Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические предпосылки использования снежного покрова в качестве основы для прогнозирования состояния загрязнения объектов окружающей среды 6
1.1. Общие сведения 6
1.1.1. Снежный покров как индикатор загрязнения объектов окружающей природной среды 6
1.1.2. Характеристика процессов загрязнения снежного покрова 10
1.1.3. Химический состав снежного покрова на территории России и сопредельных государств 15
1.2. Использование снежного покрова для определения уровней загрязнения сопутствующих сред и решения ряда геофизических задач 18
1.2.1. Оценка загрязнения атмосферы 19
1.2.2. Оценка загрязнения вод и почв 21
1.2.3. Изучение выбросов предприятий 23
1.2.4. Использование снежного покрова в качестве индикатора загрязнения природной среды в городах 24
Выводы 26
Глава 2. Природные и антропогенные факторы, определяющие состояние загряз нения объектов окружающей среды на территории бассейна Средней Волги 27
2.1. Природные факторы 29
2.2. Антропогенные факторы 31
2.2.1. Источники антропогенного загрязнения водных объектов 31
2.2.2. Источники антропогенного загрязнения воздушного бассейна, и снежного покрова 39
2.3. Состояние объектов окружающей природной среды 43
2.3.1. Водные объекты 43
2.3.1.1 Особенности химического состава воды рек. 45
2.3.1.2. Динамика состояния загрязнения водных объектов за период 1991 -2000г.г 48
2.3.2. Воздушный бассейн 57
2.3.3. Снежный покров 64
Выводы 64
Глава 3. Результаты обследования загрязнения снежного покрова г. Самары и их использование для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в различных районах города 66
3.1. Краткая характеристика города 66
3.2. Методика и объём обследования 66
3.3. Результаты обследования 69
3.4. Использование показателей химического состава снежного покрова г. Самары для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в различных районах города 100
3.4.1. Зависимость между концентрациями загрязняющих веществ в снежном покрове и атмосферном воздухе 100
3.4.2. Зависимость между среднезимними и среднегодовыми концентрациями загрязняющих веществ в атмосферном воздухе 117
Выводы 130
Глава 4. Оценка влияния снежного покрова на качество воды водных объектов бассейна Средней Волги 132
Выводы151
Глава 5. Актуальность исследований загрязнения снежного покрова городов для целей градостроительства 152
Выводы 155
«ї\гіава 6. Использование результатов работы в качестве основы для оптимизации и развития системы монитороинга загрязнения окружающей природной среды на примере г. Самары 156
6.1. Характеристика действующей в г. Самаре системы мониторинга загряз нения окружающей природной среды 156
6.1.1. Атмосферный воздух 156
6.1.2. Водные объекты 160
6.1.3. Снежный и почвенный покров 162
6.2. Основные принципы оптимизации системы мониторинга загрязнения окружающей среды 162
6.3. Направления оптимизации и развития системы мониторинга загрязнения окружающей природной среды г. Самары 164
Выводы 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 175
Список литературы 176
Приложение 1 184
- Химический состав снежного покрова на территории России и сопредельных государств
- Состояние объектов окружающей природной среды
- Использование показателей химического состава снежного покрова г. Самары для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в различных районах города
Введение к работе
Требования к экологическим параметрам окружающей природной среды предусматривают развитие наблюдений за состоянием загрязнения её отдельных объектов. Деятельность систем мониторинга, как правило, достаточно дорогостояща, что не позволяет охватить наблюдениями все необходимые территории регионов, районы городов. Дефицит экологической информации постоянно ощущается специалистами при оценке экологической обстановки, проведении экологических экспертиз, прогнозировании изменения экологической обстановки, разработки генпланов городов и решении других градостроительных задач, которые предусматривают рассмотрение вопросов экологического блока.
Поэтому в настоящее время актуальны поиски подходов к получению информации о состоянии загрязнения тех или иных объектов окружающей среды косвенным путём, используя результаты наблюдения за состоянием смежных сред, аналитические и модельные расчёты. Многочисленными исследованиями доказано, что универсальным для подобных оценок является снежный покров, информацию о качественном составе которого можно вполне корректно использовать для оценки качества атмосферного воздуха и отдельных компонентов качественного состава водных объектов и почв.
В настоящей работе приведён обзор литературных данных по этому вопросу.
В качестве объекта для практической разработки вопроса взята территория бассейна Средней Волги. В главе 2 дана характеристика природных и антропогенных факторов, определяющих состояние загрязнения окружающей природой среды на этой территории, а также приведена характеристика состояния загрязнения отдельных объектов окружающей природной среды. Использование снежного покрова для оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха и оптимизации системы мониторинга загрязнения окружающей природной среды проработано на примере г. Самары.
Научная новизна работы заключается в разработке связей между уровнями загрязнения снежного покрова и рядом параметров других объектов природной среды: водными объектами и атмосферным воздухом, а также в определении подхода к оценке степени влияния снеготаяния в районе города на качество водных объектов, принимающих талые воды.
В работе использованы результаты наблюдений, расчётов и обобщений Центра мониторинга загрязнения окружающей среды Приволжского управления по гидрометеорологии и мониторингу загрязнения окружающей среды Росгидромета, сотрудникам которого автор выражает глубокую благодарность.
Работа состоит из шести глав, введения и заключения.
Химический состав снежного покрова на территории России и сопредельных государств
Химический состав снежного покрова рассмотрен в ряде работ, например, в [18, 19, 20 ]. Преобладающим по значению концентрации ингредиентов в снежном покрове центральных частей материков является гидрокарбонатныи ион НСОз", а в приморских районах ион хлора С1 [18]. В порядке убывания концентрации в снежном покрове для степной, лесостепной и лесной зон Русской равнины, Казахстана и Сибири можно записать НСОз 8042" СГ, реже S042 HC03 СГ; Ca2+ Mq2+ или Na++K Ca2+ Mq2+. В районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию местных промышленных источников и воздействию дальнего переноса серосодержащих и азотных соединений, отмечаются повышенные концентрации Н+, S042", Шз\ NH4+ в снежном покрове. Последние образуются при растворении в атмосферных осадках серной и азотной кислот. Ион аммония NHt+ возникает вследствие нейтрализующего влияния аммиака, присутствующего в атмосферном воздухе.
Содержание микроэлементов в снеге и их выпадения колеблются в очень широком диапазоне, главным образом, в зависимости от степени антропогенного влияния (см. табл. 3).
Из таблицы видно, что по сравнению с городами с ограниченной местной промышленностью в крупных промышленных центрах средние суточные выпадения меди и никеля возрастают в несколько сот раз, цинка, железа, марганца, кадмия и хрома - в несколько десятков раз. Микроэлементы в снеге находятся в твердой (условно нерастворимой фракции) и жидкой (водно - растворимой фракции) фазах. Процент содержания микроэлементов в водно-растворимой фракции зависит от места отбора пробы, химического состава осадков, природы элемента. Например, согласно [30], на окраине Москвы содержание микроэлементов в указанной фракции выше, чем в городе. В твердой фазе микроэлементы обнаружены в обменной, подвижной, кислотно-растворимой и труднорастворимой формах. В городском снеге большинство изученных элементов находятся в труднорастворимой форме (73-92%). По подвижности из твердой фазы (сумма обменных и подвижных форм) для пробы снега, отобранной в г.Москве, имеет место: Cu Hg Cr SoAu Ba La Ce Co Sb Fe. Часть микроэлементов в твердой фазе связаны с различными органическими соединениями неспецифической природы (низкомолекулярные кислоты, аминокислоты, полисахариды и т.д.). С ними могут быть связаны до 33% железа и кобальта, 46% меди, 50% скандия, 70% сурьмы, 74% ртути и 96% золота [ 20 ].
В твёрдой фазе снега обнаружены магнетит, различные гидросиликаты, а в аэрозольной пыли - оксиды железа, кремнезём, хлорит, слюды, вермикулит, каолинит, что связано с обменными реакциями между элементами в осадках [20]. В прибрежных районах велик вклад морских солей.
Концентрации пылевых частиц в снеге возрастают в промышленных районах [ 74 ], загрязнение этими частицами приводит к снижению альбедо снега.
Загрязнение снежного покрова происходит также за счёт выпадений радиоактивных продуктов естественного и искусственного происхождения, хлорорганических пестицидов, полициклических ароматических углеводородов и др.. Эти процессы рассмотрены в работе [19]. Процессы изменения концентраций загрязняющих веществ при таянии снега в период оттепелей и весеннего снеготаяния проанализированы в работе [ 75 ], вопросы закислення снежного покрова — в [10,76,77 ].
Результаты наблюдений за сульфатным загрязнением территории бывшего СССР изложены в работах [ 21. 22 ], анализ этих результатов, выполненный в работе [9], свидетельствует о том, что на европейской территории проявляется существенное влияние местных промышленных источников и трансграничного переноса, на азиатской территории загрязнение определяется, в основном, глобальным фоном сульфатов, обусловленным как антропогенными, так и естественными источниками. На картах концентрации, выпадений и, частично, запаса сульфатов в снеге повышенными уровнями выделяются поля, связанные с промышленными районами. В европейской части это районы Санкт-Петербурга и Прибалтики, частично Белоруссии, Украины, Донбасса, Урала, в азиатской части - районы Норильска, юга Сибири. Сильное влияние промышленных районов, в основном, прослеживается на расстояниях 200-500км.
На карте интенсивности выпадений четко выделяется влияние засушливых степей, полупустьгаь и пустынь Средней Азии на темп вьшадения сульфатов в Северном Казахстане и на юге Сибири, где естественный фон до двух раз и более превышает фон основной части азиатской территории.
Карты, построенные для разных лет, могут заметно отличаться друг от друга, что связано с различным количеством осадков, испарением и таянием снега во время оттепелей, условиями крупномасштабной циркуляции атмосферы.
Знание пространственного распределения позволяет рассчитать их количество в отдельных регионах, в частности, в речных бассейнах для оценки загрязнения речных вод в период весеннего половодья.
По картам концентрации сульфатов в работе [9] была дана оценка концентрации серы в атмосфере. Пересчёт производился по соотношению где Са - концентрация серы в воздухе в мкг/м3; Ссн. - концентрация сульфатов в снежном покрове в мг/л; v - пересчётный коэффициент.
Значения v были определены для ряда районов бывшего СССР, анализ полученных результатов позволил для всей территории бывшего СССР принять v=2. В результате расчёта по формуле (1.7) были определены средние концентрации серы в атмосферном воздухе различных территории, представленные в таблице 4.
Состояние объектов окружающей природной среды
Речная сеть по территории распределена неравномерно, что тесно связано с особенностями рельефа и геологического строения, а также с широтным изменением климата.
Главная водная артерия территории - р.Волга, на которой созданы Куйбышевское и Саратовское водохранилища, являющиеся водоёмами речного типа. Водоёмы представляют собой как бы расширенные участки Волги и устьевых частей её притоков. Площадь зеркала водохранилищ при нормальном подпорном горизонте (Hi 11) составляет, соответственно 6450 и 1831 кв.км. Через створ Куйбышевского гидроузла проходит почти 97% волжского стока. Гидроузел перераспределяет естественный речной сток , задерживая воду в половодье и отдавая накопленные запасы её в период межени. Ёмкость Куйбышевского вдхр. при НГТГ равна 58 куб.км, что относит водоём к водохранилищам сезонного регулирования, длина распространения подпора по р. Волге 650 км, по р.Каме - 350 км, наибольшая ширина водохранилища - 27 км.
Саратовское водохранилище имеет ёмкость при НГТГ 12,9 куб.км, длину распространения подпора от плотины 357 км, наибольшую ширину 25 км. Основное назначение гидроузла - пропуск сбрасываемой из Куйбышевского водохранилища воды и выработка электроэнергии, существенного регулирования стока не производится.
Кроме Волги на описываемой территории протекает около 1000 водотоков длиной от 10 км и более.
Наиболее густой сетью характеризуется бассейн Куйбышевского водохранилища. Здесь насчитывается 6558 водотоков (из них 6005 длиной менее 10 км); их суммарная длина составляет 29107 км, густота речной сети - 0,29 км/кв.км. Наиболее крупным правобережным притоком является р.Свияга, площадь водосбора которой составляет 16700 кв.км, левобережным - р.Болыпой Черемшан с площадью водосбора 11500 кв.км. Большинство рек с площадью водосбора более 1000 кв.км имеют сток в течение всего года.
В бассейне Саратовского водохранилища густота речной сети несколько уменьшается (до 0,22 км/кв.км), главным образом, за счёт территорий, расположенных к югу от р.Самары, где водотоки сравнительно редки и маловодны. Самым крупным притоком водохранилища является р.Самара, площадь водосбора которой составляет 46500 кв.км , с довольно густой и разветвлённой сетью притоков, особенно правобережных. В бассейне Саратовского водохранилища многие даже сравнительно крупные (с площадью водосбора более 1000 кв.км) реки в летнюю межень на отдельных участках пересыхают. Отдельные малые водотоки зимой промерзают.
Все реки района получают, преимущественно, снеговое питание, поэтому для них характерно крайне неравномерное распределение стока в течение года. Подавляющая часть годового стока (от 50 до 97%) проходит в весенний период, при снеготаянии. Половодье сменяется устойчивой меженью, в период которой основным источником питания являются грунтовые воды. Межень продолжается с июня по февраль следующего года. В это время большинство водотоков в бассейне Саратовского водохранилища, а также отдельные реки с малыми площадями водосборов в более северных районах почти на всём протяжении пересыхают. Величина речного стока в летне-осенний период на непересыхающих водотоках составляет по правобережью Волги и в бассейнах рек левобережья, впадающих в Куйбышев 45
ское водохранилище, от 10 до 35 % годового объёма, в бассейне р. Самары от 5 до 25%, в более южных районах - менее 10%. Самым маловодным является зимний сезон, на долю которого приходится повсеместно не более 10% годового объёма. Изредка (в среднем, 1 раз в 10-15 лет) в период зимних оттепелей на реках проходят зимние паводки, значительно повышающие сток зимней межени. Летние дождевые паводки, отличающиеся значительными расходами воды, превышающими весенние максимумы, наблюдаются очень редко. Природный химический состав воды и режим его основных показателей формируется под воздействием общегеографических факторов, рассмотренных в предыдущих разделах главы. К числу наиболее влиятельных условий следует отнести факторы, непосредственно воздействующие на воду: состав пород, подстилающих почву, и состав почв, с которыми соприкасаются воды реки. Немаловажное значение для формирования химического состава воды имеют климат, растительный покров и условия водного питания.
Основными характеристиками природного качества воды служат величины общей минерализации (сумма главных ионов) и ионный состав, определяемый относительным содержанием важнейших анионов и катионов, величина жёсткости, концентрации биогенных веществ (соединения азота, фосфора, железа) и относительный показатель содержания органических веществ.
Неоднородность геологического строения и, прежде всего, значительная закарстован-ность водосборов обуславливает пестроту в минерализации и химическом составе поверхностных вод.
Правобережье р.Волги (водосборы рек Свияги и Сызрани) в силу геологического строения обуславливает гидрокарбонатный характер воды с преобладанием ионов кальция в катионном составе. Сильно минерализована вода р. Свияги и ряда её притоков за счёт распространения в её среднем и нижнем течении пермских глин, гипсов, доломитизированных известняков. Высокими значениями минерализации и жёсткости в меженный период отличаются воды рек на водосборах Казанки и Меши за счёт обнажений карстующихся пород. Распространённые в бассейне р.Шешмы доломиты, ангидриты, гипсы пермского периода обуславливают некоторое разнообразие химического состава и повышенную минерализацию речных вод этого района. Несколько повышенная минерализация меженных вод на водосборах р. р. Большой и Малый Черемшан связана с тем, что в верхнем течении эти реки прорезают песчано-глинисто-мергелистую толщу татарского яруса верхней перми. В анионном составе высокоминерализованной воды р. Сок преобладают сульфаты в связи с распространением на поверхности водосбора карста, обусловленного выщелачиванием гипсов. Пестрота в катионном составе речных вод верховьев р. Самары и её правобережных притоков, в том числе, преобладание магниевых вод объясняется развитием на водосборе доломитов и доломитизированных известняков. Выходы и близкое к поверхности залегание карбонатных пород обуславливают и повышенную минерализацию рек на водосборах р.р.Большой Кинель, Бузулак, Чапаевка, Чагра, Малый Иргиз. Высокая минерализация р.Болыпой Иргиз определяется следующими причинами: во-первых, растворением солей, слагающих соляные купола, которые включают магнезиальные соли, поваренную соль, гипс и ангидрит пермского периода, в результате чего в воде реки повышено содержание хлоридов и ионов натрия и калия, во-вторых, выходом на дневную поверхность каменноугольных известняков и преобладанием в нижнем течении реки сыртовых глин и суглинков. Формированию высокой минерализации воды в реках степной части Заволжья в межень способствует также засушливостьклимата.
Использование показателей химического состава снежного покрова г. Самары для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в различных районах города
В ходе выполнения настоящей работы были проанализированы результаты наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха в 10 пунктах наблюдений (ПНЗ), расположенных в различных районах города. Из всего массива данных были выбраны данные за зимний период, соответствующие годам проведения снегомерных съёмок. По отобранной выборке были рассчитаны средние за период залегания снежного покрова концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (см. табл. 29), ряды которых сопоставлены с рядами концентраций загрязняющих веществ в снежном покрове на конец зимнего периода (см. табл. 30) с учётом территориального соответствия пунктов наблюдений за загрязнением воздуха и снежного покрова (см. табл. 28). При этом были сопоставлены следующие пары веществ:Между рядами концентраций были рассчитаны парные коэффициенты корреляции, которые составили от 0,91 до - 0,17, при этом значимыми считались связи с коэффициентом корреляции более 0,50. Таковыми оказались зависимости между всеми приведёнными выше веществами, кроме фенола (к = - 0,21) и пары взвешенные вещества - сумма тяжёлых металлов (к = - 0,17).
Отсутствие значимых связей между содержанием фенола в снеге и воздухе связано с издержками методик химического определения фенола: в снеге определяются его летучие фракции, в воздухе - суммарные фенолы.
Отсутствие выраженной связи между содержанием взвешенных веществ в воздухе и суммарным содержанием тяжёлых металлов в снежном покрове обусловлено преобладанием в снежном покрове нерастворимых форм тяжёлых металлов.
Результатом статистической обработки рядов явились линии трендов, описанные линейными уравнениями (см. рис. 20). Линейная зависимость выбрана по причине большего удобства использования в практике работы, а также исходя из преимущественного характера расположения точек.
Результаты обработки приведены в таблицах 31 - 33.
В ходе статистической обработки рассчитаны следующие характеристики:
- среднее значение ряда X;
- медиана ряда Хмед.;
- максимальное значение ряда Хмакс; минимальное значение ряда Хмин;
- среднее квадратическое отклонение 5\
- дисперсия D; коэффициент вариации Су; коэффициент корреляции К, Кь
- стандартная ошибка аппроксимации ву(х)5
- достоверность аппроксимации R2;
- вероятность ошибки аппроксимации Е; число членов ряда п.
Следует заметить, что длина большинства рядов мала: только для соединений серы и азота представилась возможность составить ряды из 45 величин, для ряда «взвешенные вещества - суммы тяжёлых металлов» - 36 величин, длина прочих рядов составляет от 9 до 18 величин. Однако, объём наблюдений на настоящий момент не позволяет увеличить объёмы выборок. Именно поэтому автор не считает возможным распространение полученных зависимостей на другие города и, получив принципиальное подтверждение наличия функциональной связи между содержанием веществ в атмосферном воздухе и снежном покрове, надеется на уточнение коэффициентов линейной регрессии в процессе получения новых экспериментальных данных.
Таким образом, используя установленные зависимости содержания веществ в снежном покрове и воздухе, можно оценить степень загрязнения одной среды по результатам наблюдения за состоянием другой. Это имеет смысл по следующим причинам: наблюдениями за состоянием загрязнения воздуха охвачены не все районы города; - снегосъёмкой затруднительно охватывать ежегодно всю городскую территорию.
