Оценка загрязненности снежного покрова города Гродно

Введение

Объективным показателем качества атмосферного воздуха в городе в зимний период времени является содержание различных загрязнителей в снежном покрове.

Зимой наблюдается повышение концентрации различных химических веществ в атмосфере, обусловленное ухудшением метеорологических условий рассеяния примесей, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением химических процессов трансформации веществ при низкой температуре воздуха. По этим причинам в снежном покрове накапливается основная масса атмосферных поллютантов [5].

Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения атмосферного воздуха. Снежный покров, если он не подвергался интенсивному таянию, фактически аккумулирует и сохраняет в себе все загрязняющие атмосферу компоненты. Причем, содержание загрязняющих веществ в нем на 2–3 порядка выше по сравнению с атмосферным воздухом [2], что позволяет определить их концентрацию довольно простыми методами с высокой степенью достоверности.

Т. о. исследование химического состава снежного покрова, как части единой взаимодействующей системы «атмосфера — снежный покров — природные воды — человек», позволяет оценить уровень загрязнения приземного слоя атмосферы.

Цель данной работы заключалась в исследовании химического состава снежного покрова различных районов г. Гродно.

Гродно — один из крупнейших промышленных центров Республики Беларусь с населением 346,6 тыс. человек (по состоянию на 1 января 2012 года). На территории города функционирует 65 предприятий. Доминирующее положение в структуре промышленного комплекса города занимают предприятия обрабатывающей промышленности. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются предприятия теплоэнергетики, производства минеральных удобрений, стройматериалов и автотранспорт [3].

Материалы и методика исследования

Для определения количества накопленных загрязняющих веществ отбор проб проводился единовременно в середине февраля непосредственно перед началом снеготаяния (14.02.2012, 25.02.2013). Для исключения влияния техногенных нагрузок, в частности автотранспорта, снег отбирался на открытой ровной площадке, удаленной не менее чем на 100 м от дорог, деревьев, холмов, зданий, линий электропередачи, местных источников загрязнения атмосферы.

Пробы снега вырезались в виде кернов на полную глубину залегания снежного покрова без захвата частиц грунта с использованием пластиковой трубки площадью сечения 78,5 см² и длиной 30 см. Отобранные пробы из трубки высыпались в пронумерованные полиэтиленовые пакеты, далее пересыпались в чистую посуду для таяния.

Доставленные пробы снежного покрова помещались в стеклянные емкости с крышкой и растапливались при комнатной температуре. После таяния снега получившуюся воду подвергали химическому анализу. В пробах снежных вод определяли водородный показатель pH, взвешенные частицы, основной солевой состав (сульфаты, различные формы азота, хлориды, гидрокарбонаты, а также катионы кальция и магния) и сумму тяжелых металлов. При анализе талой воды применяли методики, для анализа природных вод [6]. Использовались также стандартные потенциометрический, фотометрический и титриметрический методы, применяемые при анализе качества природных вод [4].

Для отбора снежных проб были выбраны 5 городских зон с различной степенью интенсивности и разными видами техногенного воздействия. В качестве фоновой точки был выбран участок, расположенный на открытом месте в районе деревни Лососно, испытывающий минимальное антропогенное воздействие. Концентрации химических элементов в этой точке были приняты в качестве фоновых концентраций для территории города Гродно. Данные о точках отбора проб (ТОП) представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристика точек отбора проб снега

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования гидрохимических показателей талого снега в период с 2012 по 2013 гг., приведенные в таблице 2, указывают на снижение уровня антропогенной нагрузки в 2013 году по сравнению с аналогичным периодом 2012 года во всех исследуемых зонах г. Гродно.

Таблица 2 — Основные гидрохимические показатели снежных вод различных городских зон в г. Гродно

Значения рН талого снега находятся в диапазоне от 7,54 до 7,89, что свидетельствует о подщелачивании осадков. Минимальные показатели отмечены в феврале 2013 г. в ТОП 3 (7,54), а максимальные — в феврале 2012 — ТОП 2 (7,89). Подщелачивание осадков, вероятно, обусловлено присутствием в атмосфере значительного содержания аммиака, золы городских котельных, твердых фракций сгоревшего топлива, оксидами металлов и др. Зимой 2013 года зафиксировано понижение рН, обусловленное увеличением содержания кислотных окислов (NO2, SO2) в городских выбросах в атмосферу. Это подтверждается увеличением содержания в снежных пробах SO42-ионов, по сравнению с аналогичным периодом 2012 года.

Для взвешенных веществ характерна неравномерность распределения не только по отдельным точкам, но и по годам. Наиболее высокие показатели содержания взвешенных частиц отмечены зимой 2012 (8,30 — 111,0 мг/л). Минимальные показатели характерны для зимы 2013 и колеблются в диапазоне 7,80 -11,80 мг/л. При этом максимальное снижение зарегистрировано в ТОП 4, где концентрация уменьшилась более чем в 9 раз с 111,0 мг/л до 11,8 мг/л. Наличие в снежном покрове взвешенных веществ обусловлено, во-первых, применением в качестве антигололедных средств песчано-соляной смеси, основой которой является песок; во-вторых, механическим выносом компонентов дорожного покрытия и различных частиц (сажа, каучук, кремний и т. д.) из состава автопокрышек, интенсивность которого резко возрастает в зимний период. И, наконец, свою долю в загрязнение снега твердыми частицами в виде пыли, сажи и т. д. вносят автомобильный транспорт и тепловые станции, работающие на угле и мазуте (ТЭЦ — 2). В зимний период времени масса сжигаемого топлива достигает максимума, и твёрдые вещества в результате гравитационного осаждения загрязняют снег.

Минерализация снежных вод варьирует в широких пределах от 0,05 до 0,90 г/л. Для зимы 2012 года характерен пресный тип снежных вод, однако по улице Соколовского отмечено относительное повышение минерализации до 0,90 г/л, а в фоновой точке талые воды относятся к ультрапресному типу. Снежные воды 2013 года можно отнести к ультрапресным. Изменчивость данного показателя определяется, прежде всего, расстоянием выбранных городских зон до проезжей части.

Общая жесткость талой воды, характеризует содержание солей кальция и магния, и варьирует в зависимости от года и точки отбора проб. Ионы Са2+, Mg2+ в снежном покрове г. Гродно в основном местного, континентального (почвенного) происхождения. По жесткости в 2012 году талая вода относится к классу мягких вод (2,13–2,40 мг-экв/л). Минимальные показатели зафиксированы ТОП 2 — 2,19 мг-экв/л, а максимальные — в ТОП 4 — 2,40 мг-экв/л. В то же время, зимой 2013 года не удалось определить общую жесткость титриметрическим методом, что свидетельствует об очень низких концентрациях ионов кальция и магния. Концентрация Ca2+ в пробах талого снега варьирует в широких пределах. Максимальные показатели зафиксированы в феврале 2012 года и составляли 2,13 мг-экв/л (ул. Комбайнерская), а минимальные в талой воде фоновой точки зимой 2012 и 2013 гг. (0,61 мг-экв/л). Ионы Mg2+ были обнаружены только в пробах снежных вод зимой 2012 года и в очень незначительных концентрациях. Для фоновой точки и ТОП 2, характерны минимальные концентрации ионов магния (0,21 мг-экв/л). Максимальные значения зафиксированы по ул. Соколовского (0,53 мг-экв/л).

Концентрация НСО3- в талой воде варьирует в широких пределах, от 28,0 мг/л (ТОП 2) зимой 2012 до 99,6 мг/л (ТОП 5) зимой 2013. Концентрация НСО3- в 2013 году возросла, по сравнению с 2012, причем максимальное увеличение (в 3 раза) отмечено в ТОП, распложенном на улицах Комбайнерская и Соколовского. С увеличением концентрации гидрокарбонат-иона происходит смещение рН в сторону щелочной реакции, обусловленное появлением ионов ОН-. Количество гидрокарбонатов в снежном покрове определяется концентрацией СО2 в атмосфере, и увеличение концентрации гидрокарбонат-ионов в воздушной среде г. Гродно свидетельствует об увеличении эмиссии углекислого газа, вероятнее всего антропогенного происхождения. Поступление больших количеств пыли в атмосферу г. Гродно (цементная, строительная промышленность, теплоэнергетика, производство аммиака) так же приводит увеличению содержания гидрокарбонат-ионов за счет растворения техногенных карбонатов, содержащихся в пыли.

Ионы хлора в незагрязненных атмосферных осадках в основном морского генезиса [1]. Антропогенное поступление хлорид-иона в снег обусловлено применением хлорида натрия для очистки автострад от снега и льда. Концентрация хлоридов в исследуемых пробах за 2012 год изменяется в широком диапазоне — от 2,89 (ТОП 2) до 8,69 мг/л (ТОП 5). Фоновое значение составляет приблизительно 1,76 мг/л, соответственно максимально оно превышается почти в 5 раз. Для снега, отобранного зимой 2013 на площадках в пределах города, характерны более однородные значения в пределах 7,09 (ТОП 3) — 7,62 мг/л (ТОП 4), в то время как для фоновой точки характерно значение 6,22 мг/л. Соответственно максимальное превышение только в 1,22 раза, что свидетельствует об однородности загрязнения территории города.

Сульфат-ионы накапливаются в снеге за счёт осаждения аэрозолей диоксида серы из воздуха вместе с пылью под действием сил гравитации, а так же в результате выветривания почв, с частицами морской соли, с выхлопами газов автомобилей. Концентрация ионов SO42- варьирует в пределах 0,328 — 0,676 мг/л, что характерно для слабого уровня загрязнения, обусловленного рассеиванием соединений серы на больших площадях в результате дальнего переноса от антропогенных и естественных источников. Таким образом, можно говорить об общей невысокой загрязненности городского воздуха оксидом серы.

Нитриты были обнаружены во всех исследуемых пробах в концентрации от 0,0032 до 0,0132 мгN/л (2012 г.) и от 0,0017 до 0,0032 мгN/л (2013 г.). Наблюдается снижение содержания нитритов в 2013 году по сравнению с 2012, во всех исследуемых точках отбора. Наибольшие концентрации нитритов зарегистрированы в ТОП 4.

Концентрация NO3- в пробах снежных вод колеблется в незначительных пределах от 0,25 до 0,37 мгN/л (2012 г.) и от 0,27 до 0,39 мгN/л (2013 г.), что свидетельствует об однородности загрязнения территории города нитрат-ионами. Содержание NO3- в пробах снега объясняется интенсивностью отопительного сезона и, как следствие, относительно большими выбросами азота в атмосферу на местном уровне.

Концентрация азота аммонийного в снеговых водах колеблется в пределах 0,009 — 0,30 мгN/л. Важно отметить, что токсичность азота аммония возрастает с повышением pH среды, а по данным определения pH на исследуемой территории идет именно увеличение кислотно-щелочного потенциала.

Наличие азотсодержащих соединений в воде определяется деятельностью бактерий, но в зимний период в снежном покрове их присутствие невозможно, поэтому все содержание нитрит-, нитрат-ионов и ионов аммония в талой воде обусловлено только урбанизационными воздействиями. Их источниками являются промышленные газы и, главным образом, продукты окисления атмосферного азота [1].

Поступление тяжелых металлов в снежный покров возможно за счет выхлопных газов автотранспорта. Пробы снега, отобранные зимой 2012 год, характеризуются более высокими концентрациями тяжелых металлов в талой воде по сравнению с пробами снега сезона 2013. Так, для сезона 2012 года минимальные значения характерны для фоновой точки и определены в пределах 3,63 мг/л, а максимальные для ТОП 4 — 8,2 мг/л. Зимой 2013 значения концентрации более однородны и колеблются в пределах от 2,09 мг/л для ТОП 4 и 3,53 мг/л для фоновой точки.

Заключение

Изучив химический состав талой воды снежного покрова различных районов г. Гродно, можно выявить следующие закономерности:

• концентрации поллютантов в пробах снега варьируют в широких пределах, как по отдельным точкам, так и по годам;
• в пробах снега, отобранных в конце февраля 2013 года, отмечено снижение рН, взвешенных частиц, общей минерализации, Ca2+, NH4+, NO2- и суммы тяжелых металлов по сравнению с аналогичным периодом 2012 года;
• отмечено повышение концентрации HCO3-, Cl- и по некоторым точкам SO42- в пробах снега, отобранных в феврале 2013 года;
• практически по всем химическим поллютантам фиксируются повышения концентраций по сравнению с фоновыми значениями, за исключением NO3- и суммы тяжелых металлов.

Список литературы

1. Алекин, О. А. Основы гидрохимии / О. А. Алекин // Ленинград Гидрометеоиздат, 1953. — 297 с.
2. Войтов, И. В. Научно-методические основы организации и ведения национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь / И. В. Войтов, А. М. Самусенко и др; под ред. И. В. Войтов // — Минск: БелНИЦ «Экология», 2000 — 229 с.
3. Гродненский областной исполнительный комитет: Промышленность [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://grodno.gov.by/ru/main. — Дата доступа: 28.06.2012
4. Лебедев, М. И. Практикум по аналитической химии/ под ред. М. И. Лебедева // — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002 — 80 с.
5. Рогулева, Н. О. Оценка загрязненности и биотоксичности снежного покрова парков г. Самары / Н. О. Рогулева // Вестник
6. СамГУ. — Самара, 2009 № 4(70). — С. 198–205.
7. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова // — М: ВЛАДОС, 2003. — 234 с.