Исследование кислотности атмосферных осадков на урбанизированных территориях и оценка изменений, происходящих в компонентах природной среды Чаловская Оксана Викторовна

Содержание к диссертации

гтаю'4.. *"ллїй Факторов, определяющих формирование и

ВОЗДЕЙСТВИЕ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ГОРОДСКУЮ СРЕДУ. 8

І.Г Источники загрязнения и закислення природной среды

промышленного города 8

1.2 Кислотообразующие вещества и их распространение в атмосфере . 13
L3 Механизм формирования и выпадения кислотных осадков 20

1. Загрязнение почв квазиприродной среды промышленного города . 25

2. Влияние кислотных осадков на компоненты городской среды .... 31

3. Выводы по первой главе 33

Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 35

2 J Характеристика примесей в атмосферном воздухе в городе Оренбурге .35

2.2 Характеристика квазиприродных сред промышленного города ... .42

1. Характеристика улиц города - элемента экосистемы 42

2. Анализ состояния почв селитебных территорий города Оренбурга ... 47

3. Исследование растительного покрова придорожных территорий улиц города Оренбурга. 51

3. Характеристика географических и климатических условий города Оренбурга , 56

4. Выбор методов исследования 61

1. Выбор веществ-загрязнителей природных сред и места отбора проб . 61

2. Характеристика методик исследования .63

2.5 Выводы по второй главе 64

Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫМЫВАНИЯ
ПЫЛЕГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ ОСАДКАМИ ИЗ АТМОСФЕРЫ
УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ . . 66

3.1 Моделирование взаимодействия атмосферной примеси с осадками.66

2. Оценка содержания примесей в осадках улицы промышленного города 71

3. Исследование механизмов вымывания пылегазовых примесей осадкам^ ъ Виді дождя 83

4. Интегральная оценка загрязнения атмосферных осадков примесями на улицах города 90

5. Исследование влияния структурного оформления улицы на показатель химического загрязнения (ПХЗ) осадков 97

6. Мониторинг загрязнения снежного покрова придорожных территорий улиц города Оренбурга 102

3.7 Выводы по третьей главе 105

Глава 4 ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРИДОРОЖНЫХ
ТЕРРИТОРИЙ НА УЛИЦАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА 107

1. Методический подход оценки воздействия кислотных дождей на элементы экосистемы промышленного города 107

2. Оценка качества урбанизированной территории по экологическим нагрузкам пылегазовых примесей 114

3. Оценка влияния кислотных дождей на качество почв 118

4. Оценка качества почв придорожной территории 118

5. Оценка влияния обустройства улицы на закисление почвы 124

4. Оценка степени и динамики деградации почвенного покрова городских территорий 127

5. Оценка влияния кислотных дождей на рост и развитие растений придорожных зон .. 133

6. Управление качеством сред на улицах промышленного города .... 137

4.7 Выводы по четвертой главе 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 147

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение к работе

Актуальность работы, В настоящее время проблеме антропогенного загрязнения природных сред пьтлегазовыми выбросами уделяется с каждым годом всё большее внимание. Особо остро загрязнение воздуха проявляется в крупных промышленных городах и на прилегающих к ним территориях, где помимо стационарных источников на увеличение абсолютного количества вредных веществ значительное влияние оказывает постоянный рост парка транспортных средств.-

Загрязнение атмосферы преимущественно приходится на долю газообразных выбросов: оксидов углерода, соединений азота и серы, которые в процессе атмосферной циркуляции претерпевают физико-химические превращения и, в конечном счёте, способствуют образованию вторичных продуктов загрязнений, ещё более токсичных, чем первичные.

Пылегазовые выбросы при взаимодействии; с водяными каплями облаков и выпадающих осадков образуют кислоты и соли кислот. Выпадение кислотных дождей стало в настоящее время широко распространённым явлением, приводящим к значительному закисленню природных сред и существенным негативным экологическим изменениям на территории целых регионов. Кислотные осадки, образующиеся в результате трансформации пылегазовых выбросов автомобильного транспорта на урбанизированных территориях, оказывают заметное воздействие не только на объекты неживой природы, но и на наземные, почвенные, водные экосистемы, нарушая естественные биогеохимические процессы, происходящие в них, а вместе с тем, нанося (косвенным образом) губительное воздействие на здоровье человека. Поэтому изучение роли кислотных дождей в формировании городского ландшафта, разработка методов: и средств контроля и управления качеством элементов городской экосистемы, уменьшение загрязнения природных сред токсичными кислотообразующими веществами является в настоящее время актуальной проблемой и заслуживает детального изучения.

Целью диссертационной работы является прогноз и оценка изменений, происходящих в компонентах квазиприродной среды урбанизированной территории под действием кислотных дождей.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- проведён анализ литературы по вопросам формирования и оценки
экологического неблагополучия на урбанизированных территориях под
действием кислотных дождей;

разработаны модель улицы города и подобраны критерии, позволяющие характеризовать ее одновременно как источник кислотообразующих выбросов в атмосферу, так и пространство, принимающее их и закономерности, позволяющие прогнозировать качество городской территории по значению рН природных сред;

выявлены закономерности вымывания пылегазовых примесей осадками из атмосферы урбанизированной территории;

предложен методический подход к оценке нагрузок, формирующихся при выпадении осадков и их воздействия на почвы и растения урбанизированных зон;

проведены исследования по оценке влияния кислотных дождей на почвенный покров и травянистые растения квазиприродной среды;

- предложены организационные и технические решения по
снижению загрязнения кислотообразующими компонентами природных сред
промышленного города;

Идея работы заключается в использовании рН осадков в качестве ключевой характеристики' изхменений природных сред урбанизированных территорий.

Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

- теоретическими и экспериментальными исследованиями по оценке
изменений качества природных сред под действием кислотных дождей;

- совпадением результатов теоретических исследований с
экспериментальными данными, полученными в условиях города Оренбурга.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

в оценке изменений, происходящих в компонентах квазиприродной среды под действием кислотных осадков;

в выборе оптимальных параметров улицы общегородского, районного и местного значений по изменению кислотности природных сред городской территории;

в оценке территории города Оренбурга, имеющего экологическое неблагополучие по кислотности осадков и почв.

Внедрение результатов исследований осуществляется путём использования результатов исследований Комитетом по природоохранной деятельности и мониторингу окружающей среды администрации Оренбургской области при разработке планов природоохранных мероприятий в промышленных центрах Оренбуржья. Результаты исследований внедрены также в учебный процесс в Оренбургском государственном педагогическом университете и Оренбургском государственном университете при чтении лекций и постановке практикумов по курсам "Химия окружающей среды", "Химическая технология", "Экологический мониторинг" и "Промышленная экология" для студентов специальности 032300"Химия" и специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов".

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международном, российском и региональном уровнях:

- на региональной научно-практической конференции «Проблемы
безопасности и экологии Зауралья», Курган, 2000 г., на XXII научно-
практической конференции студентов и аспирантов ОГУ, Оренбург-, 2000 г., на
научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал высшего
педагогического образования», Оренбург, 2001 г., на научно-практической
конференции «Наука XXI века: проблемы и перспективы», Оренбург, 2002 г.,

на научно-практической конференции «Теория и практика высшего профессионального образования: содержание, технологии, качество», Оренбург, 2003 г., на городской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Оренбург: от истории к будущему», Оренбург, 2003 г., на областной конференции молодых ученых и специалистов, Оренбург, 2002 г;

на всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», Оренбург, 2001 г.;

на международной научно-практической конференции «Биосфера и человек — проблемы взаимодействия», Пенза, 2002 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ

Объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста и содержит 52 таблицы, 30 рисунков, список литературы из 149 наименований и приложения. Диссертационная работа выполнена на кафедре химии и методики преподавания химии Оренбургского государственного педагогического университета.

1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ И ВОЗДЕЙСТВИЕ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ГОРОДСКУЮ СРЕДУ

1.Г Источники; загрязнения и закислення природной среды промышленного города

Большое количество промышленных предприятий и транспортных средств, сосредоточенных в крупных городах, приводят к возрастающему загрязнению атмосферного воздуха пылегазовыми примесями. В результате происходит нарушение баланса основных газов в атмосфере (таких как кислород, углекислый газ и азот), что приводит к негативным последствиям для различных биогеоценозов [14, 44, 147].

Все источники загрязнения атмосферного воздуха можно подразделить на естественные и антропогенные. Естественные - это лесные пожары, которые представляют собой мощный источник сажи, пыли и газов (оксидов серы, углекислого газа, соляной кислоты). Также мощным геохимическим источником служат, переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу. Химическое влияние пыли не столь очевидно из-за ее слабой химической активности, однако, на ней могут адсорбироваться газы и тяжелые металлы, что делает ее значительно опасней [96, 149].

Переносимые ветром в виде частиц, морские брызги, более реакционно способны в атмосфере. Частицы соли из океанов гигроскопичны, и во влажных условиях эти крошечные кристаллы хлорида натрия (NaCl) притягивают воду и образуют концентрированный капельный раствор или аэрозоль. Капельки могут быть местом протекания важных химических реакций [97, 98]. Биологические источники являются также поставщиками различных газов в атмосферный воздух. Леса, помимо выделения кислорода и углекислого газа, выделяют огромные количества следовых органических соединений (терпены, пинены, лимонены), органические кислоты, альдегиды. Почвы Земли богаты соединениями азота, дающими начало всему спектру активных химических

процессов с участием азота. Если почва, где произошел гидролиз, имела щелочную реакцию, то выделится газообразный аммиак, тогда, как:в условиях кислой среды он прореагирует с образованием иона аммония. Органические сульфиды, продуцируемые морскими микроорганизмами, вносят особо существенный вклад в накопление серы в атмосфере, гидросфере и почве, способствуя их закисленню [9, 13, 34, 50]..

Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на две большие группы: стационарные (промышленные предприятия) и передвижные (автотранспорт, авиация и т.д.)[18, 26, 94]. Так, вклад электростанций и отопительных установок в общее загрязнение составляют 20 - 25 %. На ТЭЦ в качестве топлива используется уголь, торф, мазут, нефть, газ. В результате его сжигания в атмосферу поступают большие количества оксидов азота, оксида углерода, оксида углерода (IV), оксида серы (IV), пыли, сажи, органических и других веществ.

Загрязнение воздушного бассейна промышленных городов выбросами предприятий черной и цветной металлургии, химической промышленности достигает 15 - 17% [26, 95]..К основным выбросам предприятий химической промышленности относятся СС>2, NO_x, SO3, NH3, пыль от неорганических производств, H;S, CS2, хлористые, фтористые соединения.

Таким образом, промышленное производство может выступать источником загрязнения окружающей среды пылегазовыми выбросами [26, 114].

Однако более значительный вклад в загрязнение атмосферы промышленного города вносит автомобильный транспорт, на долго которого в мире приходится более 50% выбросов загрязняющих веществ [26, 64]. Транспортные источники; загрязнения атмосферы обладает рядом специфических особенностей:

в высоких темпах роста численности автомобилей по сравнению с ростом количества стационарных источников;

их пространственной* рассредоточенности (автомобили

распределяются по территории и создают общий повышенный фон загрязнения); непосредственной близости к жилым районам; более высокой токсичности выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами стандартных источников;

сложности технической реализации средств зашиты от загрязнителей на подвижных источниках;

низком расположением источника загрязнения от земной поверхности, в результате чего отработанные газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами от стационарных источников [2, 20].

Современный транспорт - особый источник воздействия на природу и человека. Так как он связан с дорогами, то на экосистемы обычно воздействует система "автомобиль - дорога". Автодорога представляет собой линейное инженерное сооружение. Дорожное покрытие непосредственно воспринимает нагрузку от автотранспортных средств и передает ее на земляное полотно. Дорожное покрытие является мощным источником загрязнения придорожной территории пылевыми аэрозолями. Это происходит но ряду причин:

многие улицы в городе не имеют асфальтового покрытия, а грунтовые покрытия из-за постоянного механического воздействия разрушены и представляют собой пылевидный материал способный при малейших воздушных потоках переходить во взвешенное состояние;

к улицам с асфальтовым покрытием примыкают улицы без постоянного покрытия, в результате происходит вынос грунта на проезжую часть, имеющую асфальтовое покрытие;

измельченный грунт, находящийся на пылящей поверхности, способен многократно переходить в состояние пыли и возвращаться на поверхность дороги [54, 64, 102].

Важным фактором негативного воздействия автомобильного транспорта на городские водоёмы и почву является поверхностный сток взвешенных частиц, моющих средств, сажи и нефтепродуктов с дорожной одежды.

Транспортная нагрузка на автодороги до настоящего времени не нормирована. Развитие автомобилизации приводит к необходимости учитывать новые ее параметры: состав транспортного потока, скоростной режим, движения, техническое состояние транспортных средств, тип двигателя, сортность топлива, так как эти факторы определяют количество и химический состав, поступающих в экосистему токсикантов (таблица I Л) [62, 64, 92].

Таблица 1.1 - Содержание компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, %

Из таблицы 1,1 видно, что средний уровень содержания вредных веществ в отработавших газах дизелей меньше, чем в бензиновых двигателях. При этом в отработавших газах дизелей нет оксидов свинца, а дизельное

топливо содержит большое количество оксидов серы, что снижает или исключает возможность применения каталитических нейтрализаторов [79, 116].

Загрязненность придорожного пространства отходящими газами также зависит от интенсивности движения транспортных средств. Так, выброс газообразных загрязнителей наиболее высокий режиме медленного движения, меньше он при ускорении (разгоне) и минимален при установившейся скорости. Однако, количество оксидов азота и непредельных углеводородов пропорционально скорости движения. Выброс СО имеет минимум при скорости 55—65 км/ч [103*].

Весьма существенным является воздействие на придорожную зону химических веществ, применяемых для борьбы с гололедом на дорогах. К противогололедными химическим материалам относятся хлориды, фосфаты и сульфаты натрия, кальция, магния, спирты, гликоли и др. Не все эти средства дают одинаковый эффект. Наибольшее распространение при борьбе с гололедом на дорогах нашли хлористые соединения, в частности NaCl и СаСЬ. Применение СаСЬ на 40% эффективнее, чем NaCl, однако в связи с тем, что СаСЬ относительно дорог, а его хранение и перевозки более трудоемки, в настоящее время для зимнего-содержания дорог лишь 3-5% общего объема противогололедных солей составляет хлорид кальция. С каждым годом объем использования хлоридов возрастает [2, 65].

Растворы противогололедных солей легко просачиваются в почвогрунты, достигая водоносных слоев. В передвижении солей совместно участвуют два прочеса: связанная с их обменной адсорбцией ионов и конвективная; диффузия при фильтрационном течении солей через почвогрунты. Просачиваясь через почвогрунты и попадая в фунтовые воды, противогололедные соли уменьшают скорость их течения, увеличивая вязкость, делают их зачастую непригодными для питья [65, 100, 141].

Таким образом, автомобильный транспорт является одним из крупнейших загрязнителей природных сред промышленного города. Кроме того, загрязнение городской среды выбросами автомобильного транспорта

приводит к.тому, что большие количества соединений серы и азота, оксидов углерода и прочих загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, превращают выпадающие осадки в слабый раствор кислот, а, следовательно, способствуют закисленню придорожной территории.

1.2 Кислотообразующие вещества и их распространение в атмосфере

Одной из серьезных экологических проблем является повышение кислотности среды. Кислотные и щелочные свойства талой и дождевой воды, а так же аэрозольного вещества определяется наличием свободных ионов водорода Н* или гидроксид-ионов ОН", образующихся после диссоциации кислот и оснований. В' естественных условиях дождевые осадки имеют нейтральный или слабо кислотный характер, что зависит от количества растворенных солей естественного происхождения и от количества растворенного оксида углерода (IV) [52]. Очень слабо минерализованные атмосферные осадки, находящиеся в равновесии с оксидом углерода (IV) при ею средних концентрациях в атмосфере, В незагрязненной атмосфере, кроме С02, могут присутствовать ряд естественных кислотообразующих соединений: оксиды азота, сероводород, оксид серы (IV), различные органические кислоты. За счет присутствия данных соединений значение рН осадков понижается. В то же время наличие в атмосфере пыли, особенно в районах со щелочными породами (почвами), ведет к повышению рН. Мокрые брызги над океаном также ведут к повышению рН атмосферных осадков.

Кислотные свойства атмосферных осадков обусловлены как естественными реакциями внутри атмосферы, так и антропогенной эмиссией кислот (оксидов серы и азота, ведущих к образованию кислот и их солей) [68],

Атмосфера в силу наличия в ней свободного кислорода представляет собой систему, обладающую окислительными свойствами, поэтому

практически все реакции соединений серы и азота идут в сторону образования сульфатов и нитратов как высших форм окисления [52, 55].

Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать по трем различным направлениям:

1. окисление непосредственно в газовой фазе;

2. окислению предшествует адсорбция примесей на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе;

3. окислению предшествует абсорбция частицами воды, и в дальнейшем процесс окисления протекает в растворе [61].

Газофазное окисление может происходить на молекулярном уровне такими окислителями, как собственно кислород, озон, перекись водорода. Однако оно намного эффективнее протекает со свободными радикалами. Имея по одному неспаренному электрону на внешнем энергетическом уровне, свободные радикалы являются сильными окислителями и принимают самое активное участие в процессах окисления примесей в газовой фазе тропосферы. Важную роль в образовании радикалов играют фотохимические процессы. Отсюда следует, что скорость реакции газофазного окисления существенным образом будет зависеть от времени суток, сезона, географической широты, наличие облачного покрова. В реакции образования и поглощения радикалов кроме соединений серы и азота могут быть вовлечены такие реакционноспособные загрязняющие вещества, как непредельные углеводороды, альдегиды, кето ны и т.д. Для того, чтобы представить картину химических трансформаций соединений серы и азота в атмосфере, необходимо, прежде всего знать поведение свободных радикалов в атмосфере [52, 59; 146].

Среди свободных радикалов, обнаруженных в атмосфере, прежде всего, следует выделить гидроксил-рад и кал [61]. Г идрокс ильный радикал является активной частицей, принимающей участие в целом ряде химических превращений, протекающих в тропосфере.

Теперь рассмотрим процессы, связанные с трансформацией примеси при ее вымывании из атмосферы улицы. Загрязняющие вещества, попадая в

атмосферу города, могут претерпевать разнообразные изменения вплоть до момента их осаждения или вымывания. Известно, оксид азота (II) в присутствии кислорода окисляется до оксида азота (IV) [77]. Другой возможный путь окисления оксида азота связан либо с взаимодействием с гидропероксидом - радикалом либо с озоном по схемам (1.1), (1.2):

NO + HO;-*N0₂ +НО* , (1.1)

NO + Oj-^NO.+O, . (1.2)

Важной частью атмосферного цикла соединений азота является

образование азотной кислоты. Примерно 44 % азотной кислоты в атмосфере

образуется в результате взаимодействия оксида азота (IV) с гидроксильным

+

радикалом по схеме

N0₂ +*OH-^HNO, (1.3)

Около 24 % азотной кислоты появляется в атмосфере в результате

взаимодействия оксидов азота с водой. Причем основное количество азотной

кислоты выводится из воздуха с атмосферными осадками в виде растворов и

солей.

Оксид серы (IV) также окисляется в атмосфере города. Ведущую роль в этом процессе играют свободные радикалы

S0₂ +OH'+M-*HS0₃ +М (1.4)

^{HSOj + но;—sOj+roH- (і.5)}

^so₂ ^{+но; -»so}₃ ^{+ он* (1.6)}

Оксид серы (VI) легко взаимодействует с частицами атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты:

SO₃+H₂0^H₂SO₄ (1.7)

Реагируя с ионами металлов, присутствующими в частицах атмосферной влаги, серная кислота частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция. Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхности твердых частиц,

взвешенных в воздухе. В этом случае стадии окисления предшествует адсорбция, часто сопровождающаяся химической реакцией:

S0₂ +CaO^CaS0₃ (1.8)

ИЛИ'

SO_: +MgO->MgSO, (1.9)-

В дальнейшем, при взаимодействии с молекулярным кислородом, сульфиты переходят в сульфаты.

Третий путь окисления S0₂ связан с предварительной адсорбцией SO, частицами атмосферной влаги. В дождливую погоду и при высокой влажности атмосферы окислению основного количества S0₂ предшествует стадия растворения и гидролиза в частицах атмосферной влаги. В образующихся при этом растворах устанавливается динамическое равновесие между растворенным в воде S0₂ и ионами HSOj и SOf, соотношение между которыми определяется значением рН. При рН меньше 3,5 в воде отсутствуют Н80з~и SO з", которые легко окисляются до сульфат-ионов [77, 121 ].

Главные пути стока оксида углерода (II) связаны с его взаимодействием с гидроксильным радикалом' ОН и далее с молекулами воды

СО+'ОН—СОг + Н' (1.10)

С0₂ + Н₂0~~>Н_гС0₃ (1.П)

Угольная кислота ступенчато диссоциирует с образованием гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Причем гидрокарбонат-ионы присутствуют в водной среде, у которой рН < 7, а карбонат-ионы при рН > 7 [72].

Газофазное окисление соединений серы происходит в результате взаимодействия их с окислителями, основными из которых являются свободные радикалы. Сероводород, например, последовательно, в ряд ступеней окисляется до SOi. До настоящего времени детальный механизм этого процесса еще не установлен. Но наиболее вероятным представляется протекание следующих реакций [77]:

H₂S + *OH —H₂0+HS" (1.L2)

HS~ + 0₂-> -OH+SO- (1.13)-

SO+H0₂* ^S0₂ + OH* (1Л4)

Кроме газофазных реакций, достаточно эффективным механизмом выведения оксида серы (IV) из атмосферы могут служить гетерогенные реакции, протекающие на поверхности твердых тел, например, аэрозольных частиц. Поверхность летучей золы и особенно сажи может адсорбировать как молекулы оксида серы (IV), так и молекулы и радикалы окисляющих агентов: В адсорбированном состоянии возможно протекание реакций типа:

(Б0₂)адс + 2(ОН*) аде -* ((ОН)₂ 80₂)адс; (1.15)

((ОН)₂ S0₂) аде - (БОЛадс + 2(гГ)адс; (1.16)

Скорость протекания таких реакций весьма велика. Кроме того, на поверхности частиц могут резко ускоряться реакции молекулярного окисления, а так же осуществляются реакции окисления перекисного водорода:

(80₂)адс + (Н₂0₂) аде — (S0₄²-")mc + 2(Н>дс (1.17)

Общий эффект гетерогенных реакций в окислении оксида серы (IV) в существенной степени зависит от концентрации частиц, площади поверхности на единицу объема, физико-химических свойств поверхности и т.д. Немаловажным обстоятельством является и то, что при достаточно высокой относительной влажности поверхность частиц покрывается слоем молекул воды. При 25С и относительной влажности 60-70% частицы летучей золы покрыты слоем воды, который меньше мономолекулярного, а при относительной влажности 90%- несколькими молекулярными слоями воды. В условиях высокой влажности скорость окисления оксида серы (IV) может возрасти на 1-2 порядка. Естественно, что на первом этапе существования дымового факела скорость окисления оксида серы (TV) может быть высокой, но по мере очищения атмосферы от частиц, снижения их объемной концентрации и насыщения поверхности, вероятность протекания гетерогенных реакций будет уменьшаться [52].

Образовавшаяся в результате окисления оксида серы (IV) серная кислота в дальнейшем может частично или полностью нейтрализоваться. Основным нейтрализующим агентом выступает аммиак, что подтверждается данными химического анализа сульфатов, которые на 60-90% состоят из сульфата или бисульфата аммония. Реакция нейтрализации проходит, как правило, в жидкой фазе или на поверхности полужидких частиц. Следовательно, скорость нейтрализации: будет определяться содержанием в атмосфере аммиака и зависеть от наличия жидко-капельной или аэрозольной фазы [140].

Для условий атмосферы над промышленными регионами в средних широтах летом суммарная скорость превращения оксидов азота в азотную кислоту составит 0,12 ч'¹. Со скоростью 0,025 ч*¹ оксиды азота удаляются из атмосферы за: счет реакций с химически активными органическими соединениями. Следовательно, среднее время жизни оксидов азота относительно химических реакций будет составлять примерно 7 часов [68].

Образовавшаяся азотная кислота долгое время находится в атмосфере как в газовой, так и в жидкой фазе. Нейтрализация азотной кислоты происходит в обоих: фазах, при этом, как и в случае с серной кислотой, основным нейтрализующим агентом выступает аммиак. Нет оснований предполагать, что скорость нейтрализации азотной кислоты существенно отличается от скорости нейтрализации серной (0,02 ч'¹) [61].

Аэрозоли являются и конечным продуктом различных химических реакций, и в то же время средой, в которой происходят химические реакции, кроме этого аэрозоли могут выступать в роли катализаторов ряда химических превращений. Химические и фотохомические реакции в атмосфере ответственны за появление мелкодисперсных фракций вторичных аэрозолей: Аэрозольные частицы образуются из .продуктов реакций: сернистого ангидрида, органических соединений, аммиака, сероводорода, оксидов азота, озона; в реакциях с водяным паром, с солевыми частицами и аэрозолями. Фотохимические аэрозоли состоят из оксидов металлов, солей нитратов и сульфатов, азотной кислоты. Так, сульфат-ион и нитрат-ион, входящие в

состав органических аэрозолей, образуются при фотоокислении оксида серы (IV) и оксида азота (IV) и составляют 50% от всей массы возникающих аэрозолей. Особенности поведения газов и аэрозолей зависят от различий химической природы, обуславливающей их химический состав на различных высотах [58, 142, 145].

Атмосфера, как и вся природная среда, обладает способностью к самоочищению. Вредные вещества, попадая в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, рассеиваются или выливаются осадками из нее. В периоды, когда осадков нет, степень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от переноса этих примесей от источника. Повышение концентрации примесей в конкретном районе города зависит от определенных состояний метеорологических параметров: скорости ветра, солнечной радиации, наличия осадков [19].

На рассеивание примесей влияет и скорость ветра, причем опасной скоростью считается 3-5 м/с. Большую опасность представляют застои воздуха, когда приземные инверсии температуры наблюдаются при скорости ветра 0-1 м/с. При застоях воздуха все вредные вещества накапливаются у источника [19,26,27].

Кислотообразующие вещества, выделяющиеся из источников, естественно не задерживаются на одном месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлению Поэтому перемешивание в тропопаузе замедляется, и загрязняющие вещества уже могут проникать в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение), что представляет собой очень медленный процесс [68].

Таким образом, те загрязняющие вещества, которые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени её пребывания в атмосфере. Все

находящиеся в атмосфере вещества, через определённое время вступают в химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность осадками [61].

1.3Механизм формирования и выпадения кислотных осадков

Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его вниманию привлек викторианский смог в Манчестере. Впервые кислотные дожди с рН (2,3-4,5) были отмечены в Западной Европе, в частности, в Скандинавии и Северной Америке в 1950х годах. За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций [146]. В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. В России за последние 5 лет, согласно результатам измерений Росгидромета, наблюдается неизменное повышение кислотности дождей (минимальные значения рН=3,2-3,4) на Урале и в Преду рал ье [61, 66, 70].

Физическая химия кислотных дождей начинается с момента рождения облачной капли. Водяные пары с поверхности океанов и суши поднимаются вверх. На первых десяти километрах от поверхности температура воздуха уменьшается линейно примерно на 6С с каждым километром. Ненасыщенный водяной пар, поднимаясь вверх, в зону понижающейся температуры, становится насыщенным. Однако, конденсации его, то есть образования капель, не происходило бы в атмосфере, свободной от твердых частиц гидрофильного характера: Такими частицами- центрами конденсации - служат атмосферные аэрозоли - микрокристаллы поваренной соли (NaCI), выносимой с поверхности соляных вод, кислого сульфата аммония (NH4HSO4), образующегося в атмосфере, и оксидов металлов, преимущественно железа, входящих в состав

выбросов. Размеры этих ядер конденсации очень малы - доли микрона (ц). После быстрого (минуты) укрупнения этих частиц за счет конденсации воды до размеров - 10ц, облачная капля начинает свой недолгий век химического микрореактора, длящийся в среднем около часа. За это время произойдет либо укрупнение капель и их выпадение в виде дождя, либо испарение - в случае ветрового переноса облака в зону более высоких температур или меньшей влажности. Облако испарившейся влаги вместе с «обсохшими» аэрозольными частицами движется далее (рисунок 1.1) [47].

При достижении зоны более низкой температуры или более высокой влажности произойдет повторное рождение облачных капель. Операция гибели - рождения облака может происходить'не один раз, что и определяет порой тысячекилометровую дистанцию прохождения облака вместе с загрязняющими веществами, оказавшимися в нем в момент его рождения.

Рисунок 1.1 - Трансформация и пути выведения из атмосферы газообразных примесей

По метеорологическим данным, до 85% образующихся облаков рассасывается подобным образом до гибели их в форме дождя через I час после рождения. Эта качественная картина поясняет, как вместе с облаками происходит так называемый трансграничный перенос загрязняющих атмосферу

веществ — оксида серы (IV), оксидов азота, метана и различных органических веществ от источников загрязнения (индустриальные центры, крупные города) в зоны лесов, в «чистые» сельскохозяйственные районы к глухим озерам и т. п. [73,131].

Процесс вымывания принято условно разделять на две стадии. На первой стадии вымываемое вещество либо участвует в образовании облачной капли, служа ядром конденсации, либо захватывается каплями облака на этом этапе их развития, когда они еще не превратились в падающие дождевые капли. Эта стадия определяется как внутриоблачное вымывание. На второй стадии вещество захватывается падающей каплей дождя на всем пути полета до контакта с подстилающей поверхностью. Вторая стадия; называется подоблачным вымыванием [61]. Большая часть физических процессов переноса вещества в каплю действует на обоих стадиях в течении всего времени жизни капли, но интенсивность их может быть разной [52],

Существует пять механизмов, благодаря которым частица или молекула газа могут попасть в каплю: диффузиофорез, броуновская диффузия, соударение и захват, растворение газа, образование капель на ядрах конденсации.

При диффузиофорезе аэрозольные частицы движутся в направлении среднего потока молекул в воздухе. Например, при конденсации молекул воды, окружающих каплю, на ее поверхность частица будет двигаться: вместе с результирующим потоком молекул воды по направлению к капле, и наоборот, при испарении капли— от ее поверхности. Подобные явления могут возникать при градиентах температуры (термофорез) и электрического поля (электрофорез). Явление диффузиофореза характерно лишь для очень мелких частиц (с!<0,1мкм). Общий вклад диффузиофореза в вымывании частиц невелик [60].

Случайные перемещения маленьких частиц, вызванных столкновениями с молекулами газа, так же могут привести к переносу частицы к поверхности капли. Скорость броуновской диффузии определяется в основном размерами

частиц, и ее влияние становиться ощутимым для частиц диаметром менее 0,1 мкм. Однако скорость диффузии даже для очень маленьких частиц намного ниже скорости диффузии молекул газа. Коэффициент диффузии уменьшается с 1,4* 10^⁴ см/с для частиц диаметром 0,01 мкм до 2,4*10"⁶ см/с для частиц диаметром 0,1 мкм. В отличие от диффузии частиц диффузия молекул газа является основным механизмом их перемещения к поверхности капли [61].

Механизм инерционного соударения и захвата имеет смысл рассматривать лишь для подоблачного вымывания, когда капля приобретает некоторую скорость по отношению к окружающему воздуху. Молекулы, газа в силу своей чрезвычайной легкости огибают каплю, в то время, как частицы с существенно большими массами сопротивляются изменениям движения, и чем массивнее частица, тем менее она подвержена таким изменениям. Инерционное соударение присуще относительно крупным частицам, которые находятся по курсу падающей капли. При контакте частицы с поверхностью капли происходит ее захват, а сульфаты и нитраты переходят в жидкую фазу. Эффективность вымывания путем инерционного соударения и захвата сильно зависит от скорости падающей капли, которая определяется ее размерами, а так же от размера и массы вымываемых частиц. Заметный вклад в подоблачное вымывание данный механизм вносит лишь для частиц крупнее I мкм [131].

Оксид серы (IV), оксид азота (IV) и азотная кислота хорошо растворимы в воде, оксид же азота (II) в воде растворяется слабо. Скорость растворения зависит от суммарной поверхности капельной фазы, температуры, физико-химических свойств газа; рН жидкости в капле и т.д. Растворение газов подчиняется закону Генри:

[S0₂H₂0]= К?'>Р*¹'; (1.18)

где К*'¹ - константа Генри для SOj;

Р^ы}' - парциальное давление диоксида серы;

[SO2' HjO] - концентрация растворенного SO2 в воде.

Согласно закону Генри, растворение газа в воде продолжается до тех пор, пока не наступает равновесие между газовой и жидкой фазами. Для капель

размером 100 мкм равновесие между газовой и жидкой фазами для оксида серы (IV) устанавливается за время, равное примерно нескольким секундам. Однако, как указывалось выше, в жидкой фазе растворенный оксид серы (IV) быстро окисляется в реакциях с ЬЬСЬ и 0₃. кроме того, повсеместно присутствующий в воздухе аммиак так же растворяется в капле и химически реагирует сернистой кислотой. Все это приводит к нарушению равновесия в системе газ-жидкость для оксида серы (IV) и в результате - к растворению дополнительных порций оксида серы (IV) в капле [61].

Таким образом, сочетание всех этих процессов ведет к постоянной недонасыщенности капли и к накоплению в ней серы за счет растворения и окисления оксида серы (IV).

Принципиально такие же процессы протекают при растворении оксидов азота и газообразной азотной кислоты, однако сопровождающие растворение химические процессы изучены слабо. Основная часть серы и азота в аэрозольной форме представлена такими соединениями, как (NH^SO^, H2SO4, (NH4)3H(S0₄)2, NH4HSO4 и NH4NO3. Гигроскопичная природа этих соединений серы и азота: делает содержащие их частицы высокоэффективными ядрами конденсации. Таким образом, этот механизм вымывания соединений серы и азота может быть весьма важным, хотя дать его количественную оценку на глобальном уровне сложно в силу высокой изменчивости полей концентрации' аэрозольных частиц.

В таблице 1.2 обобщены оценки'относительных вкладов рассмотренных выше механизмов в вымывании соединений серы и азота облачными и дождевыми каплями.

Из таблицы следует, что принципиальной разницы между эффективностью вымывания серы и азота различными механизмами нет и в целом эффективность их вымывания можно принять одинаковой. Таблица отражает

25 Таблица 1.2 - Относительный вклад (%) отдельных механизмов в

вымывании соединений серы и азота облачными и дождевыми каплями

некие усредненные условия для крупного региона. Безусловно, вблизи источников выброса, где сера и азот представлены в основном их газообразными оксидами, а не частицами, вклад растворения газов может быть существенно выше. На больших расстояниях ситуация меняется в пользу вымывания за счет облачных ядер конденсации, вклад которых в вымывание может достигать 80% [60].

Таким образом, при вымывании оксида серы (IV) и оксида азота (IV), в жидкой фазе происходит быстрое их окисление до серной и азотной кислот. В результате чего вымываемые оксиды достигают земной .поверхности в виде соответствующих кислот. Однако следует заметить, что вблизи источника выбросов при малом времени переноса закисление элементов подстилающей поверхности в значительной мере обусловлено непосредственным влиянием оксида серы (IV) и оксидов азота.

1.4 Загрязнение почв квазинриродной среды промышленного города

Изучение процессов загрязнения в придорожной зоне должно осуществляться с применением мониторинга за состоянием растений, почвы и других компонентов экосистем [17, 53, 87, 126].

Большая часть всех пылегазовых выбросов автотранспорта непосредственно из воздуха, с растений или окружающих предметов попадает на. землю: газы преимущественно в виде осадков или непосредственно самих газов; пыль под действием' силы тяжести. В почве они не остаются

бездеятельными. В зависимости от количества, длительности воздействия и вида загрязнителей, а так же свойств "почвы, - это приводит к различным отрицательным последствиям [5].

Устойчивость почвы к химическому загрязнению определяется свойствами почвы, такими как содержание гумуса, механический состав (содержание глинистых частиц), карбонатность, реакция среды, водный режим. Пылевые вещества обнаруживаются в почве непосредственно (т.е. как аналитическое вещество) или косвенно (например, за счет изменения показателя рН), но в большинстве случаев как скопление в верхнем слое почвы. Например, присутствие в почве до 20% оксида кальция ведет к нейтрализации и увеличению значения рН. Из-за обилия в почве кальция может происходить интенсивное перемещение питательных веществ, снижения поглощающей способности калия, фосфора, азота и микроэлементов ведут к поражению растений придорожных территорий. Иногда это вызывает образование на почве бетонообразных слоев, и тогда она становится совершенно непригодной для растений [8].

Входящий в состав отработанных газов оксид серы (IV), хорошо сорбируется почвой. К числу факторов, способствующих лучшему поглощению оксида серы (IV) почвой, относятся присутствие в ней карбоната кальция, влажность почвы, ее кислотность и дисперсность, а также присутствие в почве микроорганизмов. Оксид серы (IV), проникая с воздухом и водой в поры почвы, соединяется с основными элементами, образуя труднорастворимые сульфаты. В результате сокращается запас питательных веществ при одновременном увеличении кислотности почвы, усиливая активность трансформации азота, что способствует деградации гумуса [6]; Скопление твердой подстилки, например неразложившихся, пораженных оксидом серы (IV) листьев растений, является следствием отравления земляных бактерий и истощения почвенных микроорганизмов: многие организмы при низких показателях рЫ становятся нежизнеспособными. Известно, что с увеличением молекулярной массы газообразных органических веществ и количества функциональных групп в

молекулах, содержащих азот, кислород и серу, возрастает скорость абсорбции таких соединений почвой. Абсорбция легких углеводородов почвой зависит в свою очередь от вида почвенных бактерий и интенсивности микробиологических процессов, протекающих в почве. Например, почва способна полностью поглотить оксид углерода (II) из газовой смеси, содержащий 13,6*10 мкг/м этого газа всего за три часа. Причем, использование стерилизованной почвы, насыщение ее антибиотиками приводит к существенному замедлению и прекращению процесса поглощения оксид углерода (II) почвой. Природные почвы обладают большей способностью поглощать оксид углерода (И), чем обрабатываемые; увеличение содержания органических соединений в почве и уменьшение рН почвы приводит к повышению эффективности почвы с точки зрения поглощения ею оксид углерода (II) из атмосферного воздуха [65].

Оксид азота (II) окисляется в почве до оксида азота (IV), причем в почвах с высокой кислотностью оксид азота (II) менее устойчива, чем в щелочных почвах. Трансформация азота в почве осуществляется по следующим процессам:

фиксация атмосферного азота бактериями;

аммонификация органических азотсодержащих соединений до аммиака и иона аммония с помощью бактерий;

нитрификация - окисление аммиака до нитратов и нитритов с помощью бактерий, восстанавливающих азот до различных оксидов и до молекулярной формы, потеря азота в атмосферу;

фиксация иона аммония глинистыми частицами;

- вымывание различных соединений азота внутрипочвенным и
поверхностным стоком [41].

Механизм поглощения почвой оксида азота (IV) включает в себя также реакции этого газа с катионами щелочных металлов, содержащихся в почве, приводя к образованию нитрата калия и натрия; с почвенной водой, что приводит к образованию азотной и азотистой кислот; с органическими

соединениями в почве. Кроме того, оксид азота (IV) в газообразной форме может находиться и в воздушном пространстве между частицами почвы. Так как аммиак в атмосфере содержится в виде сульфата аммония, поглощение газообразного аммиака почвами, по-видимому, не играет существенной роли в выведении восстановленных соединений азота из воздуха. Наиболее эффективно восстановленные соединения азота удаляются кислыми почвами [8].

Следовательно, перечисленные воздействия могут привести к негативным изменениям физических свойств почвы. Однако, следует учитывать и тот факт, что газообразные вещества вступают в соединения с составными частями почвы, а их зачастую не определишь как вредное вещество' [57,109].

Поступающие с осадками сильные кислоты действуют на буферную емкость почвы. В отношении многих почв наблюдается вымывание ионов, важных для питания растений. Попадающие в почву протоны замещают катионы, сорбционно связанные с коллоидными частицами почвы, и в: результате эти частицы мигрируют в глубокие слои, становясь недоступными для корней растений. Поэтому, даже если рН почвы остается постоянным, плодородие почвы падает [128].

Экосистемы сохраняют равновесие до тех пор, пока образующиеся или поступающие в почву свободные ионы водорода могут быть нейтрализованы. Если скорость образования или поступления: превышает скорость нейтрализации, происходит сдвиг из одной буферной зоны в другую с более низким диапазоном рН: При этом нарушаются условия обитания экосистемы и снижается ее продуктивность. Если; почва- находится на грани равенства скоростей, добавление даже небольших порций кислоты может привести к резкому сдвигу всей системы [61, 117],

Выпадение кислотных дождей и сорбция почвой оксида серы (TV) приводит к увеличению в ней общего содержания серы, к увеличению содержания сульфата в почвенном растворе и уменьшению рН [131].

Способность растения использовать дополнительную серу тесно связана с циклом азота. В экосистемах, где фиксация азота происходит быстро, дополнительно внесенная сера может привести к усилению роста [80, 84].

По своему химическому составу, в том числе по показателю рН, почвы могут резко отличаться Друг от друга. Оптимальный диапазон рН для жизнедеятельности большинства растений находится в пределах 5—7, Изменение рН внутри этого диапазона не вызывает какого-либо заметного снижения плодородности почв. Однако падение рН ниже 5 приводит к значительному изменению свойств почв и прогрессирующему уменьшению их плодородия. При рН равном 3 почвы становятся практически бесплодными. Из сказанного следует, что в наибольшей степени закисленню подвержены почвы, имеющие начальную кислую реакцию. К таким почвам относятся широко распространенные кислые подзолы (с рН=4-5) [61].

Уменьшение рН почвы приводит к целому ряду последствий:

увеличивается проводимость почвенных растворов;

увеличивается концентрация ионов водорода, который может сбалансировать избыток анионов в кислых почвах;

сульфат замещает гидроксид алюминия и железа, что приводит к увеличению содержания растворимых форм этих металлов;

- изменяется растворимость многих катионов почвы [29, 63, 90].
При закислении почвы резко меняется характер питания растения, так

как повышается концентрация различных элементов в почвенном растворе вследствие их перехода из обменной фазы в водорастворимую: возрастает поглощение марганца, кобальта, цинка, железа, а так же калия и магния, но в значительно меньшей степени. Для растения в условиях кислых почв, содержащих много алюминия, избыток растворимого марганца весомо вреден, поскольку вызывает дефицит кальция и меди. В этих условиях фосфор становится малодоступным для корней растения из-за связывания его в труднорастворимую соль [61].

При избытке S0₄²' в почве возникает дефицит доступного кальция из-за связывания его в труднорастворимую соль CaSO.*. от недостатка кальция прежде всего страдает корневая система: корни перестают расти, развиваться, утолщаться и ослизняться. Роль кальция во многих химических и микробиологических процессах, в поддержании структуры почвы настолько велика, что потребность в нем больше физиологически необходимого для растения количества [30, 107, 111].

Закисление почвы снижает разложение органических веществ, поскольку большинство бактерий, грибов и водорослей процветают в нейтральной среде. Это снижает интенсивность круговорота органических веществ в системе почва — растение. Кроме того, в кислой среде снижается продуктивность азотофиксирующих бактерий [125].

Типичный представитель бактерий - азотобактер - полностью погибает при рН<5,0. Это приводит к ограничению поступления связанного азота в организм растения и снижению скорости его роста. Кроме того, при повышении кислотности почв изменяется ее физическая структура. В частности, снижается грануляция, отдельные комочки слипаются, почва уплотняется и становится похожей на плотную глину. Воздухопроницаемость почвы при этом резко падает, что негативно сказывается на жизнедеятельности корневой системы [33, 61].

Таким образом, важным обстоятельством воздействия кислотных осадков на почвы является то, что эффекты могут проявляться спустя длительное время после прекращения кислотных осадков. Для восстановления физико-химических свойств почвы требуются многие годы. В ряде случаев на закисленной почве может сложиться принципиально отличная от прежней экосистема, которая будет поддерживать свойственные ей физико-химические параметры почвы. В этом случае можно говорить о наличии необратимых изменений в окружающей природной среде [31, 76, 90].

1.5 Влияние кислотных' о сад icon на приролиые компоненты городской среды

Загрязнение окружающей среды отработавшими газами и продуктами их превращения (кислотные дожди) оказывают заметное влияние на состояние экологических систем суши и пресных вод [6, 88, 144].

К настоящему времени имеется большой объем данных об экологических последствиях выпадения атмосферных осадков в пресноводные водоемы. Закисление природных водоемов кислотными дождями вызывает серьезные нарушения в экосистемах закисленных водоемов. Кислотные осадки изменяют рН водной среды, ее гидрохимический режим, оказывают токсическое действие на биоту, которое обусловлено как понижением рН среды, так и специфическим токсическим действием ионов и недиссоциированных молекул [89].

Большой ущерб при закислении водоемов наносится в результате нарушения пищевых цепей и конкурентных отношений. На ранних стадиях закислення именно эти факторы могут гораздо серьезнее влиять на состояние экосистемы, чем сама кислотность воды. Даже при небольшом закислении (рН<6,0) резко снижается численность популяций водорослей — первичных продуцентов, - уменьшается их видовое разнообразие. Явно выраженная реакция на закисление характерна и для зоопланктона, например ракообразных (Crustacea) и коловраток (Rotatoria): происходит снижение численности многих видов зоопланктона и объединение сообществ, что усугубляется вторичными эффектами за счет снижения количества фитопланктона, служащего зоопланктону пи щей [131].

Кислотность почв влияет на бактерии, актином и цеты, грибы, водоросли; причем грибы, как правило, иначе реагируют на снижение рН почвы, чем остальные группы почвенной микрофлоры.

Изменение численности почвенных микроорганизмов и связанное с этим изменение таких биохимических процессов в почве как разложение

органических веществ и превращение загрязняющих соединений, влияет на структуру почвы и, в конечном счете, на продуктивность растений [32, 60].

Влияние закислення на наземные экосистемы не является столь безусловным, как в случае водных экосистем. Положительные или отрицательные показатели продуктивности древесных пород не является однозначным и очевидным [93, 131].

Кислотные осадки воздействуют на растения либо косвенным: путем, через почву и корневую систему, либо непосредственно (главным образом через листовую пластинку).

Косвенные воздействия проявляются по-разному. В частности, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву биогенным компонентом. Однако, чрезмерное поступление азота ведет к закисленню почвы [1].

Уменьшение кислотности почвы приводит к целому комплексу взаимосвязанных изменений в питании растений [86]. Прямое воздействие ионов водорода приводит к задержке поступления азота и зольных элементов, подавляет синтетические процессы; в корнях и надземных органах, нарушает углеводно-белковый обмен, тормозит рост корней. У растений, особенно молодых, подкисляется клеточный сок, хотя буферная способность его велика. рН почвенного раствора влияет на мембранный потенциал корней и на транспортную систему. Низкое значение рН изменяет форму анионов почвенного раствора, что влияет на скорость их поглощения [107].

Наряду с влиянием кислотных дождей на рост растений, имеют место видимые поражения. При рН осадков 6-5,5 качество листвы и хвои внешне не изменяется, однако сильно сокращается скорость роста молодых побегов. Установлена высокая чувствительность саженцев ели_; к кислотным дождям. При рН=3 наблюдается общее увядание, хвоя усыхает и приобретает рыже — коричневый цвет, сначала на остриях, а затем по всей длине иглы. Это так называемые «ожоги», которые характерны и для лиственных пород деревьев и

травяных растений. Аналогичные изменения обнаружены и в случае кислотных туманов (облаков) [112];.

Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закисленню объектов окружающей среды в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ .могут произойти неблагоприятные изменения, и, в конечном счете, сам человек страдает из-за происходящих при этом необратимых процессов [22, 51]. Косвенные факторы опасности кислотного дождя для здоровья человека связаны с высвобождением тяжёлых металлов из почвы и осадочных пород вследствие усилившегося окисления. Эти металлы могут попадать в подземные воды, озёра, реки, откуда берут питьевую воду, в продукты питания растительного и животного происхождения и, в конечном счёте,. в организм человека [39].

Таким образом, находящиеся в атмосфере кислотообразующие вещества и. кислотные дожди, не только способствуют разрушению металлов, конструкций, зданий, сооружений, но и наносят вред состоянию экосистем и здоровью человека.

1.6 Выводы по первой главе и основные направления исследований

4. Анализ литературы показывает, что основными источниками пьтлегазовых выбросов в условиях промышленного города являются промышленные предприятия и автомобильный транспорт, а пылегазовые примеси, поступающие в придорожное пространство, трансформируются в кислотообразующие ионы и закисляют природную среду.

5. Большая часть пылегазовых выбросов и кислотных осадков попадает в почву, что приводит к различным отрицательным последствиям. Важным обстоятельством.воздействия кислотных осадков на почвы является то, что эффекты могут проявляться спустя длительное время после выпадения

кислотных осадков. Это вызывает необратимые изменения в почвенном покрове.

3. Загрязнение урбанизированной территории отработавшими газами и продуктами их превращения (кислотные дожди) может оказывать заметное влияние на состояние экологических систем и здоровье населения.

Целью данной работы является прогноз и оценка изменений, происходящих в компонентах квазиприродной среды урбанизированной территории под действием кислотных дождей.

Исходя из цели и задач работы, были определены основные направления исследований:

6. Определение основных факторов, влияющих на формирование и выпадение кислотных осадков на улицах промышленного города.

7. Оценка воздействия кислотных осадков автотранспортного происхождения на качество природных сред урбанизированной территории.

8. Разработка способов управления качеством сред в системе «улица города».

35 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика примесей и атмосферном воздухе города Оренбурга

Воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду в настоящее время определяется значительными объемами выбросов в атмосферный воздух. Особенно ухудшилась экологическая обстановка в промышленных городах, где сосредоточены крупные промышленные предприятия и автомобильный транспорт [110]. Для объективной оценки степени загрязнения окружающей среды и принятия эффективных мер но оздоровлению экологической ситуации необходимо иметь достаточную информацию об источниках загрязнения, составе и количестве выбросов вредных веществ [78].

Качество атмосферного воздуха промышленного города определяется количеством выбросов веществ-загрязнителей в него, а также динамикой воздушных потоков. Нами систематизированы, данные о выбросах в атмосферный воздух промышленного города; а также его метеонараметры, отвечающие за трансформацию и перенос примеси в среде. В качестве объекта исследования были приняты природные среды города Оренбурга, который является одним из крупнейших промышленных городов Уральского экономического региона. Его площадь составляет 333,9 км², а население - 573 тысяч человек [119]..

Причем город Оренбург расположен в кольце предприятий газоперерабатывающего комплекса и теплоэнергетики:

на северо-западе расположены: Каргалинская ТЭЦ (КТЭЦ), Оренбургский газоперерабатывающий завод (ОГПЗ), Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) и Сакмарская ТЭЦ (СТЭЦ);

на юге расположены объекты Оренбургского газопромыслового управления (ОПТУ).

36 Следовательно, расположение города Оренбурга по отношению к

газодобывающему и газоперерабатывающему комплексам таково, что при

любом направлении ветра город через атмосферу подвергается воздействию

загрязняющих веществ этих предприятий [132]. Теперь рассмотрим основные

источники выбросов примесей в атмосферный воздух г, Оренбурга.

В самом городе сосредоточено 130 промышленных предприятий и организаций; Количество источников загрязнения атмосферы в городе составляет 2910 [42, 119]. По данным Оренбургского областного комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов валовый выброс вредных веществ от стационарных источников в атмосферу города Оренбурга в 1999 году составил 60,65 тыс. т., от передвижных источников 103,54 тыс. т. [132]. Суммарный выброс составил 164,19 тыс. т (рисунки 2.1, 212). Основными стационарными источниками выбросов в атмосферу являются ООО «Оренбурггазпром» (70%), Сакмарская ТЭЦ (25%) и ЕСаргалинская ТЭЦ (5%) [133].

Из данных диаграммы видно, что суммарные выбросы загрязняющих веществ в
атмосферу города за последние четыре года увеличились на

31,29 тыс. т (19,1%). Причем, в связи с уменьшением объемов выпускаемой продукции за период 1995-1999 г.п, выбросы вредных веществ от стационарных источников сократились на 6,9%. Следовательно, появился источник выбросов, компенсирующий их снижение от стационарных источников. Таким источником является транспортно-дорожный комплекс. Его доля в выбросах в атмосферу города Оренбурга возросла с 503 тыс. т. до 103,5 тыс. т. и составляет 63; 1% от суммарного выброса вредных веществ [133]. Сравнение уровней загрязнения атмосферы различными предприятиями города Оренбурга выявило различные геохимические ассоциации загрязнителей в атмосфере. В работе Борисовой Л.Б. [26] и Чекмаревой О.В; [138] проведена оценка качества атмосферы через интегральные характеристики: суммарное количество выбросов и комплексные показатели (КОВ, КОП). Причем расчет параметров произведен по пяти основным примесям в атмосфере: пыли, сероводороду, оксиду углерода, оксидам серы и азота.

о 100

>

о 23

El Суммарный выброс

Автомобили

1995 1996 1997 1998 1999 годы

Рисунок 2.1 - Динамика валовых выбросов от передвижных источников в г. Оренбурге за 1995-1999 гг.

о 100

о 1

3 Суммарный выброс

Стационарные источники

1995 1996 1997 1998 1999 годы

Рисунок 2.2 - Динамика валовых выбросов от стационарных источников в г. Оренбурге за 1995-1999 гг.

3« Оценка качества атмосферы города Оренбурга проведена через

категорию опасности города (KOF) (таблица 2.1).

Таблица 2Л - Ранжирование предприятий г. Оренбурга по категории опасности предприятия

Следовательно, значения категории опасности предприятий дают наиболее полное представление о вкладе каждого конкретного предприятия в загрязнение атмосферы промышленного города. Причем самым мощным источником выбросов примесей в атмосферу следует считать автомобильный транспорт (70%), затем идут предприятия теплоэнергетики (14%) и газопереработки (5%). То есть, 81% токсичных выбросов в атмосферу промышленного города дают мелкие и передвижные источники, что делает проблему очистки воздушной среды трудно решаемой.

При планировании мероприятий по очистке, атмосферы от веществ-загрязнителей важным моментом является выявление веществ, представляющих наибольшую опасность для экосистемы города. В структуре выбросов вредных веществ от стационарных и передвижных источников преобладают газообразные и аэрозольные выбросы. Оценка, и ранжирование веществ в атмосфере города Оренбурга проведены по значениям категории опасности вещества (КОВ) [132], рассчитанным для каждой отдельной примеси (таблица 2.2).

У)

Таблица 2.2 - Ранжирование предприятий по выбросам веществ в атмосферу

По массе выбросов для Оренбурга к наиболее значимым загрязняющим веществам относятся оксид серы (IV) и угарный газ - 25200 и 18700 т/год (рисунок 2.3) [132]. С учетом токсичности в атмосфере города самыми опасными веществами являются оксид азота (IV) - 1,2-10⁹ м³/с, оксид серы (IV) - 1,6-10⁷ м³/с и пыль - 7,6-10⁵ м³/с (рисунок 2.4).

По данным Оренбургского областного комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов, нами проведен анализ состояния атмосферного воздуха в городе Оренбурге. Так как основными загрязняющими веществами в атмосфере города от стационарных и передвижных источников являются оксиды азота, оксид углерода, соединения серы и пыль, то оценка осуществлялась по этим примесям.

Анализ результатов показал, что в атмосферном воздухе наиболее высокой является концентрация оксида углерода, равная 1,0-2,0 мг/м. На порядок ниже содержание пылевого аэрозоля - 0,2 мг/л. На два, три порядка ниже концентрация оксида азота и соединений серы. Причем за период с 1997 по 1999 г.г. содержание угарного газа в атмосфере возросло в 2 раза, a NO2 - 1,2 раза.

60000-/

о 50000

2 40000 о

вщества

S

оксид серы (IV)

оксид углерода

оксид азота (IV)

пыль

сероводород

прочие

оксид серы оксид азота сероводород
(IV) (IV)

Рисунок 2.3 - Ранжирование загрязняющих веществ по массе выбросов в атмосферу Оренбурга

'вщества

. ; " : ........ . . .... ...... .. . . .. . . ,_: . .

12000^0000

1200000000-f

о 1000000000-

liMffliffiiii

оксид серы оксид азота сероводород (IV) (IV)

оксид серы (IV)

оксид углерода

оксид азота (IV)

пыль

сероводород

Рисунок 2.4 - Ранжирование загрязняющих веществ по КОВ в Оренбурге

РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
4 1 БИБЛИОТЕКА

В таблице 2.3 приведены характеристики уровней загрязнения атмосферного воздуха.

Таблица 2.3 - Динамика уровня загрязнения атмосферы города Оренбурга с 1997 по 1999 гг. по показателю превышения ГҐДК

Из таблицы 2.3 видно, что высок уровень загрязнения атмосферы города Оренбурга по пыли и оксиду азота (IV): их средние концентрации превышают ПДК в 1,3 и 1,5 раза соответственно. Причем наибольший вклад в загрязнение воздушной среды урбанизированных территорий вносят пылевой аэрозоль (до 40%) и оксид азота (IV) (до 39%).

На уровне ПДК вредные вещества не влияют на здоровье населения города. По мере увеличения превышения ПДК негативные воздействия разных примесей возрастают с разной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества. Для оценки влияния отдельно взятой- примеси на качество атмосферного воздуха г. Оренбурга нами использовался индекс загрязнения атмосферы (H3A=ji) [132], который рассчитывали по формуле:

Л=<—Г (2-1)

ПДК,

42 Таблица 2.4 — Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) г. Оренбурга по

отдельным примесям за период с 1997 по 1999 г.

Из данных таблицы 2.4 видно, что наибольшее значение ИЗА характерно для пыли и оксида азота (IV). Причем пороговые значения индекса загрязнения атмосферы, рассчитанные за год [110], показывают, что уровень загрязнения атмосферы г. Оренбурга в..1997 году считается настораживающим (величина ИЗА меньше четырех), а в 1998 и 1999 годах - опасным (4<ИЗА<17).

Таким образом, основным источником загрязнения атмосферы промышленного города считается автотранспортный комплекс, вклад которого от суммарного выброса загрязняющих веществ в атмосферу в городе Оренбурге составляет 63,1%. Примеси, наиболее токсичными компонентами которой являются соединения азота и пылевой аэрозоль, распространяясь в придорожном пространстве, будут воздействовать на все компоненты городской среды.

2.2 Характеристика квазиприродных сред промышленного города 2.2.1 Характеристика улиц города - элемента экосистемы

Улицы современного города представляют собой сложные системы. Они определяют лицо города и степень его благоустройства [45, 102]; Городские

43 улицы связывают в единую транспортную сеть различные районы города,

служат для движения транспорта, пешеходов, а также размещения зданий и

элементов благоустройства. Проезжая часть, тротуары, полосы зеленых

насаждений, линии жилой, административной и промышленной застройки

образуют улицу [133]. Известно (глава 2.1), что основным источником

выбросов на улицах промышленного города является трансиортно-дорожный

комплекс. Вещества-токсиканты поступают в придорожное пространство как в

процессе работы двигателя внутреннего сгорания, так и при взаимодействии

автомобиля при движении с поверхностью дороги.

Улица любого города представляет собой протяженный источник выбросов выхлопных газов и пыли^ а также пространство, в котором они рассеиваются и воздействуют на компоненты экосистемы и население данной территории. В качестве объектов исследования были выбраны 20 улиц, расположенных в различных районах города Оренбурга, различающихся по техническим категориям, структуре и интенсивности проходящих по ним транспоргных потоков, а также по характеру застройки придорожного пространства. Среди выбранных улиц, согласно СНиП 11-60-75*, 40% составили магистральные улицы общегородского значения регулированного движения: имеют четыре полосы движения, с шириной одной полосы 3,7 м и интенсивностью транспортного потока 1000-2500 автомобилей в час со средней скоростью 80 км/ч; 25% - магистральные улицы районного значения: имеют три полосы движения, с шириной одной полосы 3,5 м и интенсивностью движения 200-1000 автомобилей в час со средней скоростью 60-80 км/ч; 35% - улицы местного значения: имеют две полосы движения, с шириной одной полосы 3 м и интенсивностью - менее 200 автомобилей в час со средней скоростью 40-60 км/ч (таблица 2.5).

Для оценки качества придорожных территорий необходимо учитывать такой показатель, как интенсивность движения транспортных потоков (количество транспортных средств в час) (таблица 2.5). Из таблицы видно, что интенсивность движения на магистральных улицах общегородского значения увеличивается в среднем в 5 раз по сравнению с магистральными улицами районного значения и в 50 раз - с улицами местного значения.

р о>

с р

к>

V» I

X р xt р

н я

*й

к я

»

тз а К

тз 3

45 Известно, что накопление вредных веществ в атмосфере придорожных

зон находится в зависимости от интенсивности движения транспортного потока

по улицам города[43, 82]. Выяснено [106, 132], что опасность отработавших

газов (ОГ) автомобилей является функцией опасности веществ, входящих в их

состав. Накопление вредных веществ в воздухе промышленного города

находится в зависимости от интенсивности движения транспортного потока по

улицам города. В таблице 2.6 представлены данные по суммарному выбросу

для трех улиц города Оренбурга различного назначения.

Таблица 2.6 - Количество выбросов загрязняющих веществ от

автотранспорта по сезонам на улицах различного назначения

Наибольший выброс загрязняющих веществ от автотранспорта 2,21 тыс. т/год наблюдается на магистральных улицах общегородского значения. Для магистральных улиц; районного значения выбросы вредных веществ от автотранспорта составили 115 т/год. Для улиц местного значения выбросы вредных веществ составляют 5,2 т/год. По количеству выбросов^ наиболее значимыми загрязняющими веществами в выбросах автотранспорта являются оксид углерода (II) (79%), углеводороды (13%») и оксид азота (IV) (7,5%). При увеличении интенсивности движения в 50 раз выбросы оксида

,46 углерода (II) увеличиваются в 450 раз, углеводородов в 360 раз, оксида азота

(IV) в 470 раз. Наибольшая масса выбросов наблюдается в летний период и по

сравнению с зимой выбросы оксида углерода (II) и оксида азота (IV)

увеличиваются в 1,2 раза, а углеводородов в 1,3 раза.

В работе Чекмаревой О-В. [138] проведено ранжирование улиц по категории опасности автомобиля, которое показало, что все магистральные улицы общегородского значения относятся к источникам выбросов первой категории опасности; (КОА>31,7* 10⁶). Основной вклад в эту величину дают соединения азота. Магистральные улицы районного движения при интенсивности движения свыше 1000 авт./час относятся также к источникам выбросов первой категории опасности (ул. Шевченко). Улицы с меньшей интенсивностью движения относятся к источникам выбросов третьей категории опасности (31,7* 10⁴>КОА>31,7* Ю³). Улицы местного значения относятся к источникам выбросов четвертой категории опасности (КОА<31,7* 10³).

Пространственный масштаб воздействия веществ-токсикантов колеблется в широких пределах. Концентрация загрязняющих веществ от передвижных источников в результате процессов рассеивания и выпадения примесей: убывает с расстоянием от проезжей части [65, 74]. Поэтому, для снижения техногенного воздействия на окружающую среду и здоровье населения необходимо соблюдать санитарно-гигиенические нормы проектирования линии жилой и административной застройки на улицах промышленного города.

Следует отметить, что на многих магистральных улицах города линия застройки приближена к полотну дороги до 10 метров (таблица 2.6). Такая картина наблюдается в центральной и старой частях города Оренбурга (улицы Володарского, Туркестанская, Рыбаковская, Шевченко, пр. Победы и другие). Причем такие территории составляют 36,7%. Магистральные улицы с линией застройки, удаленной до 25 м, составляют 33,3%. В новых микрорайонах жилые дома находятся на расстоянии 50-100 м от полотна дороги и отделены от проезжей части лесопосадкой. Но сейчас вновь наблюдается строительство

47 домов вблизи дорожного полотна, что следует считать совершенно неприемлемым для города. Основными факторами, формирующими неудовлетворительную санитарно-гигиеническую обстановку в жилых микрорайонах города Оренбурга являются поллютанты атмосферного воздуха и их накопление природными компонентами городской среды [23, 24, 36].

Таким образом, улицы города являются одновременно источниками пылегазовых выбросов в атмосферу, города и пространством, принимающим их. Уровень антропогенного воздействия от автотранспорта на компоненты природной среды улиц сильно различается. Он особенно велик на улицах магистрального значения и в 100-1000 раз ниже на улицах местного значения. То есть должно происходить значительное загрязнение городской среды. Вымывание и оседание пылегазовых примесей должно привести к закисленню почв, в результате чего может снизиться продуктивность придорожных фитоценозов и может наблюдаться их деградация,

2.2.2 Анализ состошшя почв селитебных территорий города Оренбурга

Почвенный покров - главный компонент биосферы, определяющий ее оптимальную жизнедеятельность. Ему присуща универсальность, проявляющаяся в способности производить биомассу, участвовать в аккумуляции солнечной энергии, выполнять биологическое разрушение вредных веществ и т. д. Обладая комплексом экологических: функций в биосфере и экосистемах, почва выступает их связующим звеном [22, 69]. Повышение антропогенных нагрузок на 'городской ландшафт, токсичные выбросы промышленных предприятий и транспортао-дорожного комплекса приводят к загрязнению почв урбанизированных территорий. Современная урбанизация является одним из важнейших факторов антропогенного воздействия на природу, формирующих глобальную экологическую ситуацию. Результатом антропогенного воздействия является также нарушение

48 микроклимата и гидрологического режима урбанизированной территории [37].

Происходит безостановочный процесс замены естественной природной среды

на среду, искусственно созданную человеком. Искусственная среда обитания

достигает максимальной степени выражения в структуре современных

мегаполисов.

Под давлением застройки на территориях, особенно расположенных на техногенных, насыпных грунтах, происходят их деформации, которые при воздействии динамических нагрузок усиливаются. В промышленных зонах эти же последствия выражаются более интенсивно. Инженерное освоение территории приводит к преобразованию природных ландшафтов в; техногенные. Отражением геохимии ландшафта является почва. Через нее проходят все миграционные потоки вещества (водные и воздушные), под действием которых она геохимически изменяется, влияя в свою очередь на сопредельные среды.

Городская почва резко отличается от зональной главным образом тем, что ее ненарушенный профиль сохраняется локально. На большей территории города наблюдается механическое нарушение почвенного профиля и захоронение под ней строительного мусора, остатков фундаментов разрушенных зданий, подземных коммуникаций. На территории города возникла новая модификация почв, называемых техноземами.

Промышленное загрязнение почв идет в основном через атмосферу путем осаждения паров, аэрозолей, пыли. Дымовые газы вносят в почву промышленных городов сернистую и серную кислоту (SOj ', SO3 "X которые с воздухом и водой проникают в поры, где, соединяясь с основными элементами почвы, образуют труднорастворимые сульфаты. В результате сокращается; запас питательных веществ при одновременном увеличении кислотности почвы. Накопление почвой промышленно-транспортных выбросов приводит к нарушению биопродуктивности почв, уменьшению поглотительной способности и изменению окислительно-восстановительных процессов.

Вытаптывание растительного, покрова также приводит к уплотнению почв [3, 5]. Нами были проведены исследования на ул. Терешковой, ул. Салмышской и ул. Юных Ленинцев, по которым можно судить о площади вытоптанных земель. По полученным данным установлено, что наибольшая площадь вытоптанных земель находится на ул. Терешковой и составляет до 10%, примерно одинаковая площадь вытоптанных земель на ул. Салмышская и ул. Юных Ленинцев: 4% и 4,5% соответственно. В результате уплотнения почв происходит изменение их гранулометрического состава, водного режима, физических, химических свойств.. Учитывая то, что почва является экологическим узлом биосферы, обеспечивает сопряжение биологических и биохимических процессов, то процессы деградации в почве, неизбежно будут отражаться на функционировании экосистемы в целом [5].

Негативное воздействие автотранспорта на окружающую среду усиливается в Оренбурге из-за-недостаточного увлажнения и эрозии почв. На уплотненной почве усиливаются испарение и сток влаги с поверхности, смыв гумуса, в результате чего возникают оголенные пятна [90]. Ведется активное освоение геологической среды города Оренбурга (подземные коммуникации, гаражи, склады и др.).' Одновременно с этим возникают условия для техногенных процессов: неравномерное: увлажнение грунтов приводит к снижению их несущей способности; под весом зданий уплотняются естественные грунты. Закрытость территории асфальтом и зданиями в городе Оренбурге местами достигает предела- 100%. Такая ситуация складывается в основном в старой части города ив новых микрорайонах.

С уплотнением почвы возникают условия для новой формы ее химического загрязнения. Обработка земли тяжелыми машинами, уличный транспорт и строительство приводят к уплотнению больших участков окультуренных земель, что приводит к забиванию пор земли.. В результате уменьшается влагоемкость и снабжение почвы кислородом. Почва обладает некоторыми свойствами, которых лишены воздушная и водная среды. Частицы

50 почвы эффективно задерживают твердые взвеси из вод, просачивающихся в

почву. Следовательно, почвы в течение ряда лет могут удерживать вредные

вещества, не давая последним возможности перейти в фунтовые воды. При

снижении способности почвы к обеззараживанию вредных веществ последние

могут интенсивнее распространяться в окружающей среде. В уплотненной

почве усиливаются восстановительные процессы, что в значительной степени

может отразиться на плодородии почвы.

Происходит процесс замены естественной природной среды на среду искусственно созданную человеком. В сложившихся условиях особую актуальность приобретает разработка эффективных методов анализа и прогноза экологической ситуации на региональном уровне.

На территории города Оренбурга следует выделить центральную и старую части города, а также частный сектор, где степень застроенности придорожных территорий велика, а оставшаяся свободной почва представлена искусственным насыпным покровом (до 50%). Но она настолько уплотнена в результате вытаптывания, что неспособна обеспечить нормальных условий существования растениям и почвенным организмам. В настоящее время искусственный насыпной покров широко используется при создании фитомодулей на улицах города Оренбурга.

Таким образом, почвенный покров городских экосистем характеризуется большим разнообразием (от насыпного грунта до окультуренных почв в садах). Так как с техногенными: изменениями рельефа связаны изменения химико-минералогического и гранулометрического состава почво- грунтов, определяющие условия газообмена и водообмена, тепловой режим, то состояние растительности городских территорий во многом будет зависеть от состояния техноземов.

51 2.2.3 Исследование растительного покрова придорожных

территорий улиц города Оренбурга

Городская среда обитания отличается от среды естественных экосистем комплексом абиотических ' факторов. Различие температурного, гидрологического и ветрового режимов даже на близлежащих участках городской территории обуславливает формирование специфических для условий города Оренбурга сообществ растений [11, 32, 132].

Виды растений, распределяясь в пространстве в соответствии с потребностями организмов и условиями местообитания, создают своеобразное ярусное строение растительных сообществ. Ярусы, как часть слоя растительного сообщества, в котором располагаются ассимилирующие органы растений - листья, стебли, или всасывающие участки корней, образованы деревьями, ниже располагается'ярус кустарников, затем ярус трав.

Видовой состав является очень важным признаком сообщества. Он определяет специфику и внешний вид биогеоценозах [148]. Особенно важен набор растительных видов, обусловливающий специфичность образования биологической продукции в каждом конкретном биогеоценозе. Нами проводились исследования растительности придорожных территорий улиц города Оренбурга. В основном растительность представлена искусственными насаждениями. Среди древесных видов нами отмечены:

клен американский (Acer negundo L.),

клен татарский (Acer tataricum L.),

вяз шершавый (Ulmus glabra Huds.), -тополь белый (Populus alba L.),

тополь черный (Populus nigra L.).

В составе травянистого яруса можно отметить незначительную долю степных зональных видов. К ним относятся: тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.), полынь шелковистая (Artemisia sericea Web.) и некоторые другие. В целом облик растительности здесь формируют виды, которые

52 принято называть синантропными - виды сорной и рудеральной

растительности. Наиболее обычны: полынь горькая (Artemisia absintium L.),

горец птичий (Polygonum aviculare L.), марь белая (Chenopodium album L.) и

другие. Результаты исследований Гусевой О.Н. [132], показали, что для флоры

города Оренбурга характерно преобладание синантропного элемента

растительности (рисунок 2.5).

14% 17%

• Виды степной растительности

  Виды сорно-рудеральной растительности

  D Декоративные виды 69%

  Рисунок 2.5 - Растительность промышленного центра Количество видов в каждом фитоценозе может быть различно. Знание количественного участия видов в сообществе помогает установить их роль в существовании фитоценоза. Каждый вид, входящий в сообщество представлен там не единично, а большим числом экземпляров. В результате в фитоценозах создается высокая плотность растительного населения [108]. Нами исследовался вид, представленный в фитоценозе очень большим количеством экземпляров, зарегистрированных на определенной площади, который называется доминант. Для этого на 1 м придорожной территории улиц различного назначения регистрировали видовую и экземплярную насыщенность фитоценоза (таблица 2.7).

  Результаты исследований, представленные в таблице 2.7, показали, что на придорожных территориях улиц города Оренбурга преимущественно (до 70%) произрастают два вида растений - горец птичий и марь белая. Причем, на

  Таблица 2.7 - Видовой состав травянистых растений придорожных

  территорий улиц города Оренбурга

  улице Терешковой (МОЗ) экземплярная насыщенность горца птичьего находится в пределах 32 - 55%, на пр. Победы (МОЗ) - 21-37%», на пр. Гагарина (МОЗ) - 25-41%. Несколько реже встречается в придорожной зоне

  54 марь белая, ее процентное соотношение для улиц общегородского значения

  составляет 14 - 45%, для улиц районного и местного значения - 15—36% и 17—

  28% соответственно.

  На улицах Салмышская, Шевченко и Юных Ленинцев горец птичий также является доминантным видом; так как экземплярная насыщенность составляет 48-70%, 44-52% и 27-38% соответственно.

  В меньших количествах на улицах города Оренбурга произрастают такие виды растений, как одуванчик лекарственный, молочай прутовидный, полынь горькая. Так, на улицах общегородского значения в количественном отношении данные виды распределяются следующим образом: одуванчик лекарственный - 5-26%, полынь горькая - 5-26%, молочай прутовидный - 3-26%»; на улицах районного значения 4-16% составляет одуванчик лекарственный, 5—13% - полынь горькая, 5—17% - молочай прутовидный. На улицах местного значения суммарный процент встречаемости данных видов изменяется от 5 до 20%.

  Нами также исследован характер зависимости экземплярной насыщенности видов от удаления от дороги в придорожной зоне. Анализ результатов эксперимента показал, что количество экземпляров мари белой и горца птичьего максимально на расстоянии до 25 м, а одуванчика лекарственного, полыни горькой и молочая прутовидного - на расстоянии от 25 до 50 м от кромки автодороги. Причем данная закономерность прослеживается в придорожных зонах улиц всех назначений. Очевидно, это связано с тем, что пылегазовые выбросы автомобильного транспорта, рассеиваясь в придорожном пространстве влияют на растительные организмы. Растения видов горец птичий и марь белая представлены в сообществе большим количеством экземпляров, имеют нормальные размеры, развитые вегетативные органы, а, следовательно, находятся в относительно благоприятных для них условиях [137].

  Отмечается также общее обеднение городской флоры, постепенное стирание ее региональных особенностей и упрощение состава. Территории, мало подверженные хозяйственной деятельности, имеют другой фитоценотический состав. К ним относятся территории пригородных и

  55 загородных зон. Растительные сообщества загородных участков в основном

  представлены сорно-рудеральной флорой (до 80%) с незначительной примесью

  естественной зональной растительности, но приоритетными видами растений

  также являются горец птичий (до 30%) и марь белая (до 20%) (таблица 2.8).

  Таблица 2.8 — Видовой состав травянистых растений загородных территорий.

  Таким образом, наиболее распространенным видом растений, произрастающим на придорожных территориях улиц города Оренбурга и загородных зон, то есть видом-доминантом, является горец птичий. Он

  обладает высокой жизнестойкостью, развитой системой вегетативного размножения и способностью к адаптации в условиях промышленного города. Также отмечается общее обеднение городской флоры, постепенное стирание ее региональных особенностей, упрощение состава, замена зональных видов синантропними.

  2.3 Характеристика географических и климатических условий города Оренбурга

  Город Оренбург расположен в Южно-Уральском районе на Сакмаро-Уральском водоразделах, в зоне степи и частично лесостепи.. Территория города характеризуется полого-холмистым рельефом, осложненным отдельными вершинами, грядами, долинами рек Урала и Сакмары и овражно-балочной сетью. Абсолютные отметки поверхности территории варьируются от 82 — 85 мв поймах Урала и Сакмары до 190— 200 м на вершинах местных водоразделов (горы Маяк, горы Сулак) [79, 139].

  Город Оренбург находится в зоне резко континентального климата. Это проявляется в общем удлинении зимы, сокращении переходных периодов, увеличении морозоопасности в начале и конце лета. Зима холодная, малоснежная, обычно с ясной тихой погодой, нарушаемой снежными буранами. Лето жаркое, с частыми суховеями.

  Температурный режим города характеризуется следующими средними величинами: январь минус 14,8С, июль плюс 21,9С, среднегодовая температура минус 3,9С. Изменчивость температуры из года в год, как и между суточная, в зимнее и летнее время велика и составляет в январе от плюс 5С до минус 42С, в июле от плюс 42С до плюс 5С. Средняя продолжительность безморозного периода 147 дней. По количеству выпадающих осадков район города Оренбурга относится к зоне неустойчивого

  57 увлажнения, большей частью недостаточного. В год в среднем выпадает около

  462 мм осадков.

  Повторяемость штилей в городе Оренбурге довольно велика, изменяется от 6 до 15% общего времени. В данных условиях высокие приземные концентрации загрязняющих веществ остается продолжительное время до 10 суток (по данным Федеральной целевой программы оздоровления экологической обстановки и охраны здоровья населения города Оренбурга на 1996-2001 годы).

  В 2000 году осадков в городе выпало 464 мм (рисунок 2.6). Наибольшее количество осадков - 117 мм выпало в июне и 77 мм в июле, а наименьшее - 11 мм в декабре. Высокие значения, влажности в 2000 году в городе Оренбурге достигались в зимний период года. Максимум пришелся на декабрь и достиг 80%, минимум в мае и июле - 50% (рисунок 2.7). Среднегодовая влажность воздуха составила 64%.

  Средняя температура воздуха в январе составила минус 8С (рисунок 2.8). Самая высокая температура воздуха была в июне — плюс 33,4С и июле — плюс 35,4С, а низкая температура — минус 30С в декабре. Средняя температура атмосферного воздуха в 2000 году составила 6"С.

  Рассеивание пылегазовых примесей в атмосферном воздухе промышленного города зависит от ветровой активности (таблица 2.9). Средняя скорость за год составила 4,3 м/с (рисунок 2.9).

  В начале 2000 года преобладали южные и западные направления ветров. В марте и апреле были выражены восточные и южные направления ветров, а в мае - восточное. Летом преобладали северные и северо-восточные направления ветров. Осенью они изменились на южные и восточные. Если рассматривать розу ветров за год, то выясняется, что господствующим направлением за весь год является восточное направление ветра (рисунок 2.10).

  Отмечены также промежутки временим с застойными явлениями в атмосфере, которые могут продолжаться до 10 дней, что может

  140 -т 120 -100 -

  5 S

  ²⁷ I⁴ 15 ²¹

  Г"^—г

  _{Р и п п}

  V~^ Р~^ Г~^ Г^ г~^ г~^ г

  месяцы

  Рисунок 2.6 - Сумма осадков в месяц в городе Оренбурге в 2000 году

  9 0-1 8 0 -F-5

  7 0 б 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0

  —г~ г

  месяцы

  Рисунок 2.7 - Среднемесячная влажность воздуха в городе Оренбурге за 2000 год

  ^22,Г_{7Л 1} 20,2 _п ²¹'^п

  10,9 10,9

  Ч 10

  ч:

  (О

  ^J-8

  6,5

  4,4

  3456789 10 Ml

  -4,5

  -6,1

  месяцы

  Рисунок 2.8 - Среднемесячная температура воздуха за 2000 год в городе Оренбурге

  месяцы

  Рисунок 2.9 - Средняя месячная скорость ветра за 2000 год в городе Оренбурге

  60 Таблица 2.9 - Роза ветров за 2000 год в городе Оренбурге

  і В19

  3 I 44

  Рисунок 2.10 - Годовая роза ветров для исследуемой территории

  Г) I рассматриваться как метеоусловия, благоприятные для загрязнения атмосферы

  примесями.

  Загрязнение придорожных зон улиц города Оренбурга усугубляется

  неправильной планировкой и неблагоприятными климатическими условиями.

  Большая плотность городской застройки и невысокая; ветровая активность располагают к насыщению приземного слоя воздуха промышленных городов выбросами автотранспорта. Образующаяся газовая среда, взаимодействуя с малым количеством атмосферных осадков, будет способствовать их закисленню.

  Таким образом, географическое положение и. климатические условия города Оренбурга в незначительной мере способствуют рассеиванию пылегазовых примесей в атмосферном воздухе, а из-за малого количества осадков атмосферу города следует отнести к территории с низкой способностью к самоочищению.

  2.4 Выбор методов исследования

  2.4.1 Выбор веществ-загрязнителей природных сред и места отбора проб

  Воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду в настоящее время определяется значительными объемами выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух промышленного города Оренбурга (таблица 2.1). Основными загрязняющими веществами воздушной среды являются оксиды углерода и азота, соединения серы и пыль (глава 2.1). Причем загрязняющие вещества, попадая в воздушную среду, могут претерпевать разнообразные изменения вплоть до момента их осаждения или вымывания. Существуют различные пути трансформации веществ-загрязнителей, которые приводят к образованию кислотообразующих компонентов в атмосферном воздухе промышленного города [49, 130].

  Так как в состав токсичных газообразных веществ в отработавших газах автомобилей входят оксиды азота, оксид углерода и соединения серы, то с учетом

  62 их возможных химических превращений предполагалось образование

  кислотообразующих ионов и, как следствие, закисление природных сред. Поэтому

  в атмосферных осадках и почве нами определено содержание нитрат-,

  гидрокарбонат-, сульфат-, сульфит-, гидросульфид-ионов и рН среды.

  Таким образом, газообразные примеси в атмосфере города Оренбурга могут подвергаться химическим превращениям с дальнейшим «сухим» выпадением или вымыванием осадками.

  В качестве объектов исследования были выбраны 20 улиц, расположенных в разных районах города Оренбурга, различающихся по техническим категориям, структуре проходящих по ним транспортных потоков, а также по характеру застройки придорожного пространства.

  Среди выбранных улиц, согласно СНиП 11-60-75*, улицы Чкалова, Терешковой, Володарского, Туркестанская, проспекты Победы, Гагарина, Дзержинского, Бр. Коростелевых нами отнесены к магистральным улицам общегородского значения; улицы Маршала Жукова, Родимцева, Салмышская, Шевченко и пр. Парковый - к магистральным улицам районного значения; улицы Восточная, Алтайская, Постникова, Рыбаковская, Полтавская, Юных Ленинцев, 60 лет Октября — к улицам местного значения.

  На придорожных территориях исследуемых улиц было организованно по одному пункту наблюдения. Так как улица Терешковой и проспект Победы характеризуются большой протяженностью (более 6000 м), то в придорожной зоне было организовано по 2-3 поста наблюдения в местах с наиболее интенсивным движением транспортного потока. Наблюдения велись в различное время года. Пробы на содержание загрязняющих веществ отбирались в снежном покрове, дождевых осадках и почве придорожных зон. Отбор проб проводился в каждом из пунктов наблюдения в четырех точках, расположенных на расстояниях от 5 до 50 метров от кромки выбранного участка автодороги.

  63 2.4.2 Характеристика методик исследовании

  Атмосферные осадки накапливают в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим снег и дождевую воду можно рассматривать как своеобразный индикатор чистоты воздушной среды. Использование атмосферных осадков в качестве индикатора загрязнения природной среды в городах позволяет заметно увеличить эффективность контроля загрязнения атмосферы, вод и почв.

  Для отбора проб снега использовали пробоотборник, позволяющий брать срез снежного покрова площадью 3 дм². Пробоотборник вертикально погружали в толщину снега, затем наклоняли до уровня, находящегося примерно в 5 см от поверхности грунта, чтобы исключить попадания, в пробу частиц почвы и растительных остатков. Снег из пробоотборников помещали в предварительно промаркированные полиэтиленовые мешки и доставляли в лабораторию. Снег оставляли таять при температуре среды плюс 18-20С в течение трех часов. Талую воду сливали в маркированные емкости;

  Отбор проб осадков в виде дождя ; производился непосредственно в момент их выпадения. Емкости для отбора проб с известной рабочей поверхностью устанавливали в тех же точках, где отбирали пробы снега, но на высоте Г метр от земли, чтобы устранить случайные факторы загрязнения проб частицами фунта.

  Пробы почвы отбирали по общепринятой методике [12, 15], с помощью почвенного бура, позволяющего делать выемки на глубине 20 см. Пробу ссыпали на бумагу, тщательно перемешивали и квартовали 3—4 раза. После квартования почву еще раз перемешивали, делили на 6-9 частей^ из центра которых в плотную бумагу брали примерно одинаковое количество почвы. Массы полученной пробы составляли 400-500 грамм. Затем пробы маркировались. Химический анализ состава отобранных нами проб: осуществляли по общепринятым методикам^ [101, 118]. Содержание взвешенных частиц определяли гравиметрическим методом. Содержание гиросульфид-, сульфит-ионов и карбонат- и гидрокарбонат-ионов определяли

  64 титрометрическим методом [113, 124, 129]. Содержание сульфат-, нитрат-ионов

  определяли фотоколометрическим методом [113, 123]. При доверительной

  вероятности 0,95 суммарная погрешность эксперимента не превышает 15%.

  2.5. Выводы но второй главе

  1.Улица города, выступающая основным элементом экосистемы «Город», выполняет двойственную функцию: она является как источником выбросов примесей в атмосферный воздух (через систему «автомобиль — дорога»), так и их приемником (через придорожные пространства:.атмосферу, осадки, почву и растения, а в ряде случаев и человека). Примеси из атмосферы, распространяясь в придорожном пространстве, оказывают воздействие на, все компоненты городской среды. Причем наиболее токсичными веществами являются соединения азота и пылевой аэрозоль.

  2.На улицы города Оренбурга (объект исследования) приходится до 63% выбросов примесей в атмосферу города. Причем уровень антропогенного воздействия на природную среду улиц сильно различается. Он особенно велик на улицах общегородского значения и в 100-1000 раз ниже на улицах местного значения.

  3. Городская почва резко отличается от зональной. На большой
  территории города наблюдается механическое нарушение почвенного покрова.
  Вытаптывание растительности приводит к уплотнению почв, в результате чего
  происходит изменение их физических и химических свойств. Уплотнение
  почвенного покрова ведет к снижению плодородия почв.

  4. Различие температурного, гидрологического и ветрового режимов
  на городской территории обусловливает формирование специфических для
  условий промышленного города сообществ растений. Отмечается общее
  обеднение городской флоры, стирание ее региональных особенностей,
  упрощение состава, замена зональных видов синантропными. Видом-
  доминантом, произрастающим на придорожных территориях улиц города

  65 Оренбурга и загородных зон, является горец птичий, его доля среди других

  встречаемых видов растений составляет 30-55%.

  5. Роль кислотных дождей в формировании городского ландшафта

  остается неизученной и нуждается в поэтапном исследовании по схеме

  «атмосфера — осадки - почвы - растения».

  3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫМЫВАНИЯ

  ПЫЛЕГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ ОСАДКАМИ ИЗ АТМОСФЕРЫ

  УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ

  3.1 Моделирование взаимодействии атмосферной примеси с осадками

  Известно (глава I), что загрязняющие вещества 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 во вторичных обстановках кислой, щелочной или нейтральной среды, мигрируют в окружающей среде и воздействуют на биоту в целом (флору и фауну) [4, 143]. Оценка последствий промышленно-транспортных воздействий на биоту включает исследование механизмов распространения загрязнителей в окружающей среде, а также миграции в экосистемах (по пищевым цепям), и реакции живых организмов и сообществ на эти воздействия.

  На урбанизированной территории, основным элементом, которой следует считать улицу города, на равных взаимодействуют следующие объекты: транспортно-дорожный комплекс (источник выбросов: примеси), приземный слой атмосферы (рассеивающая среда), осадки (поглощающая среда) и территория (почвенный покров.- аккумулирующая среда). Причём в системе один объект с определённой скоростью генерирует примеси, а другие их поглощают. Рассмотрим основные элементы, входящие в систему «улица города», - это дорога (техногенная среда), придорожная территория и приземный слой атмосферы (квазиприродные среды) и примесь (загрязняющее вещество). Учитывая, что элементы исследуемой нами системы взаимосвязаны потоками

  веществ, энергии и информации, примем её в качестве динамической системы, то есть открытой и неустойчивой.

  67 Примесью будем считать любое вещество, поступившее в атмосферу в

  результате антропогенной деятельности человека. Это газы и аэрозоли,

  способные накапливаться или рассеиваться в атмосфере, переходить из одного

  состояния в другое (газ, в аэрозоль, аэрозоль в газ), а также оседать в случае

  конденсации на них паров воды и осаждаться под действием выпадающих

  осадков на поверхность территории.

  Процессы, самопроизвольно протекающие в атмосфере промышленного

  города и приводящие к снижению концентраций загрязняющих веществ, можно

  Похожие диссертации на Исследование кислотности атмосферных осадков на урбанизированных территориях и оценка изменений, происходящих в компонентах природной среды

  

  Геоэкологическая оценка и прогноз развития осадок грунтовых толщ при длительном водопонижении на оползнеопасной территории г. ТомскаЧернышова Наталья Анатольевна

  

  Геоэкологические оценки некоторых долгосрочных изменений температуры воздуха на территории России в XX векеГельвер Елизавета Сергеевна

  

  Комплексная оценка изменений эколого-геологических условий лессовых территорий на примере Волгодонского промышленного узла Ростовской области Нариманянц Елена Владимировна

  

  Региональная оценка опасности загрязнения подземных вод как компонента окружающей среды : на примере Брянской областиПроскурина Ирина Владимировна

  

  Комплексная эколого-геохимическая оценка загрязнения тяжелыми металлами компонентов природной среды горнорудных поселений Восточного ЗабайкальяМихайлютина Светлана Ивановна

  

  Геоэкологическое состояние компонентов природной среды Европейского Севера в результате загрязнений нефтепродуктами : на примере Архангельской областиЛаткин, Алексей Юрьевич

  

  Аэрокосмическая индикация подземных вод как компонента окружающей среды и общих водных ресурсовОбъедков Юрий Леонидович

  

  Геоэкологическая оценка природных компонентов городской среды на примере города Москвы : донные отложения - поверхностные воды - почвыТимощук, Светлана Петровна

  

  Геоэкологическая оценка состояния компонентов природной среды при рудной золотодобыче : на примере многовершинного ГОКаЛипина, Любовь Николаевна

  

  Эколого-геохимическая оценка состояния урбанизированной среды на основе исследования отложений пониженных участков микрорельефа (на примере г. Екатеринбурга)Селезнев Андриан Анатольевич