Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 6, стр. 41-53

ВВЕДЕНИЕ

В глобальном масштабе наблюдаются три “шапки” повышенной концентрации загрязняющих веществ в атмосфере: промышленные районы Северной Америки, большая часть европейского континента и восточная Азия [12]. Западная Сибирь далеко отстоит от них. К региональным центрам негативного влияния на южную часть Западной Сибири относятся города Усть-Каменогорск и Риддер, расположенные в Восточно-Казахстанской области [16]. Изучение снегового фильтрата и пыли в Западного Алтая выявило геохимическую аномалию в содержании сульфатов, азотистых веществ, элементов полиметаллических руд, поступающих из Казахстана. Томск-Северская агломерация расположена в центре Евразии на равном удалении от промышленных центров Кемеровской, Новосибирской, Омской и Тюменской областей. Однако, на пограничных с этими областями территориях можно ожидать эффекты регионального переноса загрязняющих веществ антропогенной природы.

Формирование геохимических аномалий снегового покрова обусловлено горизонтальными потоками вещества естественной и антропогенной природы [5], которое накладывается на широтную изменчивость [10]. Снег, как часть нивально-гляциальной системы и звена круговорота воды, влияет на динамику экосистем [11], что проявляется в почвообразовательных процессах, состоянии растительности и животного мира, и поэтому является объектом экосистемного мониторинга. Актуальность работы обусловлена не столько выделением проблемных территорий, сколько выявлением закономерностей их транслокации на значительном удалении от рассеянных источников [28, 33] путем анализа пространственного распределения поллютантов в снеге. Их поступление происходит в Томской области как из местных источников, так и из сопредельных регионов. Кожевниковский, Бакчарский, Парабельский районы примыкают к Новосибирской области, Зырянский район – Кемеровской области [21]. Метеорологические данные указывают на присутствие барического градиента, вызывающего развитие стойкого западного переноса воздушных масс. Циклональные циркуляции атмосферного воздуха могут быть причиной как глобального, так и регионального перераспределения загрязняющих веществ в снеговом покрове.

Цель работы – выявление пространственных особенностей геохимического глобального, регионального и локального распределения некоторых растворенных веществ и твердых аэрозолей, депонированных в снеговом покрове территорий в разной степени удаленности от промышленного центра с использованием ГИС-технологий и статистического анализа.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования – снеговой покров фоновой и импактной территорий Томск-Северской агломерации (рис. 1). Точки наблюдения расположены вокруг промышленной агломерации, наиболее крупными объектами которой являются: Сибирский химический комбинат (СХК), Томский нефтехимический комбинат (ТНХК), ГРЭС-2 в г. Томске. Кроме них в городе и окрестностях расположены предприятия строительной промышленности (кирпичный и железобетонный заводы), а также пищевой, фармацевтической, металлообрабатывающей и других отраслей.

В импактном методе исследование проводят вокруг объектов, очевидно воздействующих на химический состав снега [9, 13, 15, 20, 22–24, 27]. В маршрутном методе за основу берут геохимическую закономерность, например, природную зональность климата депонирования в снегу химических веществ [9]. При отсутствии видимых границ импактного воздействия и априорных географических закономерностей применяют вероятностно-статистический подход, который становится единственно приемлемым при изучении городской среды или природных экосистем. В этом случае территорию делят на условные квадраты, а выбор одного из них для наблюдения проводят случайным способом. Этот подход использован при определении положения точек наблюдения.

В ходе мониторинга снегового покрова Томской области проводили пробоотбор в течение шести лет. Исследовали состав снега на мониторинговых площадках, заложенных на различном расстоянии от источников загрязнения (см. рис. 1). Выбор их местоположения проводили в зависимости от доступности – вблизи автомобильных дорог или на удалении не более 3–5 км от дороги. Для оценки способности лесов задерживать пыль [8] точки отбора проб снега в большинстве случаев располагали парно – в лесу и на близлежащем сельскохозяйственном поле. В первый год наблюдения было подготовлено 11 мониторинговых площадок (0.5 га), затем их число увеличили до 18, на следующий год – до 23, соответственно, длительность наблюдений в период с 1995 г. по 2000 г. на площадках составила 3–6 лет.

Отбор проб и химический анализ снеговых вод проведен по общепринятым методикам [6, 17] в марте в течение 10 дней. Среднее значение мощности снега определено по результатам не менее, чем 20 промеров, сделанных через 5 м на радиальных маршрутах от точки опробования. Отбор проб снега проведен стандартным снегомером на всю глубину слоя снега до подстилки, после чего нижние 5 см снега, содержащие примеси почвы и напочвенной подстилки, удаляли и определяли его плотность. Для оценки содержания пыли составляли сборную пробу из 3–5 образцов в зависимости от мощности слоя снега.

Таяние снега проходило в лабораторных условиях при комнатной температуре. Фильтрацию осуществляли с использованием вакуумного насоса сквозь фильтр “синяя лента”, затем фильтры высушивали в сушильном шкафу при 105°С. В снеговой воде определяли: pH, концентрации нитратного и аммиачного азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия, хлора (мг/л) по стандартным методикам [2]. В пылевом осадке при использовании атомно-адсорбционного спектрофотометра определено валовое содержание никеля, кобальта, свинца, меди, цинка, марганца, хрома и кадмия.

Поток вещества пыли на снеговую поверхность определялся по формуле:

где P – поток вещества на единицу поверхности в единицу времени (мг/(м²сут)), Pc – масса пыли, S – суммарная площадь отбора проб, T – временной интервал в сутках между моментом опробования и датой установления устойчивого снежного покрова. Для Томской области длительность периода залегания снега составляет 175–180 суток, а усредненное значение Т – 178 суток [24].

Для анализа пространственного распределения содержания микроэлементов использовали геоинформационную систему QGIS, с помощью которой результаты кластерного анализа наносили на карту или космические снимки. Измеряли расстояние от каждой точки наблюдения до СХК и ГРЭС-2, которые рассматривали в качестве источников воздействия. Для оценки влияния факторов поступления загрязняющих веществ в снег использовали пакеты программ Statistica, Orange, Python.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В зависимости от масштаба выделяют три вида наблюдений: глобальный, региональный и локальный (импактный), которые в геохимическом плане реализуются в каждой географической точке, что выражается во временных лагах между событием и появлением его последствий на территории. Например, извержение вулкана Пинатубо, который в 1991 г. закрыл непроницаемой завесой участок атмосферы площадью 125 000 км² вызвал похолодание на юге России в 1993 г. [22]. Извержение вулканов в 2010–2011 гг. в Исландии привело к росту содержания ртути в снеговом покрове на метеостанции в пос. Андарма [31]. Региональный перенос накладывается на глобальный, что может существенно влиять на образование геохимических аномалий.

По результатам многолетних замеров средняя мощность снегового покрова в изученном районе составляет 56.4 ± 2.7 см и распределена равномерно по изученной территории с коэффициентом варьирования 25.9% (табл. 1).

По некоторым показателям (мощность снега H, pH) вариабельность средняя, тогда как по другим – содержание пыли, P₂O₅, Mg, N_NO₃ высокое (более 100%). Средние значения мощности снега в лесу больше, чем на пашне, что подтверждает тест Mann-Whitney при p < 0.05. Средняя плотность снега 0.188 ± 0.009 г/см³. Реакция снеговых вод изменяется в пределах – от 5.6 до 6.6 усл. ед. pH; ее среднее значение составляет 6.04 ± 0.13, что согласуется с данными других авторов [3] – 5.9 ед. pH для снега 30 км зоны СХК. В случае интенсивных выбросов сернистых и азотистых соединений наблюдается подкисление снеготалых вод, как это отмечено при трансграничном переносе загрязняющих вещества из Казахстана в Алтайский край и Горно-Алтайск [16].

Пылевая нагрузка в среднем составляет 8.5 ± ± 3.6 мг/(м² сут), что близко к фоновым значениям для Томской области – 7 мг/(м² сут) [20, 21]. Среднее содержание твердых нерастворимых частиц в талой снеговой воде составляет 6.8 ± ± 1.2 мг/л. Концентрации пыли выше доверительного интервала среднего отмечены как на точках отбора проб вблизи промышленной зоны (см. рис. 1 точки 5, 6, 10, 12, 16), так и на удалении от источников выброса пыли (см. рис. 1 точки 4, 21, 22).

Известно, что на фоновых участках в Арктике среднее содержание частиц пыли в поверхностном слое снежного покрова составляет 2.74–2.91 мг/л [24, 25], что можно считать естественным глобальным атмосферным фоном. Региональный фон зависит от географической широты [9].

Отмечается значительная вариабельность содержания пыли не только в пространстве, но и во времени. Выделяется 1997 г., когда мощность снегового покрова была максимальной (78.2 ± ± 4.7 см), а содержание пыли – минимальным (0.40 ± 0.13 мг/л) (рис. 2). Рост мощности слоя снега привел к снижению концентрации пыли за счет разбавления большим объемом снега. Следующий 1998 г. так же выделился, но уже по увеличению потока пыли на поверхность снега. Такая вариабельность объясняется мозаичной горизонтальной миграцией атмосферных аэрозолей в зимний период, их региональным и глобальным переносом. Например, локальные различия могут определятся лесистостью местности. Сравнение двух выборок по тесту Mann-Whitney при p < < 0.05 в лесу и на сельскохозяйственном поле показало, что количество пыли в снеговой воде больше в лесу.

Содержание ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ в снеготалой воде отражает загрязнение атмосферы при сгорании жидких форм топлива. Известно [7], что распределение сернистых и азотистых соединений в снеговом покрове северной части России происходит неравномерно, особенно в Мурманской и Архангельской областях, Карелии и Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО). В фоновых точках Томской области содержание ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ выше (0.12 мг/л), чем на севере Сибири, например, для месторождений Ямала характерен интервал 0.01–0.37 мг/л [9].

Среднее содержание ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в снеговом покрове Томской области исследования равно 0.41 ± ± 0.04 мг/л, что согласуется с данными [14] по Тюменской области, ХМАО, но существенно ниже, чем в Прибайкалье и центре Восточно-Европейской равнины. Фоновое содержание в точках наблюдения Томской области определено как 0.36 ± 0.04 мг/л. Содержание ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ повышено относительно фона вблизи промышленной зоны. Сравнение содержания ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в лесу и пашне выявило достоверные различия, и в лесу оно выше.

Среднее содержание P₂O₅ в талой снеговой воде близко 0.08 ± 0.2 мг/л к фону (0.07 ± 0.02) мг/л. Можно предположить, что содержание фосфатов в снеготалой воде на пашне отличается от таковой в лесу. Тест Mann-Whitney при p < 0.05 подтвердил, что различия достоверны, но содержание фосфатов в лесу больше, чем на пашне.

Содержание щелочных металлов равномерно распределено по территории, колеблясь около средних значений. Можно ожидать, что они связаны с Cl^–. Хлорид-ион отражает загрязнение снега легкорастворимыми солями. Однако, коэффициент корреляции между щелочными металлами и хлорид-ионом близок к нулю. Среднее содержание Cl^– по результатам исследования составляет 7.46 ± 1.1 мг/л, что в 7 раз больше натрий-иона – 1.03 ± 0.13 мг/л. Концентрации Cl^– в точках наблюдения меняются относительно друг друга незначительно. Для ХМАО среднее содержание хлоридов в снегу существенно ниже – 3.4 мг/л [14], оно возрастает в направлении с запада на восток. Аномально высокое содержание хлорид-иона отмечено в 1997–1998 гг., позже оно резко пошло на убыль до 1.3 ± 0.5 мг/л.

Среднее содержание кальция в снегу составляет 7.3 ± 1.1 мг/л. Отмечается высокое значение коэффициента Спирмена между содержанием Са²⁺ и Cl^– (r = 0.75 при p < 0.05). Связь между ними имеет логарифмическую зависимость:

Среднее содержание кальция и хлора в снеготалой воде примерно одинаково. Если исходить из химической формулы CaCl₂ и близких значений молекулярного веса элементов (Ca – 40, Cl –35.5 у.е.), то молей хлора должно быть в 2 раза больше, определеного в снеготалой воде, а рН в ней сдвинуто в направлении подкисления, чего не наблюдается. Изучение поведения кальция на ледниках Восточного Тянь-Шаня выявило логарифмическую взаимосвязь между растворимостью кальция (DFP) и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ [32]:

где DFP – растворимость кальция (%), ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ – содержание сульфат-иона (мг/л) в растворе.

Следовательно, конкуренцию хлорид-иону может составлять сульфат-ион. Получена последовательность растворимости при таянии снега: Ca > Na > Mg > K [30, 32]. Из ряда основных катионов минеральной пыли Ca имеет наибольший DFP, объясняется его корреляцией с хлорид-ионом. Важным аспектом является нерастворимая часть Al, влияющая на растворимость кальция, но в этом случае взаимосвязь обратная – чем больше нерастворенного алюминия, тем меньше DFP кальция. Можно предположить, что часть кальция находится в карбонатах, и присутствие сильных кислот способствует его растворимости, а часть – в алюмосиликатах, и чем больше алюмосиликатов, тем меньше растворенного Са²⁺.

Содержание Mg²⁺ в снеготалой воде составляет 2.5 ± 0.7 мг/л. Растворимость Mg в большей степени объясняется именно присутствием алюминия. Оценка растворимости катионов, анионов проводилась в горах Китая на леднике Байшуй № 1 (юго-запад Китая) K⁺ > ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ > ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ > Cl^– > > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ [34, 35] и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ > K⁺ > Ca²⁺ > > Mg²⁺ > Na⁺ > Cl^– > ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – на леднике Шии на горе Килиан [30]. Наличие кальция и магния в аэрозолях связано с эрозионно-почвенным источником [4], что указывает на континентальное происхождение хлора. Между содержаниями кальция и магния, магния и хлора коэффициент корреляции Спирмена менее 0.3, что говорит o несущественности связи между ними. Тест Mann-Whitney при p < 0.05 показал, что локальные различия содержания магния в лесу больше, чем на пашне.

Вокруг промышленных источников формируется ареал рассеивания твердых аэрозолей, представляющих сухое их вымывание из атмосферы. Грубодисперсные фракции аэрозолей осаждаются в большинстве случаев (90%) в радиусе 7 км от источника загрязнения, распространяясь в радиусе 40 км [15]. Выпадение снега способствует как сухому, так и мокрому вымыванию загрязнителей атмосферы [20]. Среднее содержание свинца в снеговом покрове составляет 7.6 мг/л при фоновом значении 6.3 мг/л. В точках 20–22 отмечены концентрации свинца в снеговой пыли существенно выше фона. Точки 5 и 22 находятся в разных концах изученной территории, но вблизи магистралей с интенсивным движением транспорта, что объясняет повышенное содержание Pb.

В пос. Баткат располагается небольшая твердотопливная котельная, которая отапливает административные здания поселения. В углях, используемых как топливо, вряд ли можно ожидать высокое содержание свинца. Отмечается, что угли Сибири обогащены химическими элементами литофилами, сидерофилами (Cr, Ni, Co) и обеднены халькофилами (Cu, Pb, Zn, Cd и др.) [1]. Точки 20, 21 отстоят на 1.5–3 км от автотранспортных магистралей. Сухое вымывание свинца в снеговом покрове этих точек маловероятно. При изучении территории вокруг Норильского химического комбината показано, что выпадение Pb в снеговой покров имеет мозаичный характер [15]. Обнаружено высокое содержание свинца в снеговой воде на расстояниях, удаленных от Норильска на десятки и сотни километров. Исследования поступления свинца в снеговом покрове г. Тюмень показали, что он концентрируется в твердой фазе, содержание варьирует в широких пределах от 0 до 214 мкг/л [13]. Аномальные его концентрации локализованы.

Точка 21 (см. рис. 1) на мелиорированных Комаровских болотах является фоновой, так как удалена от автодорог и поселков. При сухом вымывании атмосферы пыль котельной в пос. Баткат не может распространяться до этого места, следовательно, обстоятельства ее загрязнения свинцом нуждаются в дополнительных исследованиях с учетом мокрого вымывания атмосферы. Среднее значение концентрации меди составляет 7.3 ± 0.8 мг/л. Загрязнение медью охватывает площадки, расположенные вокруг СХК, ТНХК (см. рис. 1, точки 5, 6, 9, 10, 13–16). Высокое значение коэффициента накопления (Кс) меди наблюдается на точке 20 (пос. Баткат). Поэтому Cu, как и Pb попала в район пос. Баткат не от угольной котельной, а каким-то другим путем. Аналогичная ситуация наблюдается с марганцем (34.2 ± 7.3 мг/л, фоновое – 18.4 мг/л). Повышенное содержание хрома отмечено в тех же точках, что Mn, но выделяется точка 7 с самым высоким содержанием Cr (Kc = 3.8), близкое значение Кс в точке 16. Аномалии содержания хрома в снеговом покрове связывают с литейным производством [18]. Загрязнение городского снега хромом в г. Благовещенск авторы связывают с трансграничным переносом из Китая, где для работы ТЭЦ используют уголь.

Для классификации точек наблюдения по характеру поступления химических элементов использован кластерный анализ k-средних (англ. k-means) (рис. 3). Намеренно задана разбивка на 3 кластера для упрощения на тот момент сложившейся ситуации с распределением микроэлементов на территории области. Евклидовы расстояния относительно центров многомерных кластеров усреднены по годам и нанесены на карту, кластеры выделены цветом.

Результаты классификации с использованием QGIS распределены по точкам с аппроксимацией цветом оценочных величин между точками. Синим цветом показаны точки схожего химического состава, которые группируются на северо-востоке и юго-востоке от СХК (888) и вблизи от ТНХК (см. рис. 3, точки 10, 3, 5, 14, 4, 16) и значительно удаленные на 70 км от СХК (точки 20, 21). Загрязнение в точке 20 (пос. Баткат) и точке 21 (Комаровские болота) можно объяснить гипотезой внутри циклонального переноса обратно направлению его движению. Зеленым цветом обозначены точки, тяготеющие к городской агломерации с центром 999 (ГРЭС-2). Красным цветом выделены точки, имеющие фоновое содержание химических веществ.

При движении с запада на восток на подходе к Томску циклоны вызывают трансграничный перенос поллютантов, формируя воздушные потоки юго-западного направления из Новосибирской области и даже Казахстана (см. рис. 3, желтая стрелка). У вихря имеется вторая часть спирали циклона, которая, подходя к городской агломерации, захватывает поллютанты и направляет их против часовой стрелки, заставляя двигаться к центру циклона в западном направлении, обратно его общему движению.

Циклональные процессы способствуют дальнему переносу атмосферной пыли на расстояние более 60 км (см. рис. 3, бурая стрелка). Зимние циклоны, как правило, имеют диаметр 150–300 км, так что на половине диаметра (70–150 км) в западном и северо-западном направлениях формируется зона мокрого вымывания поллютантов из атмосферы, захваченных над городской агломерацией. Снегопады, образующиеся в области пониженного давления, эффективно вымывают аэрозоли из атмосферы. Наиболее интенсивное выпадение осадков происходит в периферийной части циклональной облачности в районе пос. Баткат и Комаровских болот. При скорости ветра в циклональных явлениях 25–50 км/ч время перемещения аэрозолей от города к месту выпадения осадков составляет 1–3 ч. Затем циклональное барическое поле проходит городскую агломерацию и захватывает уже чистые от аэрозолей атмосферные области, поэтому между зоной мокрого осаждения и городской агломерацией располагается слабо загрязненный пылью снеговой покров.

В 1993 г. в результате аварии на Сибирском химическом комбинате произошел выброс радиоактивных веществ в атмосферу при движении облака на северо-восток в направлении с. Георгиевка и с. Черная речка (см. рис. 3, градиентная голубая стрелка) в соответствии с метеорологической обстановкой на тот момент. Если бы на момент аварии преобладало циклоническое барическое поле, то можно ожидать радиационное загрязнение территории в соответствии с бурой стрелкой.

Антициклональные явления менее интенсивны. Их можно отнести к среднему по дальности переносу (25–30 км) от рассеянных источников пылеобразования. При длительном стоянии антициклона наблюдается повышенная загрязненность атмосферного воздуха по периферии антициклона. Локальный перенос загрязняющих веществ от импактного воздействия находится пределах 5–15 км в зависимости от розы ветров [29]. Несмотря на близкое расположение точек и сравнительно ровную местность, наблюдается мозаичное выпадение пыли, что объясняется турбулентностью приземного слоя воздуха при его движении [19].

В лесном массиве происходит торможение воздуха, что вызывает выпадение аэрозолей [8]. В районе с. Георгиевка располагаются парные точки 4 и 13 (см. рис. 3). Точка 4 находится в лесу на водоразделе в 3 км от поселка, точка 13 – вблизи поселка на открытой местности на склоне (заброшенная пашня). Первая попадает в группу загрязненных, а вторая – чистых территорий. Несмотря на близкое расположение, точки ежегодно различаются по содержанию пыли, причем снег в точке 4 всегда содержит пыли больше (10.1 ± 3.2 мг/л), чем в точке 13 (3.0 ± 2.0 мг/л), хотя априори ожидалась обратное соотношение. В лесу содержание пыли, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, P₂O₅, Mg²⁺ в снеготалых водах достоверно (при р < 0.05) больше относительно открытых пространств (пашни), аналогичные различия по содержанию микроэлементов в твердом остатке не установлены.

Гипотезу обратного циклонального переноса поллютантов можно проверить на других территориях. Например, вблизи г. Тюмень следует ожидать, что при подходе области пониженного давления к городу вихревые потоки захватывают атмосферные загрязнения городов Тобольск и Тюмень, направляя их на территорию между пос. Талица и границей Тюменской области, где следует ожидать повышенное содержание пыли в снегу. Сжигание жидкого топлива вызывает выделение в атмосферу NO₂, что обычно сопровождается и выбросом аэрозолей. Общий характер движения NO₂ по территории показан буроватыми пятнами и стрелками (рис. 4). По этим локациям следует ожидать повышенное содержание пыли в снеговом покрове.

ВЫВОДЫ

1. Средняя мощность снегового покрова на изученной территории распределена равномерно, но характеризуется изменчивостью по годам.

2. По некоторым показателям (мощность снега, pH) вариабельность средняя, тогда как по другим (содержание пыли, P₂O₅, Mg, NO₃) – высокая (>100%).

3. Сравнение снегового покрова в лесу и на пашне выявило, что в лесу относительно открытых мест больше мощность снега; содержание в снеговой воде пыли, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, P₂O₅, Mg²⁺ достоверно выше, чем на пашне.

4. Содержание микроэлементов возрастает вблизи промышленной зоны Томской агломерации. Свинец распределен по территории мозаично и приурочен к точкам вблизи автомобильных магистралей. Кадмий имеет высокий коэффициент концентрации как на отдельных фоновых площадках, так и в промышленной зоне.

5. Выявлены отдельно отстоящие точки (20 – пос. Баткат, 21 – Комаровские болота), удаленные более, чем на 50 км от ГРЭС-2 и 70 км – от СХК. В них содержание в снеговом покрове пыли в 1.5–2 раза выше относительно фона.

6. Многомерный кластерный анализ разделил точки наблюдения на три группы:

− точки северо-восточнее и восточнее промышленной зоны Томск-Северской агломерации, а также точки, удаленные от него на 70 км в районе пос. Баткат и Комаровских болот;

− точки, окружающие городскую агломерацию;

− фоновые точки.

7. Дальний перенос загрязняющих веществ более 70 км от промышленной зоны СХК на запад объясняется гипотезой вихревых потоков области пониженного давления (циклонов), направленных от периферии к его центру против направления ее общего движения.