязнения определяется как типом городской агломерации (специализированные города «центр» и т. д.), так и спецификой размещения промышленности в черте города.
Перечисленные выше положения неизбежно приводят к выводу о необходимости большого количества наблюдений за качеством атмосферного воздуха [3]. Кроме того, снежный покров является эффективным накопителем загрязнений и отражением состояния атмосферного воздуха за один год. Известно, что загрязнение снежного покрова происходит в два этапа: во время образования снега в облаке и выпадения на местность, а также в результате сухого выпадения загрязняющих веществ. Взаимоотношение между этими выпадениями зависит от длительности холодного периода, свойств загрязняющих веществ, размера аэрозолей. При использовании результатов картографирования снежного покрова следует учитывать ряд обстоятельств. Прежде всего, при выпадении снега концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому, с одной стороны, измерение содержаний этих веществ проводить достаточно просто. С другой стороны, механический перенос количественных показателей содержания поллютантов в снежном покрове на такие же показатели в воздушных потоках проблематичен.
Другим обстоятельством, свидетельствующим о преимуществе картографирования снежного покрова как меры качества атмосферного воздуха, является следующее: аномалии выпадений как пыли, так и тяжелых металлов, как правило, совпадают с ареалами загрязнений атмосферы традиционными заменителями - оксидами серы, азота, антропогенных органических соединений [3]. Однако аномалии тяжелых металлов и иных химических элементов выглядят контрастнее, имеют важное индикационное значение для представления о комплексном загрязнении окружающей среды.
Материалы и методы исследований
Сотрудниками кафедры гидрологии и геоэкологии БашГУ при использовании материалов Ба-шУГМС обработаны многочисленные фондовые данные о влиянии метеорологических параметров на загрязнение атмосферы.
2014. Вып. 4
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Нами были обработаны данные о загрязнении снежного покрова г. Уфы из базы данных кафедры гидрологии и геоэкологии БашГУ. Обработка была проведена с помощью системы ArcGIS, использовался метод сплайнов как наиболее подходящий для общего количества точек опробования (45). Карты были составлены для ряда химических элементов, из них мы провели анализ пространственного распространения загрязнения по соединениям свинца, ртути и никеля. Их выбор объясняется следующими обстоятельствами: свинец и ртуть - элементы, мониторинг которых обязателен; кроме того, они являются типоморфными для выбросов ряда производств, расположенных в черте города (энергетические установки, машиностроение, нефтепереработка, автотранспорт). Никель - элемент, встречающийся в окружающей среде любого промышленного города.
Для соединений свинца картографирование проводилось по абсолютным значениям показателей загрязнения (в мг/кг снеговой воды). Безусловно, более верным является проведение картографирования по относительным показателям - коэффициенту концентрации или суммарному коэффициенту загрязнения. Но вследствие отсутствия показателей фоновой нагрузки для этого элемента пришлось обратиться к абсолютным значениям.
Результаты и их обсуждение
В свете высказанных положений нами было проведено картографирование снежного покрова г. Уфы. Уфа - крупный город типа «центр» с развитой нефтехимической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной промышленностью. Поэтому в атмосферном воздухе г. Уфы образуются многочисленные атмохимические аномалии, изучаемые нами через состояние снежного покрова.
Наиболее опасными являются сочетания штилей и различных инверсий. Ветровой режим приземного слоя в районе г. Уфы в значительной степени зависит от режима местности. Вблизи города Уфы происходит слияние трех крупных рек - Белой, Уфы, Демы. Их долины ориентированы в юго-запада на северо-восток, поэтому здесь в течение всего года ярко выражены ветры северных (летом) и южных (зимой) направлений. В летний сезон создаются длительные периоды неблагоприятных метеорологических условий для загрязнения атмосферы города, поскольку крупнейшие предприятия нефтеперерабатывающей промышленности расположены на севере. Однако связь между загрязнением воздуха в городе и направлением ветра неоднозначна, так как поток воздуха часто искажается, также наблюдается эффект наложения выбросов за счет наличия в г. Уфе не только зональной (на севере города) но и порфировидной структуры расположения источников загрязнения внутрипро-мышленного центра.
На рис. 1 представлена пространственная структура загрязнения снежного покрова г. Уфы соединениями свинца. Обнаруживается четкая зависимость между расположением промышленных предприятий и концентрацией свинца. Так, максимальные концентрации свинца (до 0,007 мкг/кг) наблюдаются в северной промышленной зоне, где расположены нефтеперерабатывающие заводы (зональная структура расположения относительно городской территории), и в пределах санитарно-защитной зоны предприятий понижаются до значений менее 0,004 мкг/кг. Второй крупный очаг загрязнения расположен в юго-западной части города, где сосредоточены небольшие промышленные зоны, расположенные рядом с селитебными территориями. Однако в связи со спецификой района, в котором расположены преимущественно машиностроительные и приборостроительные предприятия, размер зоны загрязнения значительно меньше (в очаге 1-2 км, включая промышленные площадки, против 10-12 км в северной промзоне). Дальние зоны загрязнения в обоих случаях больше хотя бы в 5-6 раз, и концентрации свинца в них падают очень постепенно (от 0,062 до 0,003 мкг/кг). Контроль за падением концентраций в дальних зонах загрязнения осуществляется с обработкой данных по методу информационных градиентов с построением куммулят и с применением программы Profile, разработанной авторами [4]. Помимо этого, в городе наблюдаются многочисленные мелкие неконтрастные зоны загрязнения, приуроченные к промышленным предприятиям малой мощности.
Весьма информативными являются контуры городских аномалий. Как было отмечено выше, для условий г. Уфы характерно преобладание ветров с северной либо южной составляющей. В условиях почти равнинного рельефа контуры аномалий извилисты, но имеют такую же субмеридиональную направленность. Так же, почти линейно, располагаются и границы, отделяющие одни градации загрязнения от других. В ряде случаев эта закономерность нарушается и расположение и контуры аномалий приобретают более сложную форму. Это происходит в случае осложнения мезорельефа. Так, для восточной окраины города, примыкающей к высокому правому берегу долины р. Белой, ха-
рактерен «амфитеатровый» рельеф, в который, вероятно, и происходит «стекание» загрязнителей. Не останавливаясь подробно на результатах картографирования по данным предшествующих лет, отметим, что на данных геоэкологического картирования 1990-х годов очаги загрязнения были более контрастны и более многочисленны, располагаясь и в центральной области города.
Рис. 1. Пространственная структура загрязнения снежного покрова г. Уфы соединениями свинца
(мг/кг снеговой воды)
Аналогичная картина наблюдается при анализе карт загрязнения снежного покрова г. Уфы соединениями ртути (рис. 2). Картографирование проводилось с помощью коэффициента концентрации, рассчитываемого как отношение содержания загрязняющего вещества в пробе к базовой величине - фоновому содержанию. Отличия от структуры загрязнения соединениями свинца состоят лишь в менее контрастных очагах. Наиболее часто встречающиеся значения коэффициента концентрации по ртути в городских аномалиях составляют 5,6-7. Эти аномалии имеют мозаичный характер и, как следствие, форму, близкую к концентрической. Тем не менее крупнейшая промышленная зона в северной части г. Уфы имеет значительные размеры аномалий по ртути, более сложные контуры и занимает часть как санитарно-защитной зоны (рис. 2), так и селитебной и зеленой зон на северо-востоке города. Мелкие аномалии в центральной и южной частях города, как правило, ограничиваются размерами промышленной площадки, дальняя зона загрязнения с невысокими значениями концентраций ртути (с коэффициентами концентраций не более четырех) на порядок больше во всех случаях.
2014. Вып. 4
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Рис. 2. Пространственная структура загрязнения снежного покрова г. Уфы соединениями ртути
(коэффициенты концентрации)
Интересен результат построения карты загрязнения снежного покрова г. Уфы никелем. Не приводя картосхемы, отметим, что построение карты загрязнения также было проведено по значениям коэффициента концентрации. Если в предыдущих случаях наблюдается четкая зависимость расположения аномалий свинца и ртути вблизи крупных промышленных предприятий и зон, то в случае с аномалиями никеля картина иная. Наиболее контрастные аномалии никеля располагаются в северной части, с очагом в пределах санитарно-защитной зоны, а не промышленной площадки (с коэффициентами концентрации до 16-17), однако размеры очага загрязнения не превышают 1,5 км2, а дальняя зона загрязнения также гораздо протяженнее, со значениями коэффициента не более 10.
Следующая крупная аномальная по содержанию никеля зона располагается на восточной окраине г. Уфы, вблизи зеленой зоны города, вдалеке от промышленных предприятий, в понижении рельефа. Традиционными остаются вытянутость аномалии с севера на юг и почти направленная концентрически овальная форма. Вероятно, в местонахождении этой аномалии большую роль сыграли метеорологические факторы загрязнения и мезорельеф. Данный район города имеет форму амфитеатра, и, вероятно, происходит «стекание» загрязненных воздушных масс в более низкие элементы рельефа. Интересно, что предполагаемые ранее геохимические аномалии по свинцу и ртути на этом же участке не зафиксированы. Отметим также, что для содержания никеля в снежном покрове г. Уфы характерна большая площадь с несколько повышенными концентрациями этого элемента по сравнению со свинцом и ртутью. Аналогичная картина загрязнения снежного покрова города наблюдалась и по другим тяжелым металлам.
Заключение
Следует отметить необходимость дальнейшего мониторинга загрязненности снежного покрова г. Уфы как индикатора состояния атмосферного воздуха. Безусловно, актуальным является не только расширение сети опробования снежного покрова г. Уфы для повышения репрезентативности полученных данных. Полезным будет сочетание картирования с помощью ГИС с использованием иных методов (например, упомянутой выше программы «Profile») для разграничения ближней и дальней зон загрязнения в аномалиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
2. Голдовская Л.Ф. Химия окружаюшей среды. М.: Мир, Бином-лаборатория знаний, 2007. 295 с.
3. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.
4. Галеева Э.М. Асимметрия ландшафтов. Уфа: Изд-во БГПУ, 2002. 108 с.
Поступила в редакцию 27.10.14
E.M. Galeeva, I.A. Khafizova, E.I. Khasanova
SPATIAL STRUCTURE OF SNOW COVER CONTAMINATION IN UFA CITY
The particularities of snow cover pollution as a reflection of air condition in Ufa city are considered. The special attention is paid to the specifics of snow cover being the storage of polluting substances, as well as to the coincidence of anomalies of traditional pollutants and heavy metals. The authors note the actuality of this investigation for Ufa that falls in the category of urban conglomerates of "center" type with the multielement geochemical flows and dispersion halos. The geochemical specificity of the city is stressed. The mapping of pollution halos in the city is carried using ArcGis system, and the pollution structure is analyzed by the example of plumbum and mercury mixtures. The morphology of revealed anomalous zones is defined; their centers and peripheral areas are characterized; their sizes are established. It is noted that the contours of geochemical anomalies are connected with the physiographic particularities of the given territory, i.e. with the unique location of mezorelief forms, the prevailing wind directions versus seasons of the year and the predominance of unfavorable meteorological conditions. The necessity for the joint application of several GIS-technologies is emphasized.
Keywords: contamination, meteorological factors, snow cover, spatial structure, monitoring.
Галеева Эльвира Миассаровна,
кандидат географических наук, доцент кафедры
гидрологии и геоэкологии
Хасанова Эльвира Ильнуровна, магистрант
ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный ун 450076, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32 E-mail: [email protected]
Хафизова Ирина Альвертовна, эколог
ООО «Башминералресурс»
450071, Россия, г. Уфа, ул. Менделеева, 217-А
E-mail: [email protected]
Galeeva E.M.,
Candidate of Geography, Associate Professor of Department of Hydrolodgy and Geoecology
Khasanova E.I., master degree student
Bashkir State University,
Zaki Validi st., 32, Ufa, Russia, 450076
E-mail: [email protected]
Khafizova I.A., ecologist Bashmineralresource Ltd. company Mendeleev st., 217-A, Ufa, Russia, 450071 E-mail: [email protected]
