Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Биомониторинг урбанизированной территории (обзор литературы) 11
1.1. Автодорожный комплекс - как источник загрязнения придорожных территорий городских улиц 11
1.2. Система «автомобиль - автомобильная дорога» - источник выделения пылевого аэрозоля 17
1.3. Загрязнение почв придорожных территорий тяжелыми металлами- 19
1.4. Влияние тяжелых металлов автотранспортного происхождения на растения, животных и человека 26
Глава 2. Материалы и методы исследования 35
2.1. Системный подход к оценке и управлению нагрузками в средах придорожной зоны промышленного города 35
2.2. Характеристика рельефа и климата географической среды г. Оренбурга 39
2.3. Характеристика городской среды г.Оренбурга 43
2.4. Характеристика техногенной среды г.Оренбурга 48
2.5. Характеристика биогеоценоза придорожной зоны 56
2.6. Методы исследования, применяемыев работе 61
2.6.1- Выбор улиц и веществ - загрязнителей природных сред 61
2.6.2. Выбор мест отбора проб почв и растений - индикаторов 63
2.6.3. Выбор методов анализа тяжелых металлов 66
Глава 3. Оценка воздействий техногенной среды на квазиприродную в пределах городской улицы 69
3.1. Методический подход к прогностической оценке воздействия техногенной среды на квазиприродную 69
3.2 Оценка экологических нагрузок на придорожные биоценозы урбанизированных территорий 78
3.3. Оценка степени загрязнения придорожной территории по экологическим нагрузкам взвешенных частиц 95
3.4. Оценка степени загрязнения придорожной территории тяжелыми металлами 100
3.4.1. Химическая оценка степени загрязнения придорожной территории 100
3.4.2. Экологическая оценка воздействия тяжелых металлов на придорожные территории 105
Глава 4. Характеристика биогеоценозов придорожной зоны урбанизированной территории 113
4.1. Методический подход к оценке экологического благополучия биогеоценоза придорожной зоны 113
4.2. Оценка степени загрязнения почв придорожных территорий улиц промышленного города 117
4.3. Исследование процессов накопления и распределения тяжелых металлов в растениях придорожной территории 127
4.4. Морфологический анализ растений придорожных территорий 141
4.5. Оценка качества придорожной территории по биогеохимическому показателю 146
4.6. Сравнение комплексных показателей качества придорожных территорий улиц и перекрестков 149
4.7. Факторы, влияющие на параметры улицы 152
4.8. Сравнительная оценка размеров улицы по экологическому состоянию территории 154
Заключение 165
Выводы по работе 173
Список использованной литературы 175
- Автодорожный комплекс - как источник загрязнения придорожных территорий городских улиц
- Системный подход к оценке и управлению нагрузками в средах придорожной зоны промышленного города
- Методический подход к прогностической оценке воздействия техногенной среды на квазиприродную
Введение к работе
Потребность общества в доставке грузов и пассажиров «от двери до двери» побудил широкое использование продукта научно-технического прогресса — автомобиля. Автомобиль находится в самом тесном контакте с человеком во всех областях его деятельности и как транспортное средство объективно необходим в современном обществе- Однако его экологическая опасность все больше осложняет его «сосуществование» с человеком.
Интенсивное развитие автомобилизации способствует
значительному по своим последствиям загрязнению воздуха
отработавшими газами, особенно опасными в городах, промышленных центрах и на территориях прохождения путей сообщения. В настоящее время автомобильный транспорт оказывает значительное влияние на формирование санитарных условий крупных городов и населенных пунктов.
В процессе функционирования автомобильный транспорт выделяет с отработавшими газами токсичные вещества, создает высокие уровни шума, загрязняет почвы и водоемы в результате смыва и проливов горючесмазочных материалов, способствует образованию пыли и других вредных веществ, оказывающих неблагоприятное воздействие на человека, растительный и животный мир.
Опасное воздействие отработавших газов автомобилей увеличивается вследствие того, что их вредные компоненты выбрасываются непосредственно в атмосферу на заселенных территориях, где естественный обмен воздуха ограничен из-за плотной застройки.
Поэтому разработка средств контроля и управления загрязнением природных сред на урбанизированной территории токсичными
веществами, выделяемыми автомобильным транспортом, является в настоящее время одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством.
Цель исследования. Оценка экологического благополучия урбанизированной территории по содержанию тяжелых металлов в квазиприродных средах городских улиц. Задачи исследования.
Провести комплексный анализ, состояния придорожных территорий улиц города Оренбурга, и разработать методы их оценки.
Разработать системный подход к оценке экологического благополучия урбанизированной территории,
Оценить эффективность предлагаемого системного подхода по оценке экологического благополучия урбанизированной территории на примере г. Оренбурга.
Обосновать и разработать рекомендации по управлению параметрами улицы.
Научная новизна.
Впервые научно обоснована и предложена модель улицы промышленного города состоящая из трех компонентов. Первый компонент «автомобиль — автодорога», выступающий типичным представителем производственной среды и генерирующий примесь, входящую во второй компонент «атмосферу улицы». Между автомобильной дорогой и линией застройки располагается третий компонент улицы - придорожная зона. Данная модель позволяет провести комплексную оценку качества придорожных территорий выступающих в роли квазиприродной среды. Разработана методика расчета экологических нагрузок загрязняющих веществ оказываемых на придорожную территорию. Проведена комплексная оценка придорожных территорий и
их ранжирование по критериям определяющим экологическую ситуацию. Впервые на основе предложенной модели проведен прогноз качества придорожных территорий улиц города Оренбурга.
Впервые предложен методический подход позволяющий оценить экологическое благополучие территории по состоянию биогеоценоза.
Разработан комплекс организационных решений снижающих экологические нагрузки загрязняющих веществ на придорожные территории улиц промышленного города.
Научно-практическая ценность.
Впервые показана особенность экологического состояния,
территорий придорожных зон улиц города Оренбурга, в различные периоды года.
Установлено, что оценку экологического благополучия территории следует проводить по экотоксикологическому показателю качества почв для металлов первого класса опасности, который выявляет наиболее неблагополучную ситуацию в придорожной зоне.
Разработан методический подход позволяющий проводить прогностическую оценку качества придорожных территорий для любой улицы промышленного города.
Положения выносимые на защиту.
Экосистема «улица промышленного города» представлена в виде модели состоящей из трех компонентов: компонент «автомобиль — автодорога» выступающий в качестве источника выбросов многих примесей во второй компонент «атмосферу улицы». Между автомобильной дорогой и линией застройки располагается третий компонент - придорожная зона поглощающая примесь, выделяемую первым компонентом и рассеиваемую вторым компонентом.
Предложен алгоритм расчета экологической нагрузки загрязняющих веществ и методический подход оценки экологического благополучия
придорожной зоны по состоянию растительного биогеоценоза территории для управления параметрами улиц промышленного города.
Апробация работы.
Результаты работы доложены и обсуждены на: региональной научно-практической конференции, посвященной 25-летию кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» КГУ (Курган 2000); на VI международной научно-практической конференции «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия» (Пенза 2002); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в транспортных системах» (Оренбург 2001).
Материалы работ были представлены в 2002 году на областной конкурс научных работ молодых ученых и специалистов (диплом лауреата конкурса).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Объем и структура диссертационной работы.
Диссертация изложена на 185 страницах машинописного текста и включает принятые сокращения, введение, обзор литературы, главу по материалам и методам исследований, две главы собственных исследований, заключение, выводы, приложение, указатель литературы который содержит 98 отечественных и 6 зарубежных источников литературы. Текст иллюстрирован 43 таблицами и 20 рисунками.
Связь работы с научными программами.
Диссертационные исследования использованы Государственным комитетом по охране окружающей среды Оренбургской области при разработке плана выполнения научно-исследовательской работы по теме «Разработка способов борьбы с пыле- и газо-выделением автомобильным транспортом на улицах промышленного города и природоохранных
мероприятий по защите атмосферы и почв придорожных территорий в промышленных центрах Оренбуржья (акт внедрения от 15.01.2004г,).
Результаты исследований использованы в Оренбургском Государственном Университете при чтении лекций и постановке практикумов по курсам «Химия окружающей среды», «Производственный экологический контроль» и «Экологический мониторинг» для студентов специальности 320700 - «охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (акт внедрения от 22.01.2004г.). В Оренбургском Государственном Педагогическом Университете при чтении лекций и постановке практикумов по курсам «Химия окружающей среды» и «Химическая технология» (акт внедрения от 02.02,2004п)-
Диссертация выполнена в рамках федеральных целевых программ «Оздоровление экологической обстановки и населения Оренбургской области в 1996 - 2000 годах» и «Экология. Природные ресурсы России» (на 2002-2010г.) по теме «Разработка способов борьбы с пыле-газовыделением автомобильным транспортом на улицах промышленного города» (№ ГР 870315871709).
Автодорожный комплекс - как источник загрязнения придорожных территорий городских улиц
Проблема загрязнения атмосферного воздуха продолжает оставаться актуальной- Развитие урбанизации, рост промышленных объектов и постоянное увеличение плотности городского транспорта сопровождается рядом негативных явлений и прежде всего чрезмерным скоплением в атмосфере различных газо- и пылеобразных загрязнений, что в крупных промышленных городах приводит к необратимым разрушениям окружающего ландшафта и биосферы в целом.
Транспорт - один из основных источников загрязнения атмосферного воздуха. Автомобиль выбрасывает в атмосферу более 200 наименований различных химических соединений, среди которых основную долю вредных выбросов составляют оксид углерода, оксиды азота, твердые вещества. Наряду с вышеперечисленными веществами, наибольшую опасность для людей также представляют компоненты отработанных газов, как оксиды серы, альдегиды (формальдегид), сажа, бенз(а)пирен и соединения тяжелых металлов. Особую опасность для окружающей среды автотранспорт создает тем, что выброс загрязняющих веществ осуществляется в приземном слое воздуха на небольшой высоте (менее 1 м), а главное эти выбросы невозможно вывести за пределы зоны дыхания людей, что приводит к ряду заболеваний, таких как хронический бронхит, различные аллергические проявления, рак легких и многие другие [I, 3, И, 29, 38,58]. Суммарное воздействие техногенной системы «автотранспорт автодорога» формирует в придорожных экосистемах взаимосвязанные изменения нескольких групп факторов: геохимических, технологических и биотических. Уже при строительстве дорог наблюдается серьезное повреждение экосистемы [60, 67]. В ходе дорожного строительства почвенный покров претерпевает существенные изменения. Бульдозерами и скреперами снимается верхний гумусовый слой мощностью порядка тридцати сантиметров, что обусловлено строительными нормами и правилами, затем отсыпается из подстилающих грунтов дорожное полотно, В результате неоднократного воздействия дорожной техники почва значительно перемешивается с подстилающими породами» уплотняется, в отдельных случаях загрязняется строительными, горюче-смазочными и иными материалами. Так как, нарушенные дорожным строительством почвы характеризуются меньшей мощностью профиля гумусового слоя, это придает им сходство с эродированными.
Продукты сгорания топлива и другие загрязнители, попадающие в придорожную зону, связываются живыми организмами почвы, воды, наземных фитоценозов, а также вступают в химические реакции между собой. Вовлекаясь в метаболизм отдельных компонентов биоценозов и в трофические связи, химические элементы- загрязнители способствуют возникновению многочисленных нарушений на всех уровнях организации живых организмов: физиолого-биохимических процессов, генетического аппарата, изменению хода основных жизненных процессов.
В первую очередь, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, видовое разнообразие, интенсивность основных микробиологических процессов, активность почвенных ферментов и т.д. Кроме того, токсичные выбросы способны изменять и более консервативные признаки почв, такие как гумусовое состояние, структура, рН среды и другие. Все это ведет к частичной, а в некоторых случаях к полной утрате плодородия почв.
Воздействие отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на растительность обусловлено попаданием вредных веществ, как на поверхность растений, так и в клетки (с почвенными водами). Особенно растения чувствительны к оксидам серы, оксидам азота, а также соединениям оксидов азота с углеводородами.
Наиболее опасной для лесов и зеленых массивов является двуокись серы, разрушающая хлорофилл- Исследованиями установлено, что при длительном воздействии SO2 » даже при ее концентрации в воздухе порядка 0,015 -0,035 мг/м3 , потери в приросте древесной массы хвойных деревьев составляет около 20%- Предельной концентрацией SO2 для многих возделываемых растений является ее средняя концентрация, равная 0,14мг/м3. Установлено также [12, 29], что концентрация S02 , составляющая в летнее время 0,08-0,10 мг/м3, а в осеннее и зимнее время 0,20 мг/м3, способствует постепенной гибели деревьев- Приведенные данные свидетельствуют о том, что растения чувствительны даже к очень малым концентрациям SO2 в воздухе- Отсюда возникает обоснованное опасение, что при возрастании интенсивности движения автомобилей и соответствующих атмосферных условиях под воздействием отработавших газов может быть нанесен серьезный вред растениям, особенно чувствительным к SO2
Системный подход к оценке и управлению нагрузками в средах придорожной зоны промышленного города
Город в данной работе рассмотрен в качестве единой материальной системы, т.е. совокупности объектов, объединенных некоторой формой реального взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции. Все многообразие связей в городе можно представить в виде природной, социальной и технической иерархий.
Объединение систем из разных иерархий приводит нас к смешанным системам. В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что живые системы при физико-химическом единстве всего живого характеризуются наиболее разнообразными, разветвленными и интенсивными взаимными переходами веществ, энергии и информации.
Густая и динамичная сеть связей характерна и для человеческого общества. Особенно ярко она проявляется в городе. Человек создал город, свою экосистему, в соответствии со своими потребностями. В этой системе он» человек, является первым системообразующим звеном, а другим-выступает природная (географическая) среда (рис, 1). Их взаимодействие формирует городскую территорию и специфическую природно-антропогенную среду - городскую среду.
Важным элементом городской среды является земная поверхность с присущей ей рельефом, то есть границей между атмосферой и литосферой. Рельеф выступает местом обитания растительного и животного мира, а также человека. Рельеф оказывает влияние на формирование структуры городской экосистемы:
- на строительство коммуникаций;
- на санитарно-гигиенические условия, влияя на распределение и концентрацию загрязнителей по территории города с воздушными и водными потоками;
- на здоровье населения.
Городская среда, на наш взгляд, является не просто гомогенным целым. Она представляет собой густую сеть взаимопроникающих пространств, организованных по неписаному, но строго соблюдаемому закону, который действует на всех уровнях развития общества. Для упрощения системы нами выделяются элементарные непрерывные пространства, важные для горожанина (системообразующего элемента): дом, улица, площадь и более сложные дискретные пространства: социальная и промышленная инфраструктуры, рекреационная территория и т. д. Перечисленные компоненты составляют ландшафтно-архитектурную основу городской среды- И так, город изначально является поселением, имеющим физические границы. Совокупность условий, в которых живут современные люди в городе, намного шире обычного понимания экономической среды. Окружающая человека среда, кроме факторов общей для всех наземных животных природной среды, включает еще созданную самим человеком материальную и социальную среды.
Методический подход к прогностической оценке воздействия техногенной среды на квазиприродную
Поэтому при рассмотрении экосистемы «улица промышленного города» требуется изучение ряда процессов, происходящих на ней:
- оценки подсистемы «автомобиль - автодорога» в качестве источника выбросов многих примесей в атмосферу улицы;
- исследования процессов распространения и осаждения примеси осадками из атмосферы улицы;
- интегральной и дифференциальной оценки воздействия многих примесей на третью подсистему - придорожную зону улицы.
Процессы генерирования и переноса примесей первой и второй подсистемами были изучены ранее (Антонова О.В., Тамошина). Поэтому данная работа посвящается определению экологических нагрузок на почвы, создаваемых атмосферой улицы и формирующихся в основном под действием автомобильного транспорта.
Известно (гл. 2), что загрязняющие вещества в пределах линии застройки распространяются и накапливаются во всех компонентах биосферы (воздухе, воде, почвах, растениях, животных и человеке). Причем химические элементы и их соединения, обладая определенной подвижностью, устойчивостью, способностью к концентрированию и рассеиванию в различных по кислотности средах, мигрируют в окружающей среде и воздействуют на биоту в целом (флору и фауну). Оценка последствий промышленно - транспортных воздействий на биоту включает исследование механизмов распространения загрязнителей в окружающей среде, а также миграции в экосистемах (по пищевым цепям). Представленная система является слишком сложной, чтобы можно было отследить в ней все виды взаимодействия, поэтому представим ее в виде упрощенной модели.
Нами смоделирована улица промышленного города, выступающая в качестве аккумулирующей среды. Причем, в системе на равных взаимодействуют следующие объекты: дорожно - транспортный комплекс (источник выбросов), приземный слой атмосферы (рассеивающая среда), осадки (поглощающая среда) и территория (почвенный покров, - аккумулирующая среда) причем, в системе один объект генерирует примеси с определенной скоростью (M=m/t), а другие их переносят (воздух, осадки), поглощают и аккумулируют. Рассмотрим сначала основные объекты, входящие в систему УПГ — это территория улицы, приземный слой атмосферы и примесь. Учитывая, что элементы исследуемой нами системы взаимосвязаны потоком вещества и энергии, примем ее в качестве динамической системы, - открытой и неустойчивой. Под территорией улицы будем понимать ее размеры, охватывающие площадь между линиями застройки по всей длине улицы, то есть ее техническую и псевдоприродную емкость, а также принадлежность к определенной природно-климатической зоне, географической провинции и типу ландшафта. Причем, территория в системе «УПГ» будет рассматриватся одновременно с двух позиций: с одной стороны, она через автотранспорт выступает в качестве источника примесей в приземный слой атмосферы (Антонова), с другой - играет роль приемника загрязняющих веществ. При этом территория улицы рассматривается нами через принцип фрагментации ландшафта, т.е. потери экосистемами города территориальной и структурной целостности.
Примесью будем считать любое вещество, поступившее в атмосферу в виде аэрозоля от дорожно-транспортного потока. Аэрозольные частицы способны накапливаться или рассеиваться в атмосфере, оседать в случае конденсации на них паров воды и осаждаться под действием выпадающих осадков на поверхность территории.
В выделенной нами системе «УПГ» объекты тесно взаимосвязаны между собой, а для их описания предлагается системный подход, который ориентирует нас на представление улицы как единого целого, на выявлении в ней многообразных типов связей и сведение их в единую теоретическую картину. Причем, оценку взаимодействия элементов рассматриваемой нами системы можно проводить по ряду критериев, В качестве основных мы примем те, которые позволяют однозначно охарактеризовать экологическое благополучие экосистемы «улица промышленного города».
Оценку экологических нагрузок на почву через атмосферу следует проводить на наш взгляд, в первую очередь, через дифференциальные и интегральные параметры системы «улиц промышленного города» по трем разным схемам: -по абсолютной нагрузке на почву отдельной і-ой примеси (JV,);
- по абсолютной суммарной нагрузке на почву всех примесей, выделяющихся из атмосферного воздуха (iV );
- по относительной суммарной нагрузке на почву, отнесенной к фоновой нагрузке (А).
