CC BY
124
гигиена и санитария 1/2014
Методы гигиенических исследований
О Н.А. БОГДАНОВ, 2014 УДК 614.771:631.422
Н.А. Богданов
диагностика территорий по интегральным показателям химического загрязнения почв и грунтов
ФГБУН «Институт географии» РАН, 119017, Москва
Анализ результативности диагностики земель разного функционального назначения с использованием интегральных показателей химического загрязнения почв и грунтов в различных природных условиях показал: наибольшая достоверность сведений о структуре и степени загрязнения территорий обеспечивается показателем, опирающимся на гигиенические нормативы (индекс загрязнения почв - ИЗП). Количество гигиенически опасных литохимических аномалий, выявляемых с помощью ИЗП, в несколько раз больше, чем фиксируемых показателем суммарного загрязнения микроэлементами Zc, ориентированным только на фоновое их содержание. Показатель Zc во многом субъективен и неприемлем в сложных почвенно-геохимических условиях, где невозможен выбор регионального фона. ИЗП учитывает в оценках не только микроэлементы, но и другие гигиенически нормируемые вещества (As, Hg, подвижные формы металлов, водорастворимые соли, углеводороды и др.).
Ключевые слова: почвы; химическое загрязнение; интегральные показатели; результативность диагностики территорий.
N.A. Bogdanov - DIAGNOSIS OF THE TERRITORIES WITH THE USE OF INTEGRAL INDICES OF CHEMICAL CONTAMINATION OF SOIL AND GROUNDS, RELIED ON THE BACKGROUND AND HYGIENIC STANDARDS
Institute of Geography of RAS, 119017, Moscow, Russian Federation
Analysis of the efficiency of diagnosis of lands for different functional appropriations with integral indices of chemical contamination of soils and grounds under different environmental conditions showed: the greatest accuracy of the information about the structure and degree of contamination of territories is provided by the index relying on hygienic standard (index of soil contamination, ISC). The number of hygienically dangerous lithochemical anomalies revealed by ISC is several times more than the fixed by the index of total pollution of soils by trace elements (Zc), focused only on their background levels. Index Zc is in many respects subjective and unacceptable in complex soil geochemical conditions where the selection of the regional background is impossible. ISC accountc not only in trace elements, but other hygienically regulated substances (As, Hg, mobile forms of metals, water-soluble salts, carbohydrates, etc.) either.
Key words: soils; chemical pollution; integral indices; efficiency of the diagnosis of territories.
Загрязнение земель оказывает выраженное воздействие на формирование популяционного здоровья населения. В первую очередь это сказывается на детях, так как накопление токсичных микроэлементов и других поллютантов происходит еще в плаценте.
Состояние почв и рыхлых отложений с присущими им токсикологическими и иными характеристиками -один из многочисленных показателей качества жизни и санитарно-эпидемиологической безопасности. Она обеспечивается соответствием качества окружающей среды гигиеническим нормативам при условии отсутствия явных патологических изменений здоровья населения. Риск неблагоприятного развития ситуации имеет при этом приемлемый уровень. Достижение такого уровня безопасности - главный момент в становлении санитарно-эпидемиологического благополучия, способствующего развитию социально-экономической среды, стимулирующего духовную и физическую активность населения. Такого рода благополучие неразрывно связано с качеством медико-экологической ситуации, управление которой опирается на рациональное природопользование и целенаправленное вмешательство в систему «состояние окружающей среды - здоровье человека».
Для корреспонденции: Богданов Николай Александрович, [email protected]
Одной из ключевых основ оптимизации подобного вмешательства является комплексная диагностика состояния территорий. Инструментарий диагностики содержит интегральные показатели загрязнения почвогрунта, позволяющие получать более или менее достоверные представления об уровне, структуре и степени накопления комплекса химических веществ. Расчеты опираются как на фоновые концентрации веществ, так и на гигиенические нормативы. Среди индикаторов, использующих фон, но обладающих гигиенически обоснованной шкалой опасности загрязнения, наиболее известен «суммарный показатель загрязнения почв микроэлементами (МЭ)» СПЗ или Zc [1]. В ряде случаев применяется индекс загрязнения «почв» ИЗП, использующий нормативные лимитирующие показатели [2, 3].
Важно отметить, что фоновые концентрации химических веществ, если они правильно и корректно определены, являются чуткими критериями санитарноэпидемиологического благополучия населения. Жители той или иной местности исторически адаптированы к определенным количествам веществ в почвах и рыхлых отложениях, а не к абстрактным и бессмысленным с гигиенической точки зрения кларкам (в земной коре, литосфере, почвах Мира). Например, фоновые концентрации Zn, Cu, As, Mn, Ni, Co в почвах Астраханской области ниже в 1,8-2,3 раза их кларка в земной коре, а
92
Таблица 1
Приоритетные при загрязнении городской среды микроэлементы в почвах Астраханской области: кларки в земной коре (Кзк), региональный фон (Ф), интенсивность рассеяния (Кзк / Ф)
Элемент Кзк* Ф [2] Кзк/Ф
мг/кг
Mn 1000 450 2,2
Cr 83 65 1,3
V 90 84 1,1
Ni 58 25 2,3
Co 18 8 2,3
Cu 47 23 2,0
Ag 0,07 0,05 1,4
Zn 83 45 1,8
Pb 16 13 1,2
Sn 2,5 2 1,3
As 1,7 0,8 2,1
Hg 0,08 0,006 13,3
* Добровольский В. В. География микроэлементов: глобальное рассеивание. М.: Мысль, 1983.
рассеяние Hg достигает 13,3 раза. Смысл нормирования на кларки отсутствует. Более того, он приводит к существенному занижению результатов подобных «гигиенических оценок» в отдельных регионах (табл. 1).
Широкое использование показателя Zc не исключает ограничений в его применимости, которые связаны со следующими неопределенностями [1—3]: а) изначальная ориентированность Zc на атомно-эмиссионный приближенно-полуколичественный анализ не позволяет включать в расчеты количественно определяемые вещества (Hg, Cd, As, подвижные формы тяжелых металлов, углеводороды и др.); б) неопределенность современного понятия «фон» («местный», «региональный», «загрязнения», «урбанизированный» и т. п.); в) зависимость объективности фоновых характеристик от множества субъективных факторов (правильность выбора фоновых участков, представительность и достоверность отбора проб, способ их хранения и подготовки к анализу; техническая оснащенность, аттестованность лабораторий, пределы обнаружения веществ, метод расчета фонового содержания - простое осреднение или вычисление генерального среднего; квалификация специалистов, производящих комплекс работ, и т. п.); г) субъективизм выбора расчетного спектра МЭ для отражения особен-
ностей загрязнения территории (например, природный и в меньшей мере техногенный генезис Sr, Ti, Mn, Sc, Zr, B и др. МЭ в условиях древних песчаных аллювиальноморских равнин); д) невозможность определения фона в связи со спецификой геолого-геоморфологических и почвенно-геохимических условий; е) изменения фоновых концентраций поллютантов (табл. 2).
Расчеты на текущий фон также искажают, в данном случае, представления о динамике, структуре и опасности загрязнения при многолетнем мониторинге почв и грунтов. Основной причиной 2-4-кратного увеличения фоновых концентраций Ag, Co, Cr, Zn, Pb в районах эксплуатации газоконденсатных месторождений можно считать рассеивание выбросов от продувки буровых скважин (рис. 1).
Комплекс неопределенностей существенно снижает результативность оценок, опирающихся на фоновые концентрации веществ.
Вычисления показателя ИЗП опираются на нормативные «реперы» (предельно и ориентировочно допустимые концентрации веществ - ПДК и ОДК соответственно). Такого рода зонирование позволяет гигиенически обоснованно дифференцировать территорию по степени опасности проживания. Показатель вычисляется по формуле: ИЗП = E1m(Ci/C )/n = 1‘т(Ко)/и, где в скобках - отношение содержания вещества в точке отбора пробы к нормативу (или Ко - коэффициент опасности), n - любое, но фиксированное на обследуемой площади количество ингредиентов. Данное условие обеспечивает сравнимость результатов оценок на обследуемой территории. По существу ИЗП представляет собой интегральный уровень ПДК. Значения ИЗП>1,0 диагностируют «загрязненный» грунт, и чем они выше, тем хуже состояние окружающей среды.
Показатель ИЗП апробирован в разных ландшафтных и климатических условиях. Принцип его расчета позволяет диагностировать территорию как методом ключевых профилей, так и по регулярной сети отбора поверхностных проб грунта на землях разного функционального назначения.
Метод ключевых профилей применен на более чем 100 км участке Николаевской железной дороги (ж. д.) в неоднородных геолого-геоморфологических и почвенногеохимических условиях гумидного климата северной тайги с избыточным увлажнением и промывным режимом почв (Карельский перешеек). Специфика природных условий исключила возможность выбора единого регионального фона и использования показателя Zc при диагностике полосы отвода данного линейного источника загрязнения. ИЗП обеспечил сравнимость результа-
Таблица 2
Многолетняя изменчивость фоновых концентраций металлов (Сф) и значения Zc, рассчитанные с учетом исходного (1997 г.) и современного (2012 г.) фона (мониторинг почв в районе АГК*)
Сф, год
1997
2012
2012/1997
Металлы, мг/кг
Mn Cr V Ni Co Cu Ag Zn Pb Sn Mo
350 41 57 14 5 40 0,05 20 4 2 1
250 80 47 18 8 48 0,08 50 15 2,5 1,2
Изменения за 16 лет
0,7 2,0 0,8 1,3 1,6 1,2 1,6 2,5 3,8 1,3 1,2
Zc (2012 г.)**
9,2 (4,9-27,4)
2,3 (от -0,3 до 13,1)
Занижение*** гигиенической опасности - в 4 раза
* - Астраханский газовый комплекс, 73 пробы в зоне радиусом 5 км от АГК; ** - перед скобками - среднее, в скобках - диапазон значений показателя; *** - отношение средних значений Zc по зоне обследования при расчете на фон: исходный 1997 г. и текущий 2012 г.
93
[гиена и санитария 1/2014
Рис. 1. Рассеивание выбросов (а) от продувки буровых скважин (б) в санитарно-защитной зоне АГК (регламентные работы).
Т аблица 3
Модель зонирования эколого-гигиенического состояния полосы отвода участков железной дороги «Санкт-Петербург - Бусловская» и «Советский - Приморск» на Карельском перешейке*
Зональность химического загрязнения в полосе отвода
западная часть полосы (наветренная) ж.-д. полотно восточная часть полосы (подветренная)
100-120 32-47 16-20 5-12 Зоны, м 3-10 15-20 25-75 95-120
0,96 0,60 1,57 0,93 ИЗП 3,11 1,13 1,05 0,98
Проблемный Загрязненный Проблемный Категория загрязнения грунта Загрязненный Проблемный
Интегральная схема зональности загрязнения обобщенной полосы отвода
Зоны, м 3-12 15-20 25-75 95-120
ИЗП 2,02 1,35 0,87 0,97
Категория загрязнения Загрязненный Проблемный
грунта
*В расчеты включены средние значения ИЗП для подвижных форм тяжелых металлов Ni, Zn, Cu, Cr
тов оценок. Для контрольных профилей построены модели зональности эколого-гигиенического их состояния (табл. 3).
В отношении подвижных форм тяжелых металлов (Ni, Cr, Cu, Zn) установлено: подветренный сектор полосы отвода ж. д. оказался в категории «загрязненного» грунта (удаление до 120 м); наветренная сторона - такое состояние земель наблюдалось в ближней зоне (в радиусе до 20 м - подщелачивание грунта от кислых рН=3-4,5 до нейтральных значений рН=6,0). Барьер накопления -опушки леса, сквозь которые рассеивание поллютантов затруднено [2].
Метод оценок по регулярной сети отбора проб применен на урбанизированных территориях Астраханской области (20 поселков в дельте р. Волги). В сухой и жаркий летний период здесь господствует выпотной режим почвенной влаги. МЭ нормировались как на региональный фон [2], так и на гигиенически обоснованные уровни (для расчетов Zc и ИЗП соответственно, в том числе и на «целевой» безопасный для человека и экосистем уровень 0,3 мг/кг, принятый для Hg в Западной Европе [4]). В расчеты ron(VZnPbHgAs) включены главные ингредиенты спек-
тра Zc(MnCrVNiCoCuAgZnPbSn) и высокотоксичные Hg и As [3].
Исследованием статистически значимых количеств образцов грунта (сотни проб) с гигиенически опасными уровнями загрязнения установлено: а) основные категории рангов шкалы гигиенической опасности показателей совпали. Средние значения градаций ИЗП соответствуют основным категориям загрязнения почв по Zc (табл. 4, 5); б) «чистый» грунт характеризовали до 88%, а «загрязненный» - 6-8% проб, независимо от площади поселков, что характерно и для крупных городов (Могилев, Псков, Иваново, Астрахань и др.) [2, 5]; в) в градации «загрязненного» грунта тесная прямая зависимость (r = 0,79-0,95) между значениями показателей может и отсутствовать (до r = -0,18), что свидетельствует о несоответствии количества и местоположения гигиенически опасных очагов накопления, выявленных данными показателями (рис. 2, 3).
Опыт свидетельствует (см. табл. 5): результативность
Таблица 4
Соотношение категорий химического загрязнения почвогрунта в значениях интегральных показателей иЗП и Zc
Категории ИЗП < 0,75 «чистый» 0,75-1,0 «проблемный» > 1,0 «загрязненный»
загрязнения Zc < 16 «допустимая» 16-32 «умеренно опасная» > 32 «опасная»
94
Рис. 2. Суммарное загрязнение почв микроэлементами, Zc (MnCrVNiCoCuAgZnPbSn): Астраханская область, пос. Ильинка, 1995 г.
1 - изолинии Zc; 2 - границы аномалий Zc; 3 - точки отбора проб почвогрунта и максимальные значения Zc; 4 - ранжированный по Кс ряд микроэлементов (п = 10), из которых показаны лишь те, концентрации которых составляют Кс > 3; 5 - котельные; 6 - границы рабочих зон хозяйственных объектов; 7 - автотрассы Е 119 и М 6 «Каспий». Роза ветров составлена по среднегодовым среднемноголетним данным станции «Астрахань ГМО» (абс. отм.: □ 22 м БС; штиль: 3%).
показателя ИЗП в определении количества гигиенически опасных аномалий (ИЗП > 1,0) в 4-5 раз выше, чем у показателя Zc (ореолы в значениях Zc > 32) [3].
Неоднократные апробации показателя позволили создать алгоритм диагностики земель с применением
ИЗП. Технология содержит критерии и методические приемы оценок (БП - бенз(а)пирен, НП - нефтепродукты):
1. Основной критерий - ПДК или ОДК; дополнительный - сигнальные пороговые уровни содержания (Hg, мг/кг - 0,3 [4]) и 0,4 [1]; НП - 1000 мг/кг [6]).
95
игиена и санитария 1/2014
Таблица 5
Соотношение статистических характеристик интегральных показателей загрязнения почво-грунта на территориях поселков в дельте Волги
Поселок, общее количество проб (N), площадь обследования* Соотношение характеристик показателей по категориям загрязнения грунта в градациях значений ИЗП** Аномалии с опасным уровнем загрязнения почв
< 0,75 «чистый» 0,75-1,0 «проблемный» > 1,0 «загрязненный» ИЗП > 1,0 Zc > 32
Мумра, 180, 11 км2, rN = 0,95 ИЗП = 0,51 ИЗП = 0,85 средн ИЗП = 1,59 средн 12 3
n = 86% п = 7,3% п = 6,7%
Гп = 0,84 rn = 0,40 СП О o' II
Zc = 7,9(-2,8-19) Zc = 16,7(10,3-21,6) Zc = 36,2(4,3-84)
Оранжереи, 102, 9,2 км2, rN =0,79 ИЗП = 0,47 ИЗП = 0,83 средн ИЗП = 1,20 средн 6 5
n = 88% n = 6% п = 6%
rn = 0,86 >5 II 1 О 00 r„ = 0,52
Zc = 6,9(-0,6-18,2) Zc = 24(4,9-65,6) Zc = 32,5(10,9-44)
Трудфронт, 65, 2,5 км2, rN =0,95 ИЗП = 0,48 средн ИЗП = 0,83 средн ИЗП = 1,29 средн 5 1
n = 78% n = 14% п = 8%
rn = 0,92 rn = 0,52 r = -0,18
Zc = 7,5(0,1-16) Zc = 19,7(12-28) Zc = 30,1(25,4-38,3)
*rN - парная корреляция значений «ИЗП-Zc» по всей выборке проб (N), ron(VZnPbHgAs), Zc(MnCrVNiCoCuAgZnPbSn); ** - n - доля проб в данной градации значений ИЗП,%; r - корреляция значений «ИЗП-Zc» для количества проб n в этой градации ИЗП; Zc - «среднее (амплитуда)» значений в пределах выборки проб, п.
Рис. 3. Эколого-гигиеническое состояние территории по концентрации в почвах комплекса токсичных веществ: индекс загрязнения почв (ИЗП) (VZnPbAs и SO4-2, Cl-) и миграционно активная низкотемпературная Hg (коэффициент Ка [2]): Астраханская область, пос. Ильинка, 1995 г.
1-3 - состояние по концентрации VZnPbAs в значениях ИЗП, качество грунта: 1 - хорошее (<0,75 - чистый), 2 - удовлетворительное (0,75-1,0 - проблемный), 3 - неудовлетворительное (>1,0 - загрязненный грунт); 4 - грунт, токсичный для растений: ИЗП (SO4-2, Cl-) >1,0; 5 - изолинии значений ИЗП; 6 и 7 - точки отбора проб почв со значениями ИЗП(VZnPbSnAs) и ИЗП^Оу2, Cl-) соответственно; 8 - точки отбора проб почв со значениями Ка (ртуть); 9 - котельные; 10 - границы рабочих зон хозяйственных объектов; 11 - автотрассы Е 119 и М 6 «Каспий». В расчетах ИЗП содержание микроэлементов соотнесено с уровнями ПДК или ОДК, а солей - с токсичными для растений их концентрациями, с учетом кратности которым приведены ранжированные ряды этих веществ.
96
2. В расчетный спектр включаются неорганические и органические вещества разных классов опасности, исходя из приоритетности для данного источника (например, от сжигания жидкого углеводородного топлива: БП, NO Hg, Pb, V, Ni, Cu).
3. Расчетный спектр ингредиентов определяется конкретными задачами оценок уровня химического загрязнения. Следует избегать включения в один спектр веществ, подавляющих токсичность других ингредиентов (например, Hg и соединения серы, используемые при демеркуризации земель [4]), но использовать комплексы соединений, способствующих увеличению опасности загрязнения (например, метилирование Hg или образование диоксинов в очагах накопления нефтепродуктов и фенола на засоленных землях [5]).
4. Расчеты ведутся раздельно - по валовым и подвижным формам; водо- и кислотнорастворимым соединениям.
5. Количество веществ не ограничено, но постоянно на территории оценки и не менее двух (n).
6. Степень загрязненности соответствует указаниям таблиц [7] - по кратности превышения ПДК веществом наивысшего класса опасности в данном спектре ИЗП.
7. Опасность загрязнения - тем выше, чем значения ИЗП > 1,0.
8. Гигиеническое зонирование территории на карте проводится в изолиниях пороговых значений ИЗП = 0,75 и 1,0; в аномалиях указываются максимальное значение и ранжированный по Ко ряд веществ (рис. 3).
Для разных объектов оценок ранжирование ингредиентов ИЗП по кратности ПДК, ОДК или сигнальным уровням содержания веществ будет следующим, например:
1. Урбанизированные территории, где в качестве топлива используются газ, нефтепродукты, каменный уголь (п = 10): ИЗП = 2(РЬ5СаБП32п^^1>5№СиНП1 As0,5) - очень сильное загрязнение.
2. Полоса отвода автотрасс (п = 7): ИЗП = ^(РЬБП^МС^^НП) - очень сильное загрязнение.
3. Полоса отвода ж. д. (п = 4, подвижные формы металлов I-II классов опасности): ИЗП = 1,8(CuNi3CrZn05) - сильное загрязнение.
Таким образом, можно заключить следующее:
1. Использование принципа расчета показателя ИЗП обеспечивает гигиенически обоснованную дифференциацию территорий по степени опасности проживания.
2. В расчетах учтены как отечественные нормативы (для микроэлементов) и сигнальный уровень (для нефтепродуктов), так и зарубежный аналог (по ртути).
3. Интегральный показатель ИЗП, опирающийся на гигиенические нормативы, зачастую безальтернативен и более результативен в диагностике экологогигиенического состояния территорий, чем показатели, использующие во многом субъективные данные о фоновом содержании веществ (например, Zc).
4. Принцип расчета ИЗП может обеспечить комплексный учет как химических (минеральных и органических веществ), так биологических и радиационных характеристик рыхлых отложений.
5. Технология оценок представляет явное преимущество ИЗП перед другими интегральными показателями загрязнения почвогрунта. Она способствует адаптации отечественной к зарубежным системам нормирования и диагностики эколого-гигиенического состояния земель
разного функционального назначения в различных природных условиях.
6. Наиболее эффективные области применения показателя ИЗП представляются в случаях: а) отсутствия сведений или невозможности определения фоновых концентраций химических веществ, б) оценки состояния земель по комплексу нормируемых МЭ, УВ и других соединений, в) детализации эколого-гигиенической неоднородности при диагностике территорий - независимо от изменчивости фоновых концентраций веществ.
Литер атур а
1. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. Главное санитарнопрофилактическое управление Министерства здравоохранения СССР: № 5174-90. М.: ИМГРЭ; 1990.
2. Богданов Н.А. Экологическое зонирование: научно-
методические приемы (Астраханская область). М.: Едитори-ал УРСС; 2005.
3. Богданов Н.А. Сравнение информативности интегральных показателей загрязнения почв тяжелыми металлами и другими микроэлементами. Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2012; 3(20): 126-31.
4. Бессонов В.В., Янин Е.П. Способы оценки и ремедиации загрязненных ртутью городских почв. В кн.: Ртуть. Проблемы геохимии, экологии, аналитики: Сборник научных трудов. М.: ИМГРЭ; 2005: 160-80.
5. Богданов Н.А., Миколаевская Е.Л., Морозова Л.Н., Чуйкова Л.Ю., Чуйков Ю.С. Санитарно-гигиеническое состояние территории Астрахани: химическое загрязнение. Астрахань: Нижневолжский экоцентр; 2011.
6. Пиковский Ю. И., Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Сахаров Г.И. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами. Почвоведение. 2003; 9: 1132-40.
7. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы. СанПиН 2.1.7.1287-03. М.: Минздрав РФ; 2003.
References
1. The methodical recommendations for the settlements rating on air pollution degree according to the content of metals in snore cover and soils. The General Sanitary Preventive Department of the Ministry of public health care USSSR: № 5174-90. Moscow: IMGRE; 1990. (in Russian)
2. Bogdanov N.A. Ecological zoning (или division into zone): scientific method (Astrahanskiy region). Moscow: Editorial URSS; 2005. (in Russian)
3. Bogdanov N.A. Comparison of information value of integral index of soil contamination with heavy metals and other trace minerals. Problemy biogeokhimii i geokhimicheskoy ekologii. 2012; 3(20): 126-31. (in Russian)
4. Bessonov V.V., Yanin E.P. The estimation and remediation methods for urban soils contaminated by mercury. In: Rtut’. Problemy geokhimii, ekologii, analitiki: Sbornik nauchnykh trudov. Moscow: IMGRE; 2005: 160-80. (in Russian)
5. Bogdanov N.A., Mikolaevskay E.L., Morozova L.N., Chuikova L.U., Chuikov U.S., Sanitary and hygienic status of Astrakhan’s area: chemical pollution. Astrakhan: Nignevolgskiy ecocenter; 2011. (in Russian)
6. Pikovskiy U.I., Gennadiev A. N., Chernianskiy S.S., Saharov G.I. Problems of diagnostics and rate fixing for oil polluted soils. Pochvovedenie. 2003; 9: 1132-40. (in Russian)
7. Sanitary and epidemiological requirements for the quality soil. SanPiN 2.1.7.1287-03. Moscow: Minzdrav RF; 2003. (in Russian)
Поступила 15.03.13
97
