Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова Санкт-Петербургского региона
1.1. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и их воздействие на здоровье человека 9
1.2. Состояние проблемы эколого-геохимического изучения снежного покрова 20
1.3. Мониторинг загрязнения снежного покрова в системе мониторинга окружающей среды 30
1.4. Характеристика района исследования 41
1.4.1. Природные условия Санкт-Петербургского региона 41
1.4.2. Геоэкология окружающей среды Санкт-Петербургского региона 44
Глава 2. Методы и фактические материалы исследования 57
2.1. Объекты исследования 57
2.2. Методики сбора и обработки информации 62
2.2.1. Полевые исследования 63
2.2.2. Аналитические исследования 68
2.2.3. Методы статистической обработки материалов 72
2.3. Фактические материалы исследования снежного покрова 76
2.3.1. Обоснование выбора участков исследования 76
2.3.2. Опорные участки 77
2.3.3. Радиальные маршруты 83
2.3.4. Кольцевые маршруты 108
2.4. Фактические материалы исследования почвенного покрова 115
Глава 3. Анализ распределения тяжелых металлов в снежном покрове Санкт-Петербургского региона
3.1. Использование ГИС технологий при построении картосхем распределения тяжелых металлов и создании базы данных «Геохимия окружающей среды» 121
3.2. Критерии эколого-геохимической оценки состояния объектов исследования 125
3.3. Сравнительный анализ распределения тяжелых металлов и оценка эколого-геохимического состояния снежного и почвенного покровов Санкт-Петербургского региона 130
3.3.1. Центральная часть Санкт-Петербурга (результаты мониторинга снежного и почвенного покровов) 130
3.3.2. Сестрорецкая геосистема 145
3.3.3. Санкт-Петербург и окрестности 160
Заключение 173
Список литературы 177
- Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и их воздействие на здоровье человека
- Природные условия Санкт-Петербургского региона
- Методы статистической обработки материалов
- Критерии эколого-геохимической оценки состояния объектов исследования
Введение к работе
Актуальность работы.
Выбросы вредных веществ в атмосферу в мегаполисах составляют сотни и миллионы тонн в год. Наличие коррелятивных зависимостей между содержанием многих поллютантов в атмосферном воздухе и их содержанием в снеге и, в меньшей степени, в почвах, доступных для площадного опробования, позволяет использовать эти компоненты ландшафта для экспрессной геоэкологической индикации загрязнения урбанизированных территорий.
В снежном покрове депонируются осаждающиеся из атмосферного воздуха твердые и аэрозольные частицы загрязняющих веществ. Относительная простота снежной съемки позволяет проводить масштабные площадные исследования, а геохимический анализ всей колонки снега позволяет, получить представление о динамике загрязнений сразу за весь зимний период.
Системы ведомственного мониторинга связаны в основном с изучением эмиссии загрязняющих веществ от техногенных источников, в то время как экологическая оценка окружающей среды должна быть связана с эмиссией поллютантов, т.е. их реального распределения в депонирующих средах.
Несмотря на наличие в Санкт-Петербургском регионе сети станций контроля состояния атмосферного воздуха, наблюдений за поведением тяжелых металлов ими не ведется. Тяжелые металлы оказывают самое серьезное влияние на среду обитания человека, и установление характера и динамики их поведения в атмосферном воздухе через мониторинг снежного покрова является актуальной задачей геоэкологии.
При таянии снега осуществляется транзит тяжелых металлов в водотоки и почвенный покров и таким образом, насущной задачей является контроль за накоплением тяжелых металлов, поступающих из снежного покрова, в донных осадках водоемов и почвах.
Диссертационное исследование, таким образом, посвящено актуальной проблеме — изучению состояния окружающей среды через контроль за загрязнением снежного покрова.
Объектом- исследования являются, снежный- и почвенный покровы территории Санкт-Петербургского региона.
Предмет исследования — особенности распределения тяжелых металлов, в снежном- и почвенном покровах Санкт-Петербургского региона, устанавливаемые геохимическими методами.
Целью настоящей- работы является выявление многолетней динамики загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами* в Санкт-Петербургском регионе.
Основные задачи, решаемые для*достижения>поставленной цели:
индикация состояния окружающей- среды через загрязнение снежного покрова;
определение многолетнего тренда загрязнения снежного покрова тяжелыми-металлами центра Санкт-Петербурга.
дополнение базы данных «Геохимия окружающей среды» блоком «Геохимия снежного покрова Санкт-Петербургского региона»
создание картосхем распределения тяжелых металлов в снежном покрове региона исследования.
установление влияния тяжелых металлов из снежного покрова на экологическое состояние почв.
Защищаемые положения:
1. Выявленные в ходе исследования особенности загрязнения снежного
покрова региона, указывая на статистически низкий уровень общего,
загрязнения территории, позволяют установить ряд аномалий техногенного
происхождения со значительными превышениями ПДК.
2. Программная реализация базы данных геохимического состояния
окружающей среды позволила дополнить разработанную ранее
геоинформационную систему блоком: тяжелые металлы в снежном покрове региона и на ее основе построить серию картосхем.
Созданные автором картосхемы распределения тяжелых металлов в снежном покрове отражают закономерности поведения поллютантов в атмосферном воздухе и позволяют проектировать меры по его защите.
Пространственный геоэкологический анализ снежного и почвенного покровов позволил установить между ними ряд закономерностей, отражающих, как высокую, так и крайне низкую степень корреляции загрязнений, связанных с многоаспектным влиянием антропогенеза на экологическое состояние региона.
Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области изучения атмосферы и состояния снежного покрова: Р.А.Бабаянца, Н.И.Баркова, В.Н.Василенко, В.Д.Виленского, П.П.Воронкова, В.П.Зверева, Н.Л.Линевич, А.А.Матвеева, А.З.Миклишанского, И.М.Назарова, О.П.Негробова, Е.М.Нестерова, В.А.Полякова, В.З.Рубейкина, Ю.Б.Селецкого, С.А.Синякова, Л.Г.Соколовского, В.А.Углова, Ш.Д.Фридмана, С.С.Чичерина, Э.Я.Яхнина, B.C.Scott, J.-P.Candelone, T.Doring, D.Gregurek, K.Yalcin и личные исследования и разработки автора.
Фактический материал и методы исследования. В диссертационной работе использованы авторские материалы и проанализированы данные предыдущих исследований. В основу диссертации легли результаты тематических исследований на территории Санкт-Петербурга и его окрестностей, полученные автором в течение полевых сезонов 2003-2009 гг. Фактический материал исследования обеспечивает статистически представительное количество отобранных и проанализированных проб снежного и почвенного покровов. Всего отобрано 678 проб. Отбор и подготовка проб к анализу проводились в соответствии с официально утвержденными (ГОСТ 17.1.5.05-85; ГОСТ 17.4.4.02-84; MP 5174-90; РД 52.04.186-89) и разработанными методиками. Выполнено более 8000
элементоопределений методом рентгенофлюоресцентного анализа в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А.Е. Ферсмана РГПУ им. А.И. Герцена.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей поведения тяжелых металлов в снежном и почвенном покровах Санкт-Петербургского региона. В ходе исследования дана характеристика многолетних трендов поведения тяжелых металлов в снежном покрове. Впервые для данной территории созданы картосхемы распределения тяжелых металлов в снежном и почвенном покровах центральной части Санкт-Петербурга и окрестностей города на основе оригинальной базы данных геохимического состояния окружающей среды, дополненной блоком «Геохимия снежного покрова Санкт-Петербургского региона».
Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на большом количестве исходных материалов; применении высокочувствительных методов исследования вещества, принятых в системе геоэкологических исследований; использовании новейших компьютерных технологий обработки аналитических материалов и представления результатов; анализе новейших отечественных и зарубежных публикаций по исследуемой проблематике, включая научные труды, опубликованные автором.
Теоретическая значимость исследования заключается в создании многомерной пространственно-временной модели поведения тяжелых металлов в снежном покрове Санкт-Петербургского региона.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяют прогнозировать динамику загрязнения окружающей среды Санкт-Петербурга и разрабатывать рекомендации по минимизации последствий.
Полученные данные используются проектными организациями (ОАО «Дорпроект») при проведении инженерно-экологических изысканий.
Результаты исследований используются в учебном и научном процессах РГПУ им. А.И. Герцена: включены в авторские учебные программы «Геоэкология урбанизированной среды», «Экология человека с основами
медицинской географии»; применяются при чтении лекций, проведении практических занятий, полевых геоэкологических практик для студентов факультета географии и института естествознания; являются частью программы научного развития кафедры геологии и геоэкологии по геоэкологическому мониторингу Северо-Запада России.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах. Результаты исследований представлены на V, VI и VIII Международных семинарах «Геология, геоэкология и эволюционная география» (г.Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2008 гг.); III Международной конференции «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (г.Санкт-Петербург, 2005 г.); Международной научной конференции «Геоэкологические проблемы современности» (г.Владимир, 2008 г.). Книга «Окружающая среда Санкт-Петербурга: Ресурсы» награждена дипломами: лауреата конкурса на лучшую научную книгу 2007 г., проводимого Фондом развития отечественного образования (Сочи, 2008 г.); лауреата Международного конгресса-выставки «Global Education - Образование без границ» (г.Москва, 2008 г.).
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, пяти приложений. Цитированная литература содержит 181 название. Объем работы - 172 страницы машинописного текста, включая 46 таблиц и 65 рисунков.
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и их воздействие на здоровье человека
Под загрязнением окружающей среды понимают привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов, приводящих к превышению в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня концентраций вышеперечисленных агентов в среде и, как следствие, к негативным воздействиям на людей и окружающую среду (ГОСТ 30772-2001).
Источниками загрязнения могут быть как природные (космическая пыль, вулканический пепел, эмиссия частиц с поверхности суши и океанов, растительный покров, фотохимические реакции в атмосфере, лесные пожары и др.), так и антропогенные факторы. Основными источниками антропогенного загрязнения окружающей среды являются: тепловые электростанции (27%), предприятия черной (24%) и цветной (10,5%) металлургии, нефтехимической промышленности (15,5%), строительных материалов (8,1%), химической промышленности (1,3%), автотранспорта (13,3%).
Наиболее интенсивно процесс загрязнения окружающей среды идет на урбанизированных территориях, которые занимают в настоящее время около 2% земной суши, но проживает на них половина населения Земли - порядка 3,3 млрд человек. Длительное время термин «урбанизация» означал, прежде всего, рост численности городского населения и значения городов. Современное понимание термина включает в себя и экологический аспект.
Города, особенно крупные, — это территории с глубокими антропогенными изменениями, для них характерны высокая плотность населения, плотная застройка, широкое развитие общественного транспорта и систем связи, превышение застроенной и замощенной части территории над садово-парковыми, озелененными и свободными пространствами, концентрация источников негативного воздействия на окружающую среду. Промышленные предприятия, ТЭЦ, котельные, автотранспорт и жилищно-коммунальное хозяйство загрязняют природную среду пылью, выбросами и сбросами побочных продуктов и отходов. Кроме того, для городов характерны высокие уровни тепловых, электромагнитных, шумовых и других видов загрязнений. Города влияют на экологическую обстановку обширных территорий благодаря переносу загрязняющих веществ поверхностными водами и воздушными потоками. Прямое негативное воздействие городов на все природные оболочки Земли в ряде случаев проявляется в радиусе 60-100 км и более (Добровольский, 1983; Лукаревская, 2007).
Наибольшую опасность для состояния окружающей среды и здоровья человека представляет загрязнение воздушного бассейна. Перенос загрязняющих веществ на большие расстояния осуществляется главным образом за счет общей циркуляции атмосферы. Поступающие в нее примеси, подхваченные воздушными потоками, могут распространяться на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Так, например, тяжелые металлы в виде аэрозолей при среднем времени их пребывания в нижней тропосфере, равном 5 суткам, могут быть перенесены на расстояние до 3000 км, а в верхней тропосфере и на значительно большее расстояние.
В вещественном составе атмосферных загрязнителей - оксиды углерода, серы, азота, тяжелые металлы, углеводороды, летучие органические соединения, пыль, радиоактивные элементы, болезнетворные микроорганизмы и т.д. Удельный вес различных примесей в загрязнении окружающей среды не является одинаковым. Существуют данные Баттелевского института о том, что в 1970-1971 гг. первое место во «вкладе» отдельных веществ в загрязнение окружающей среды занимали тяжелые металлы (Новиков и др., 1978). Большинство из них относится к первому и второму классам опасности. Их негативное влияние на человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных со способностью многих металлов накапливаться в организме. Металлы содержатся в большинстве видов промышленных, энергетических и автотранспортных выбросов в атмосферу и являются индикаторами техногенного воздействия этих выбросов на окружающую среду (Ревич и др., 1990; Трофимов и др., 2002).
Л.Г. Бондарев (Бондарев, 1984) приводит данные о вещественном составе золы ископаемого топлива. Так, в каменноугольной золе установлено наличие 70 элементов: віт золы в среднем содержится по 200 г цинка и олова, 300 г кобальта, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка, максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать 10 кг на 1 т. Зола нефти содержит много ванадия, молибдена и никеля. В золе торфа содержится уран, кобальт, медь, никель, цинк, свинец.
Негативное влияние тяжелых металлов на живые организмы и здоровье человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных с их кумулятивным эффектом (Вредные..., 1988, 1989; Ревич и др., 1990; Протасов и др., 1995). Таким образом, тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
В современной литературе существуют различные точки зрения о том, какие элементы можно отнести к тяжелым металлам. В химической и технической литературе критериями для выделения тяжелых металлов служат их атомная масса и плотность. Так, в «Справочнике по элементарной химии» под ред. А.Т. Пилипенко (Справочник..., 1977) к тяжелым металлам отнесены элементы периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц и плотностью более 5 г/см , т.е. большей, чем у железа (РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sn, Sb, V, Hg и др.). Таких элементов насчитывается 43. Десять из них наряду с металлическими свойствами обладают признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп периодической системы, являющиеся р-элементами). Ю.В. Алексеев (Алексеев, 1987) предлагает считать тяжелыми металлы с атомной массой более 40. В геоэкологии и природопользовании кроме физико-химических свойств элементов, учитывается их токсичность для живых организмов, стойкость и способность накапливаться во внешней среде. Ю.А. Израэль к тяжелым металлам, контроль за которыми необходимо производить в биосферных заповедниках, относит Pb, Hg, Cd, As (Израэль, 1979). По решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов (Европейская Экономическая Комиссия ООН), занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, к тяжелым металлам отнесены Zn, As, Se и Sb. По классификации Н.Ф. Реймерса (Реймерс, 1990, 1992), тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3 и обладающих токсическим воздействием на живые организмы. К таким Н.Ф. Реймерс относит РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных исследованиях геоэкологического характера к этому списку добавляются обычно Ag, W, Fe, Mn, V и некоторые другие элементы.
Природные условия Санкт-Петербургского региона
В г.Челябинск мониторинг загрязнения снежного покрова проводится периодически с интервалом 3-5 лет (1990, 1993, 1998, 2003, 2006 гг.) с целью выявления участков аномального и повышенного загрязнения, и увязки результатов с источниками антропогенного воздействия. По данным съемки строятся карты загрязнения снежного покрова по каждому ингредиенту и по его суммарному загрязнению.
ГУ «Верхне-Волжское УГМС» - одно из немногих управлений в системе Росгидромета, организовавшее на своей территории развитую подсистему мониторинга загрязнения снежного покрова не только по показателям кислотности, удельной теплопроводности и макрокомпонентам, но и по содержанию тяжелых металлов (ванадий, молибден, свинец, марганец, хром, медь, цинк, никель и др.). Обследование снежного покрова проводится ежегодно. Результаты снежной съемки наряду с другой информацией (вносятся в ГИС территориальный комплексный кадастр природных ресурсов Нижегородской области.
ГУ «Приволжское УГМС» проводит масштабное обследование снежного покрова по 10-14 показателям. На основе полученных данных строятся ГИС-картограммы состояния снежного покрова, что позволяет представить картину обобщенной пространственной структуры распределения техногенной нагрузки по территории; решать задачи анализа и моделирования для дальнейшей разработки региональных программ экологической политики и определения ее приоритетов.
Государственный экологический мониторинг в Санкт-Петербурге и Ленинградской области осуществляет ГУ «Санкт-Петербургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями» (Санкт-Петербургский ЦГМС-Р), являющийся правопреемником Ленинградского Областного Гидрометеорологического бюро, образованного 10 июля 1930 г. В 1987 г. Бюро было преобразовано в Ленинградский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. А в 2002 г. образован Санкт-Петербургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями, к которому в 2004 г. был присоединен Ленинградский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
В структуру ГУ «Санкт-Петербургский ЦГМС-Р» входят: объединенные гидрометеорологические станции (ОГМС): Тихвин, Белогорка, Кингисепп, Кириши (последняя включает комплексную химическую лабораторию); метеорологические станции 2-го разряда (М-2): Винницы, Вознесенское, Ефимовская, Волосово, Лесогорский, Николаевское, Новая Ладога, Сосново, Лодейное поле; аэрологическая станция Воейково; гидрологические станции 1-і го разряда (Г-1): Выборг, Любань; озерная станция Шлиссельбург.
Специалисты Санкт-Петербургского ЦГМС-Р занимаются проведением регулярных метеорологических, аэрологических, гидрологических, озерных, агрометеорологических, морских гидрометеорологических наблюдений. А также проводят наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, почв, атмосферных осадков, снежного покрова, включая радиоактивное загрязнение (http://www.meteo.nw.ru).
Загрязненность снежного покрова отражает степень антропогенного воздействия на окружающую среду, так как снежный покров способен накапливать и сохранять вещества, поступающие с зимними осадками, что позволяет провести оценку поступления токсикантов в почвы. В связи с этим, мониторинг загрязнения снежного покрова осуществляется и в рамках мониторинга земель. Так, в Республике Коми с 1994 г. действует единая система регулярного контроля за агроэкологическим состоянием почв в различных природно-климатических зонах, где проводят изучение состояния почвенного покрова и выполняют экогеохимическую оценку снежного покрова. Количественное сравнение конкретных загрязняющих веществ в снежном покрове с фоновыми территориями позволяет судить о степени аэротехногенного влияния промышленных предприятий на окружающую среду.
Для оценки пространственного распределения выпавших из атмосферы загрязнений в региональном масштабе используются данные спутниковых наблюдений. Снег обладает высокой отражательной способностью. Альбедо чистого снега составляет 0,7-0,9, а загрязненного уменьшается до 0,2-0,1. В связи с этим, на космических снимках загрязненные участки снега выглядят как более темные пятна, причем, чем выше уровень загрязнения, тем темнее изображение на снимках. Ореолы загрязнения снежного (и почвенного) покровов техногенного происхождения хорошо заметны вокруг городов, промышленных предприятий, районов добычи и переработки полезных ископаемых, крупных автострад. Региональный космический мониторинг особенно важен при изучении малоосвоенных и заболоченных территорий... Ценность космических наблюдений заключается в том, что они дают обобщенную картину регионального антропогенного воздействия на территорию. При этом, космическая информация значительно нагляднее и убедительнее, чем сведения, содержащиеся на подробных картах. Основные направления и результаты космического мониторинга загрязнения снежного покрова отражены в многочисленных публикациях (Делеур М.С., 1984; Герман М.А., 1985; Моисеенко А.Е., 1994; Седунов Ю.С. и др., 1995; Прокачёва В.Г., Усачев В.Ф., 1989, 2006; Алферов A.M., Кровотынцев В.А., 2005 и многие другие).
Мониторинг загрязнения снежного покрова осуществляется и за рубежом. Так, департамент гидрометеорологии Минприроды Республики Беларусь в рамках национальной системы мониторинга окружающей среды осуществляет наблюдения за региональными и глобальными потоками загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, атмосферных осадках и снежном покрове в 16 городах в которых проживает 65% городского населения республики. Мониторинг состояния атмосферных осадков и снежного покрова республики Казахстан проводится в соответствии с программой Всемирной метеорологической организации (ВМО) на 43 метеостанциях (химический состав снежного покрова —35 метеостанций).
Методы статистической обработки материалов
При анализе результатов геоэкологических исследований встает вопрос о том, с какими величинами сравнивать полученные данные, и, в первую, очередь, какую величину принять за геохимический фон территории. На этот счет существуют различные точки зрения. Так, по мнению В.Н. Василенко, при исследовании атмосферных выпадений вопрос о фоне в локальном, региональном или глобальном масштабах наиболее обоснованно может быть решен с помощью исторического мониторинга, в основе которого лежит использование природных стратифицируемых планшетов — торфа, толщ льда, донных и солевых отложений и др., находящихся в тех районах, где современное промышленное загрязнение заведомо невысокое. С помощью этих планшетов, накапливающих атмосферные выпадения в течение многих сотен или тысяч лет, имеется возможность проверить их количество в исторической ретроспективе, используя в качестве контроля древние датируемые слои, когда уровень глобального антропогенного загрязнения был низок (Василенко и др., 1985).
Можно выделить три основных подхода к решению проблемы геохимического фона. За фоновое содержание элементов можно принять: 1) Средний химический состав депонирующей среды в региональном или глобальном масштабе по общепринятым данным (Махонько и др., 1976; Беус и др., 1981 и др.). Для почвенного покрова - это средний состав почв, например, Европейской части России; донных осадков -кларк осадочных пород (Виноградов, 1962; Скляров и др., 2001); для снежного покрова возможно использование результатов, полученных на фоновых станциях государственного экологического мониторинга. Таких станций в настоящее время в России действует пять и все они расположены вне пределов изучаемого1 региона. Ближайшая станция многолетнего фонового мониторинга находится в восточной Финляндии в г.Хиятаярви в 350 км на север от г.Санкт-Петербург. 2) Средний химический состав депонирующей среды выбранного в ходе исследования наименее загрязненного участка. Такой способ подходит в том случае, когда наблюдается существенная дифференциация всей исследуемой территории по степени загрязнения и очевидно, что один из ее участков значительно чище других. Нами в порядке эксперимента было выбрано по 3 станции пробоотбора из каждого профиля, не имеющих поблизости явных источников загрязнения. По каждому профилю результаты определения тяжелых металлов в пробах выбранных точек осреднялись и сравнивались со средним содержанием элементов в пробах профиля. Во всех случаях средние значения содержания на предположительно «фоновых» участках превышали средние значения по профилю. 3) Осредненные во времени (Николаевский, 1978; Василенко и др., 1985) и/или в пространстве (Инструкция по геохимическим методам..., 1983; Василенко и др., 1985; Дмитриев, 1995; Шахвердов, Кулаков, 2002) данные. В качестве таких данных может быть использовано среднее арифметическое или среднее гармоническое.
Так как заведомо незагрязненных территорий вдоль изученных профилей в пределах Санкт-Петербургского региона выделить не представилось возможным, то в качестве фоновых значений необходимо было выбрать какую-либо среднюю величину. Выбор средней величины осуществлялся с учетом анализа исследуемой совокупности и содержания изучаемого распределения так, чтобы примененная средняя величина позволила получить наиболее объективные статистические данные (Батоян, 1983). На объективное вычисление величины среднего арифметического влияет качество выборки, т.е. ее однородность, частота отдельных значений исследуемой совокупности. Среднее гармоническое в меньшей степени зависит от характера распределения единиц совокупности. Таким образом, в данном случае предпочтительнее использовать ее в качестве геохимического фона.
Среднее гармоническое — это величина, обратная среднему арифметическому обратных величин. Величина среднего гармонического вычисляется по формуле: где Сгарл, - среднее гармоническое, / - число проб выборки, Yi — ряд данных. Среднее гармоническое рассчитывалось отдельно для каждого профиля и опорного участка. Для установления закона распределения содержаний химических элементов с помощью пакета прикладных программ Statistica 6.0 были построены гистограммы распределения (Каждая, Гуськов, 1990). Выяснилось, что наблюдаемое распределение концентрации элементов подчиняется логнормальному закону. Это позволило в качестве параметров распределения использовать среднее геометрическое содержание (Сгеом) (антилогарифм среднего значения логарифма содержаний) в качестве характеристики наиболее часто встречаемого (среднего) значения концентрации элемента в снежном и почвенном покровах и стандартный множитель (є) в качестве меры геохимической дисперсии (Ярошевский, 1996). Аномальные пробы отбраковывались. Относительно величины среднего гармонического, выступающей в качестве геохимического фона, подсчитаны коэффициенты концентрации (Кс) для каждого изучаемого элемента (Янин, 1998). Расчет производился по формуле: где С,- — фактическое содержание элемента. В ходе дальнейшей статистической обработки данных применялись кластерный и факторный анализы. При выполнении факторного и кластерного, анализов использовался пакет прикладных программ Statistica 6.0, все статистические действия производились с логарифмами содержаний (Родионов и др., 1987). В результате анализа структуры корреляционных матриц и факторного1 анализа методом главных компонент выделялись ассоциации тяжелых металлов. С помощью кластерного анализа проверялось и уточнялось наличие и иерархия связей между элементами внутри выделенных, ассоциаций. Статистическая обработка геохимических данных осуществлялось для снежного покрова каждого профиля и опорного участка Санкт-Петербургского региона раздельно. Основное внимание уделено установлению общих закономерностей пространственного распределения химических элементов Bi, Pb, Zn, Си, Ni, Fe, Mn, Cr и V и связей между ними.
Критерии эколого-геохимической оценки состояния объектов исследования
Координатная привязка геохимических данных ГИС базы данных позволила создать единую картографическую основу для создания региональной аналитической системы мониторинга природной среды. Геоинформационное картографирование, в свою очередь, обеспечивает решение задач визуализации и интерпретации данных, аналитических исследований различных характеристик территории, а также позволяет автоматизировать и качественно улучшить контроль за состоянием природных ресурсов. Его результаты позволяют наглядно выявить зоны экологической напряженности и определять первоочередные мероприятия по рациональному природопользованию и обеспечению экологической безопасности наземных экосистем.
Картосхемы состояния снежного и почвенного покровов региона построены с помощью картографического редактора Golden Software Surfer 8.0. Основным назначением Surfer является обработка и визуализация двумерных наборов данных, описываемых функцией типа z=f(x,y). Логику работы с пакетом можно-представить в виде трех основных функциональных "блоков: а) построение цифровой модели поверхности; б) вспомогательные операции с цифровыми моделями поверхности; в) визуализация поверхности . Вкачестве метода интерполяции использовался метод Kriging. На базе слоев-снежного и почвенного покровов созданы тематические картосхемы 2 типов: 1) моноэлементные картосхемы концентраций тяжелых металлов в снежном и почвенном покровах различных участков исследования,для выявления, закономерностей пространственного распределения тяжелых металлов; 2) картосхемы суммарного загрязнения снежного и почвенного покровов различных участков исследования, для эколого-геохимической оценки ситуации в регионе. Для построениям первого/ типа картосхем использовались данные рентгенофлюоресцентного анализа проб снежного- и почвенного4 покровов (Приложения; 2-3); второго - результаты вычисления индекса-суммарного загрязнения! (Zc) депонирующих сред по группе тяжелых металлов, Г и- II классов опасности: Bi, Pb, Zn, Си, Ni и Сг для снежного покрова; Pb, Zn, Си, Ni, Со, Сг и As - для почвенного. Построенные картосхемы дают наглядное представление о территориальных особенностях пространственного распределения тяжелых металлов в снежном и почвенном покровах региона, иерархии элементов и уровнях взаимодействия между ними; при этом закладывается возможность осуществления экологического районирования. Как уже говорилось выше, геохимический состав снежного покрова по существу отражает эколого-геохимическое состояние атмосферы, суммируя, воздействие природных, природно-техногенных и техногенных факторов и характеризуют динамику и контуры аэрогенного загрязнения на период образования снежного покрова. В период снеготаяния, находящиеся в нем водорастворимые примеси мигрируют в почвы, а также в поверхностные воды и донные осадки, причем ареал их распространения значительно превышает контуры геохимических аномалий в снеге. В настоящее время приоритетное распространение получили три подхода к нормированию экологически опасных токсикантов в объектах окружающей среды (Трофимов, Зилинг, 2002): - санитарно-гигиенический, базирующийся на величинах нормативных предельно-допустимых концентраций (ПДК); - геохимический, оперирующий величинами кларков концентраций, фоновых величин, суммарных величин токсикантов и других геохимических параметров; - биогеохимический, оценивающий растения как интегральный показатель содержания токсичных элементов в почвах. В настоящей работе для характеристики эколого-геохимического состояния объектов исследования применялись санитарно-гигиенический и геохимический подходы. С помощью первого подхода, степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами оценивается путем сопоставления их содержания в изучаемых объектах с соответствующими ПДК и другими нормативами. Нормирование содержаний тяжелых металлов в депонирующих средах — чрезвычайно сложная задача в связи с невозможностью полного учета всех факторов природной среды. Существует множество шкал экологического нормирования тяжелых металлов, в некоторых случаях за ПДК принято самое высокое наблюдаемое содержание элементов, в других - содержание, являющееся предельным с точки зрения токсичности для живых организмов. В настоящей работе в качестве критериев оценки загрязнения тяжелыми металлами использовались официально утвержденные нормативы: для почв - предельно-допустимые концентрации (ПДК) (Свод правил..., 1997) и ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) (Гигиенические..., 2006); снежного покрова - рекомендуемые критерии санитарно-гигиенической опасности загрязнения воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (ПДК) (Гигиенические..., 2003) (табл. 36). Недостатками санитарно-гигиенического (нормативного) подхода является невозможность выявления причин и масштабов загрязнений, учета влияния местных условий, совместного воздействия и форм нахождения тяжелых металлов и, в конечном счете, прогнозирования изменения ситуации во времени (Трофимов, Зилинг, 2002). В качестве критерия эколого-геохимической оценки загрязнения снежного и почвенного покровов применялся показатель Zc - суммарный показатель загрязнения, который представляет собой сумму коэффициентов концентрации Кс токсикантов (по отношению к фону), отражает аддитивное превышение фонового уровня группой ассоциирующихся элементов и характеризует уровень антропогенного загрязнения депонирующих сред. Он рассчитывается по формуле: де Kc — коэффициент концентрации z -го химического элемента, п — число, равное количеству элементов, входящих в геохимическую ассоциацию (Методические..., 1991; Трофимов, Зилинг, 2002). Для оценки совместного воздействия тяжелых металлов элементы объединялись на основе их токсикологической опасности для живых организмов, т.е. для вычисления Zc использовались тяжелые металлы I и II классов опасности: As, Pb, Zn, Bi, Co, Ni, Си, Cr. В качестве оценочных шкал суммарного загрязнения объектов исследования тяжелыми металлами взяты разработанные под руководством Ю.Е.Саета ориентировочные шкалы систем «почва - человек» и «атмосфера - снежный покров — почва - человек» (табл. 37). Как видно из таблицы 37, при оценке аэрогенных очагов загрязнения суммарный показатель загрязнения снежного покрова превышает таковой для почв. Существует мнение, что при работах на больших территориях, где встречаются различные ассоциации элементов, как по концентрации, так и по составу входящих в них элементов, применение Zc вряд ли целесообразно (Барабошкина, Самаев, 2004). По мнению В.М. Питулько показатель Zc можно использовать в качестве вспомогательной величины, позволяющей выполнить относительную оценку загрязнения токсичными элементами депонирующих сред (Питулько, 2005). В случае применения необходимо учитывать конкретный вклад того или иного элемента (вещества) в данные показатели, т.к. для разных элементов в различных природных средах степень опасности неодинакова. Несмотря на ряд существенных недостатков, на которые обращают внимание многие исследователи, показатель Zc является одним из немногих утвержденных санитарно-гигиенических нормативов, он унифицирован для основных депонирующих сред, относительно просто рассчитывается, дает возможность осуществить комплексную оценку загрязненности депонирующих сред.
