Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 6, стр. 46-56

ВВЕДЕНИЕ

Снежный покров служит важнейшим индикатором состояния окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха, из-за способности накапливать загрязняющие вещества. Известно, что качество атмосферного воздуха определяется интенсивностью его загрязнения выбросами, как от стационарных, так и передвижных источников загрязнения. Так, на долю автотранспорта в г. Владимир приходится более 75% выбросов веществ¹¹. Все эти выбросы аккумулируются вдоль автотрасс и особенно отчетливо на придорожных территориях [10, 14, 15]. Наличие снежного покрова позволяет провести качественную и количественную оценку содержания загрязнителей и определить их общую экологическую опасность, так как накопленные за зиму в снеге токсичные элементы, поступающие весной в виде талых вод в почвы и водоемы, способны стать причиной их загрязнения. В снежном покрове могут накапливаться органические и неорганические соединения в виде твердых частиц и аэрозольных загрязняющих веществ (ЗВ), в том числе и в виде тяжелых металлов (ТМ). Твердые частицы загрязняют снег преимущественно за счет техногенного фактора через осаждение пыли, золы, сажи, дыма. Источниками твердых веществ выступают автомобильный транспорт, промышленные предприятия, электростанции. Особенно много твердых веществ выбрасывается в атмосферу в зимний период, когда сжигается максимальное количество топлива, и в результате гравитационного осаждения активно они загрязняют снег. Кроме того, источником твердых компонентов в снежном покрове на придорожных территориях являются противогололедные песчано-солевые смеси, которые используют для подсыпки против оледенения автодорог.

Известно, что загрязнение снежного покрова происходит в два этапа. Во-первых, это загрязнение снежинок вокруг ядер конденсации (пылинок, капель и др.) в облаке, а также сорбция примесей при прохождении снежинок сквозь атмосферу и выпадения на местность – влажное выпадение ЗВ со снегом. Во-вторых, это загрязнение уже выпавшего снега в результате сухого выпадения ЗВ из атмосферы (аэрозоли, пыль, золы, дымы, выхлопные газы и др.) [4, 7]. Эти два источника поступления загрязняющих компонентов в снег в основном определяют формирование региональных геохимических характеристик снегового покрова на придорожных территориях.

Состав компонентов загрязняющих снег аэрозолей очень разнообразен и включает вещества естественного биогенного, геологического и антропогенного происхождения. К биогенным соединениям, продуцируемым непосредственно биологическими системами, относятся главным образом кислородосодержащие структуры: жирные кислоты (С₁₀–С₁₈) и их эфиры, альдегиды, спирты, токоферолы, терпеноиды, а также амины и другие азотосодержащие соединения [9].

Соединения антропогенного происхождения представлены циклогексанами, входящими в состав автомобильного топлива, циклическими ароматическими кетонами (продуктами горения автомобильных топлив), н-алканами (их происхождение связано как с биогенным генезисом, так и антропогенными источниками), антипиреном трифенилфосфатом и его гомологами и т.д. Это касается и органических веществ, включая такие канцерогенные загрязнители, как пирогенные полициклоароматические углеводороды (ПАУ) и диоксины [2].

Важным моментом является наблюдаемая тенденция увеличения в последнее время в городах объемов пыли различного происхождения [13]. Пыль непрерывно накапливается на поверхностях в виде пылегрязевого осадка и является основной средой, которая переносит загрязнение. При этом негативные экологические эффекты связаны, прежде всего, с накоплением в пылегрязевом осадке таких поллютантов, как ТМ, нефтепродукты, полициклические соединения и другие опасные органические вещества [12, 18, 19]. Ветровой подъем мелкодисперсной фракции способствует горизонтальному переносу поллютантов с материалом грязевого осадка [12]. В зимний период отмечается абразивное истирание дорожных покрытий шипованными колесами автомобилей. Загрязнение атмосферы от разных источников передается в снежный покров, накапливающий и сохраняющий геохимическую информацию до начала таяния снега [1, 3]. Все это приводит к тому, что пылевая фракция снежного покрова придорожных территорий имеет значительно более высокие величины по содержанию токсичных элементов, что может приводить к их интенсивному поступлению в почвенный покров в условиях урбанизированной территории. Таким образом, снежный покров аккумулирует в себе практически все загрязнители, поступающие в атмосферу с антропогенными выбросами. Изучение снежного покрова может дать точную оценку экологического состояния данной территории, установить динамику накопления ЗВ, оценить степень их токсичности и уровень воздействия на окружающую среду.

Цель данного исследования – определение токсичности снежного покрова придорожных территорий г. Владимир с целью установления степени антропогенного воздействия на окружающую среду.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект данного исследования – снежный покров придорожных территорий г. Владимир.

Город Владимир – областной центр, численностью населения 350 тыс. человек, является промышленным, научным и культурным центром в Центральном Федеральном округе. С начала 1990-х гг. наблюдаются процессы упадка промышленности, ввиду чего многие предприятия перепрофилировались, значительно уменьшился спектр производимой продукции, снизились производственные мощности. Многие промышленные предприятия прекратили свою деятельность. В результате сокращения производственной деятельности количество выбросов ЗВ в атмосферу от стационарных источников сократилось. В то же время началось увеличение численности автомобильного транспорта (в том числе и грузового) и развитие автомобильной инфраструктуры.

Владимир – крупный транспортный узел на федеральной трассе М-7 “Волга” с большим потоком грузового и легкового автомобильного транспорта, которые оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна города различными токсичными веществами, в том числе и ТМ.

Транспортная инфраструктура города представлена двумя основными транспортными артериями – трассой М-7 и последовательностью улиц (пр. Ленина – ул. Дворянская – ул. Большая Московская – ул. Большая Нижегородская – ул. Добросельская) (рис. 1). В последние годы введена в эксплуатацию Лыбедская магистраль, строительство которой предусматривало разгрузку автотранспорта от центральной части города, где расширение проезжей части невозможно из-за наличия исторической застройки и памятников архитектуры.

По климатическим условиям г. Владимир находится в зоне умеренно континентального климата. Зима умеренно холодная, со сменяющимися периодами сильных морозов и потеплений, доходящих порой до оттепелей. Весна приходит к апрелю, средняя температура января –12°C, июля около +18°C. Среднегодовое количество осадков 550–600 мм, максимум осадков приходится на лето. Зимой формируется устойчивый снежный покров, толщиной до 55 см к концу марта (лежит в среднем 144 дня). Окончательно снег сходит в середине апреля при переходе среднесуточной температуры через +5°С. В среднем снеговой покров держится 4–5 мес [5].

Для оценки концентрации ЗВ в снеге придорожной территории были отобраны пробы снега с улиц города с высокой плотностью движения автомобильного транспорта. Места отбора проб снега с ул. Верхняя Дуброва (точка 1), ул. Лакина (точка 2), ул. 1-я Никольская (точка 3), Лыбедской магистрали (точка 4), Рокадной дороги (точка 5) представлены на рис. 1.

В качестве контроля была отобрана проба снега в районе ул. Мира (точка 6) около Дома творчества юных (ДТЮ) (рис. 2а), где влияние автомобильного транспорта минимально.

Пробы снега отбирали в конце февраля 2022 г. в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05-85²². Отбор проб проводили в один и тот же день при помощи цилиндрического пробоотборника. Пробы отбирались на расстоянии 3 м от края дороги. На рис. 2б представлено место отбора проб на ул. Верхняя Дуброва. В соответствии с ГОСТом отбирали объединенные пробы, вырезая керны на всю глубину снежного массива до границы с почвенным покровом. Затем объединенные снежные пробы растапливали при комнатной температуре в сборных пластиковых емкостях. Талую воду фильтровали через бумажный фильтр “белая лента”.

Определение ТМ в подготовленных фильтратах талой воды проводили в соответствии с методикой М-049-ВП/09³³ рентгенофлуоресцентным методом после концентрирования их пирролидиндитиокарбаминатных комплексов на фильтрах. Определение ТМ в твердом осадке, после фильтрования талых вод образцов проб проводили по “Методике измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв и донных отложений рентгенофлуоресцентным методом” (М-049-ПДО/18⁴⁴). Водородный показатель образцов талых вод определяли на рН-метре Mettler Toledo Seven Compact S220, общую минерализацию (сухой остаток) образцов проб талой воды определяли по ГОСТ 18164-72. Содержание хлорид-ионов определяли по ГОСТ 4245-72. Содержание нефтепродуктов в воде проводили на основании “Методики измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых, сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости “Флюорат-02” (ПНД Ф14.1: 2: 4.128–98)⁵⁵.

Определение интегральной токсичности образцов талых вод на люминометре “Биотокс-10М” по методике экспрессного определения интегральной токсичности⁶⁶. Данная методика предусматривает измерение интенсивности биолюминесценции тест-объекта, в качестве которого используются лиофилизированные люминесцентные бактерии или ферментные препараты бактериальной люциферазы, входящие в состав биосенсора “Эколюм” (ТУ 2639-236-00209792-01). Методика основана на определении изменения интенсивности биолюминесценции бактерий в зависимости от содержания в анализируемой пробе химических веществ-токсикантов по сравнению с контролем (дистиллированная вода).

Выводы о токсичности пробы делались на основе изменения интенсивности биолюминесценции бактерий (имп/с) по сравнению с контролем за 30-минутный период экспозиции. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту “Т”, который устанавливает характер ответа биосенсора на токсичность среды и рассчитывается по формуле:

где I₀ и I – интенсивность биолюминесценции контроля и опыта соответственно.

Методика предусматривает три пороговых уровня токсичности:

− допустимый уровень токсичности (Т < 20);

− образец токсичен (20 ≤ Т < 50);

− высокая токсичность образца (Т ≥ 50).

В ряде случаев индекс токсичности может иметь отрицательное значение (при I > I₀), тогда делается вывод об отсутствии токсичности образца, и индекс токсичности принимает нулевое значение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе работы было определено содержание ТМ в подготовленных фильтратах талой воды проб снега с придорожных территорий улиц Владимира. Можно предположить, что именно ТМ вносят максимальный вклад в общую токсичность снежного покрова как химические элементы, способные оказывать вредное воздействие на организм человека, животных и растений. Их наличие в снежном покрове можно связать, прежде всего, с интенсивностью газовоздушных выбросов проходящего автотранспорта и близостью расположения ряда промышленных предприятий. В табл. 1 представлены ближайшие объекты-загрязнители, и дана характеристика загруженности автомобильных дорог в местах точек отбора проб снега.

Результаты анализов определения ТМ в подготовленных фильтратах талой воды представлены в табл. 2, из которой видно, что содержание водорастворимых форм ТМ в снежном покрове придорожных территорий всех пяти улиц Владимира немного выше, чем их уровень в контроле (ул. Мира, район ДТЮ). Можно отметить небольшое превышение по таким металлам, как цинк, медь, никель, ванадий, но обнаруженные практически в следовых количествах концентрации данных металлов угрозы для окружающей среды не представляют. Это связано, по-видимому, с тем, что на содержание ТМ в водорастворимой форме значительное влияние оказывает кислотность талой воды.

В табл. 3 приведены значения показателей рН и общей минерализации проб талых вод. По значениям рН видно, что талые воды ближе к нейтральной и слабощелочной среде, что во многом объясняет слабую водорастворимость ТМ и соответственно их низкие концентрации в отфильтрованной воде.

Для чистого снега значение pH обычно составляет 5.6–5.8, что связано с наличием в воздухе CO₂, образующим угольную кислоту, подкисляющую атмосферные осадки. Чем больше в снежный покров попадает различных загрязнителей и солей, тем рН его выше. Водородный показатель талой воды всех пяти исследуемых снежных покровов придорожных территорий находится в слабощелочной зоне, что очевидно свидетельствует об их потенциальной загрязненности.

Определение общей минерализации показало, что солесодержание в талой воде на всех пяти исследуемых улицах в 2–3 раза выше, чем в контроле (ул. Мира, район ДТЮ) и максимально на федеральной трассе М-7 (ул. Лакина) – 107.01 мг/дм³.

Твердую фракцию, оставшуюся на фильтре после фильтрования талых вод, также проанализировали на содержание ТМ. Результаты определений представлены в табл. 4, из которых видно, что содержание ТМ в осадке, полученном после фильтрования талой воды, достаточно высокое относительно контроля на всех пяти участках. По меди (ул. 1-я Никольская), никелю (ул. Лакина, М7) уже достигнуты значения установленных гигиенических нормативов. Значительно превышены установленные нормы по мышьяку (ул. Лакина, Лыбедская магистраль, Рокадная дорога), по кобальту (ул. Лакина и ул. Верхняя Дуброва).

Учитывая тот факт, что концентрации ТМ отражают их накопление в пыле-грязевом осадке снежного покрова за период, равный трем месяцам (время образования снежного покрова, из которого отбирали пробы), можно предположить, что концентрации данных токсикантов за условный год будут в 4 раза выше, а это уже несет серьезную потенциальную опасность окружающей среде и, в частности, почвенному покрову придорожной территории.

В контроле обнаружены низкие концентрации ТМ, что связано с отсутствием вблизи места отбора пробы автомобильного транспорта. Незначительное загрязнение снежного покрова данной территории связано с выпадением загрязненных атмосферных осадков (снега) и возможным переносом пылевой фракции, сорбирующей на себя тяжелые металлы.

Значительное загрязнение ТМ твердой фракции снежного покрова придорожных территорий исследуемых улиц, в первую очередь, связано с газовоздушными выбросами автомобильного транспорта, так как все указанные выше металлы присутствуют в выхлопных газах автотранспорта.

Негативное влияние на токсичность снега придорожной территории могут оказывать песчано-солевые (противогололедные) смеси, которыми обрабатывают дороги, и нефтепродукты, которые попадают в придорожный снег вследствие работы автотранспорта. В табл. 5 представлены результаты измерений концентраций нефтепродуктов и хлорид-ионов в талой воде.

Определение концентраций нефтепродуктов в талой воде показало, что по сравнению с контролем на всех участках отбора концентрации обнаруженных нефтепродуктов значительно выше, а на двух (точки 4, 5) превышают норму (0.3 мг/дм³) гигиенического норматива ГН 2.1.5.1315–03⁷⁷. Таким образом, содержание повышенных концентраций нефтепродуктов в талой воде исследуемых участков представляет опасность для окружающей среды, которые с талыми водами могут попадать в водоемы и оказывать токсическое действие на водные экосистемы.

Из табл. 5 также видно, что содержание хлорид-ионов в талой воде исследуемых улиц значительно выше, чем в контроле. Наличие большого количества хлорид-ионов в талой воде указывает на то, что для борьбы с оледенением автотранспортных магистралей в зимний период времени активно используется песчано-солевая смесь на основе технической поваренной соли (минерал галит) для повышения коэффициента сцепления с дорожным покрытием. Широкое использование хлорида натрия в качестве антигололедного средства по сравнению с другими средствами на основе хлоридов (СаCl₂, MgCl₂) объясняется, прежде всего, его дешевизной, но при этом поваренная соль является довольно токсичным элементом [16, 17]. Содержание в фильтрованной талой воде в избыточном количестве хлорид-ионов свидетельствует о том, что часть песчано-солевой смеси попадает в снежный покров придорожной территории. При таянии снега весной водорастворимый NaCl попадает в почву, в бассейны поверхностных водоемов, что грозит ухудшением состояния многих компонентов экосистем, в том числе и засолением почв [6, 11].

На последнем этапе исследований была проведена оценка интегральной токсичности (индекса токсичности) отфильтрованных проб талой воды на люминометре “Биотокс-10М”. Результаты представлены на рис. 3.

Видно, что образцы талой воды придорожных территорий ул. Лакина (М7), ул. В. Дуброва, Рокадной дороги, Лыбедской магистрали являются токсичными, а ул. 1-Никольской – высокотоксичным. Только проба талой воды ул. Мира (контроль) имеет допустимый уровень токсичности. Таким образом, большая часть снега и талого стока на расстоянии 3 м от проезжей части имеет токсичный уровень, поэтому снег с данной территории должен быть утилизирован, вывезен на специальные полигоны и очищен перед сбросом в поверхностные водоемы.

Полигоны должны быть полностью гидроизолированы, а площадки приема снега отделены от подстилающего грунта водонепроницаемым материалом, чтобы исключить попадание неочищенных талых вод в почву. Для очистки загрязненных талых вод, рядом с полигоном должны располагаться очистные сооружения с технологией двухступенчатой фильтрации.

Но в реальности токсичный снег с городских придорожных территорий поступает не на специальные полигоны, а на объекты приема снега (снежные свалки), которые не оборудованы ни очистными сооружениями, ни системами водоотведения, либо снег тает непосредственно на территории города. Так, во Владимире снег вывозят на Владимирскую станцию по утилизации снега в Михайловском овраге, территориально расположенную между ул. Гастелло и ТЦ “Ивановские мануфактуры”. В качестве природоохранного мероприятия на станции осуществлена обваловка территории, чтобы талые воды не попадали весной в окружающую среду. Площади данной станции хватает для вывоза снега из города в зимний период, но никаких очистных сооружений (оборудования для отстаивания и фильтрования талой воды) не предусмотрено. Таким образом, никаких экологичных технологий по очистке загрязненных снежных масс в городе на сегодняшний день нет. Вся загрязненная талая вода через системы водоотведения попадает в природные среды, главным образом в поверхностные водоемы, нанося непоправимый вред всей живой среде. Обустройство станции по утилизации снега во Владимире очистными сооружениями должно стать приоритетной задачей как для администрации города, так и для природоохранных органов.

ВЫВОДЫ

Исследованием установлено, что наибольшее содержание таких токсикантов, как тяжелые металлы, находится в твердом осадке талых вод, тогда как в фильтрате талых вод их содержание незначительно, что обусловлено слабощелочной реакцией талой воды придорожных территорий.

Во всех пробах талой воды придорожных территорий, за исключением контроля, выявлено повышенное солесодержание, связанное прежде всего с применением в качестве антигололедного средства песчано-солевой смеси на основе хлорида натрия, оказывающего токсическое действие на водные, растительные и почвенные экосистемы.

В талой воде из проб снега, отбранных на исследуемых улицах, выявленно повышенное содержание нефтепродуктов, действие паров которых может вызвать токсическое действие как на живые почвенные, так и водные организмы.

Оценка интегральной токсичности отфильтрованных проб талой воды показала, что все они являются токсичными, а проба с ул. 1-й Никольской – высокотоксичной, что связано, прежде всего, с высокими концентрациями в них нефтепродуктов и хлорида натрия.

Для снижения антропогенной нагрузки на почвы придорожных территорий необходимо сократить применение токсичных реагентов, использовать, по-возможности, другие более инертные химические соединения, а снег с этих территорий должен быть утилизирован – вывезен на специальные полигоны и очищен перед сбросом в поверхностные водоемы.