Пространственная структура загрязнения депонирующих сред г. Уфы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 502.55

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЕПОНИРУЮЩИХ СРЕД Г. УФЫ

© Э. М. Галеева, Д. С. Теплова*

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Карла Маркса, 3/4.

Тел.: +7 (347) 292 96 02.

*Email: [email protected]

В статье рассматриваются особенности загрязнения почвенного и снежного покровов г. Уфы. Дана краткая характеристика геохимической специфики города. С помощью системы ArcGIS и MapInfo проведено картирование ореолов загрязнения в депонирующих средах. Отмечены различия в размерах, контурах, контрастности выявленных ореолов загрязнения в этих средах. Проанализированы расположение и контуры аномалий на примере соединений ртути. Произведено сравнение с аномалиями некоторых других химических элементов. Отмечены различия многолетнего и однолетнего загрязнения города. Выявлена связь контуров геохимических аномалий с физико-географическими особенностями изучаемой территории.

Ключевые слова: загрязнение, геохимические аномалии, ореолы, депонирующие среды, транспортирующие среды, пространственная структура, физико-географический фактор.

Состояние окружающей среды в городах определяется степенью загрязнения отдельных компонентов окружающей среды. Геохимические аномалии в городских агломерациях образуются как в депонирующих загрязнение средах (почвенный, снежный покров, донные отложения), так и в транспортирующих (атмосферный воздух, поверхностные водотоки). Приоритетными в системе мониторинга компонентов окружающей среды являются наблюдения за состоянием атмосферного воздуха как наиболее опасного источника загрязнения с прямым экологическим воздействием. Однако для воздушного бассейна, как и поверхностных вод, характерна высокая динамичность концентраций поллютантов, обусловленная влиянием большого количества физико-географических факторов. Ведущим является характер и мощность источников загрязнения, в общих чертах определяющие размеры зон воздействия и контрастность аномалий. Размеры зон загрязнения и содержание поллютантов изменяются в зависимости от специфики производств. К физико-географической группе факторов относятся, прежде всего, рельеф и метеорологические условия. Среди метеорологических факторов наиболее опасным с точки зрения распространения загрязнения является сочетание штилей и различных инверсий [1]. Для Уфы характерно большое количество дней в году с сочетанием «штиль-приземная инверсия» (до 100% в летний сезон отдельных лет), при котором наблюдаются максимальные концентрации загрязняющих веществ. Важное значение имеют и температурные аномалии. Выявлено наличие по крайней мере трех «островов тепла» в центральной части города, приводящее к росту содержания примесей в атмосфере. Существенные коррективы в расположение, размеры, контуры геохимических аномалий вносит ветровой режим. Для района г. Уфы при преобладании равнинного рельефа предполагается наличие концентрических ореолов загрязнения и их расположение близ источников загрязнения. Однако эта закономерность нарушается своеобразным мезорельефом города. Под его влиянием в течение всего года в пределах города Уфы преобладают ветра меридионального направления, поэтому контуры аномалий имеют тенденцию к линейной ориентации. В ряде случаев эта закономерность нарушается, контуры аномалий будут иметь более сложную форму либо в результате наложения многочисленных источников загрязнения друг на друга, либо в результате изменения мезорельефа.

Для г. Уфы проводится мониторинг состояния практически всех компонентов окружающей среды -снежного и почвенного покровов, атмосферного воз-

духа, поверхностных водотоков. Ввиду высокой изменчивости концентраций загрязняющих веществ в транспонирующих средах, для целей картирования и последующего зонирования предпочтительным является изучение депонирующих сред. Для индикации суммарного влияния техногенеза и степени оценки длительного воздействия предпочтительным является мониторинг степени загрязнения почв города.

Особенности ореолов загрязнения в почвах определяются многолетним воздействием и накопительным характером литологических аномалий. При этом имеет значение длительность загрязнения и характер промышленной специализации города, а также структура расположения производств внутри него. Как правило, техногенный ореол, формирующийся в почвенном покрове, фиксирует загрязнение за последние годы, но его интенсивность зависит от типа промышленного предприятия. Как показали результаты исследований в отношении геохимического состояния депонирующих сред, почвенный и снежный покров г. Уфы аномальны практически по всему спектру тяжелых металлов. Загрязнение в почвах фиксируется следующей ассоциацией химических элементов: свинец (РЬ), медь (Си), цинк ^п), молибден (Мо), никель (№), хром (О), ртуть (И&). Специфичность производств проявляется чаще всего в степени контрастности аномалий. В течение уже 5-10 лет проявляются контрастные аномалии

[2]. Таким образом, картирование загрязнения почвенного покрова г. Уфы позволит представить степень загрязнения территории за весь период функционирования промышленных предприятий городской агломерации. Использование для целей картографирования тяжелых металлов было определено еще и тем, что аномалии выпадений как пыли, так и тяжелых металлов, как правило, совпадают с ареалами загрязнений атмосферы традиционными заменителями - оксидами серы, азота, антропогенных органических соединений

[3]. Однако аномалии тяжелых металлов и иных химических элементов выглядят контрастнее, имеют важное индикационное значение для представления о комплексном загрязнении окружающей среды.

Снежный покров является эффективным накопителем загрязнений и отражением состояния атмосферного воздуха за один год. При анализе результатов картирования необходимо учесть, что концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается выше, чем в атмосферном воздухе вследствие высокой абсорбирующей способности снежного покрова. Поэтому механический перенос количественных показателей содержания поллютантов в снежном покрове на такие же показатели в воздушных потоках и почве невозможен.

Нами были обработаны материалы из базы данных кафедры гидрологии и геоэкологии БашГУ о загрязнении почвенного и снежного покровов г. Уфы. Обработка была проведена с помощью систем ArcGIS и MapInfo для 47-ми точек опробования. В результате были составлены карты загрязнения депонирующих сред города для ряда химических элементов, как моно-, так и полиэлементные. В работе проведен анализ пространственного распространения загрязнения соединениями ртути как обязательного для мониторинга элемента I класса опасности. Кроме того, он является типоморфным для ряда производств, расположенных в черте города (некоторые химические производства, машиностроение, приборостроение, производство строительных материалов).

Для соединений ртути картирование проводилось как по абсолютным значениям показателей загрязнения (мг/кг почвы), так и по относительным (коэффициенту концентрации). Безусловно, более верным является проведение картографирования по относительным показателям - коэффициенту концентрации или суммарному коэффициенту загрязнения. Но вследствие отсутствия показателей фоновой нагрузки для этого элемента в почвенном покрове пришлось обратиться к абсолютным значениям. Для картирования однолетнего загрязнения по данному элементу в снежном покрове расчет проводился по коэффициенту концентрации, базовым показателем являлось фоновое значение. Густота апробирования составляла 1 точку на 1 км2 исследуемой территории. Такая степень площадного картирования дает общее представление о характере распространения и контрастности геохимических аномалий, указывая на проблемные районы и участки для детальных исследований. В ряде случаев была использована и система Profile [4-5].

В результате картирования загрязнения почвенного покрова соединениями ртути (рис. 1) стало очевидно, что практически вся территория города имеет степень загрязнения порядка 0.075-0.100 мг/кг сухой

почвы. Видимо, в современных условиях это будет являться так называемым «фоновым» загрязнением. На этом фоне выделяются очаги с гораздо более высокими концентрациями - более 0.1 и более 0.125 мг/кг. Они приурочены либо к северной части города (более контрастный район загрязнения северной промзоны), либо к так называемому «амфитеатровому» рельефу, куда происходит «стекание» загрязняющих веществ - в юго-восточной и южной части [3]. Эти два района формируют четко выраженную зональную структуру загрязнения. Размеры данных аномалий варьируются от 3-4 км в южной части города до 10-12 в северной части. В черте города имеются и отдельные участки с пониженными концентрациями. Они, как правило, фиксируются вокруг парковых зон города (рис. 1). Контуры аномалий имеют в основном концентрическую форму, что является типичным для равнинного рельефа. Участки с «фоновым» загрязнением сливаются в обширное поле загрязнения с содержанием ртути в почве в пределах 0.075-0.100 мг/кг, что объясняется множественностью источников загрязнения и наложением зон их влияния друг на друга. Размеры аномалий с более высокими концентрациями (более 0.125 мг/кг сухой почвы) имеют размеры 0.5-3 км, что совпадает с выявленными размерами зон загрязнений для городов типа «центр» [3]. Помимо этого, в городе наблюдаются многочисленные мелкие и неконтрастные зоны загрязнения, приуроченные к небольшим предприятиям малой мощности или перекресткам оживленных автодорог.

На рис. 2 представлена картина загрязнения ртутью снежного покрова г. Уфы. Как было отмечено выше, снеговой покров является отражением состояния атмосферного воздуха. На размеры и контуры геохимических аномалий оказывают сильное влияние, кроме рельефа, метеорологические факторы (состояние атмосферы, скорость и направление ветра, наличие туманов и т.д.). Поэтому контуры зон загрязнения иные, чем на рис. 1.

Рис. 1. Пространственное распределение концентрации ртути в почвенном покрове г. Уфы

Рис. 2. Пространственное распределение коэффициентов концентрации ртути в снежном покрове г. Уфы

Наблюдается четкая зависимость между расположением промышленных предприятий и концентраций ртути. Максимальные значения наблюдаются в северной промышленной зоне (более 30 коэффициентов концентрации). Другие аномальные по степени загрязнения ртутью территории находятся в юго-западной части, фиксируемой такими же показателями. Общие размеры аномалий составляют 1-5 км. Наиболее часто встречающиеся значения коэффициента концентрации по ртути составляют 20-30 (на фоне менее 10). Эти аномалии имеют мозаичный характер и форму, близкую к концентрической для ближней зоны загрязнений. Дальние зоны загрязнения имеют вытянутые формы и близкую к меридиональной ориентацию. Крупнейшая промзона в северной части Уфы, характеризующаяся зональной структурой размещения промышленности, имеет значительные размеры аномалий по ртути (более 10 км), более сложные контуры, связанные с взаимовлиянием зон ряда промышленных предприятий. Она занимает часть санитарно-защитной, селитебной и зеленой зон на северо-востоке города. Мелкие аномалии в центре и на юге, обусловленные вкрапленной (порфировидной) структурой размещения промышленности, как правило, ограничены размерами промышленных площадок, дальние зоны загрязнений имеют невысокие коэффициенты концентраций. Границы, отделяющие одни градации от других, имеют почти линейную форму.

Интересен результат построения карты загрязнения снежного покрова г. Уфы никелем. Не приводя картосхемы, отметим, что построение карты загрязнения также было проведено по значениям коэффициента концентрации. Если в предыдущих случаях наблюдается четкая зависимость расположения аномалий свинца и ртути вблизи крупных промышленных предприятий и зон, то в случае с аномалиями никеля картина иная. Наиболее контрастные аномалии никеля располагаются в северной части с очагом в пределах санитарно-защитной зоны, а не промышленной площадки (с коэффициентами концентрации до 16-17), однако размеры очага загрязнения не превышают 1.5 км2, а дальняя зона загрязнения также гораздо протяженнее - со значениями коэффициента не более 10.

Следующая крупная аномальная по содержанию никеля зона располагается на восточной окраине г. Уфы, вблизи зеленой зоны города, вдалеке от про-

мышленных предприятий, в понижении рельефа. Традиционным остается вытянутость аномалии с севера на юг и почти направленная концентрически овальная форма. Вероятно, в местонахождении этой аномалии большую роль сыграл мезорельеф. Данный район города имеет форму амфитеатра и, вероятно, происходит концентрация загрязненных воздушных масс в более низких элементах рельефа. Интересно, что предполагаемые ранее геохимические аномалии по свинцу и ртути на этом же участке не зафиксированы. Отметим также, что для содержания никеля в снежном покрове г. Уфы характерна большая площадь с несколько повышенными концентрациями этого элемента по сравнению со свинцом и ртутью. Аналогичная картина загрязнения снежного покрова города наблюдалась и по другим тяжелым металлам [5].

Таким образом, в расположении контуров геохимических аномалий по почвенному покрову имеются различия, связанные с сильным влиянием метеорологических факторов на загрязнение снежного покрова. Оно заключается в более равномерном распределении загрязнения по территории города, четкой фиксации 2-х контрастных очагов загрязнения, вытянутой по направлению господствующих ветров форме. Для загрязнения почвенного покрова характерна более сложная мозаичная картина распространения аномалий. Кроме того, в центре города, в районах расположения парков, могут фиксироваться территории с гораздо более низким уровнем загрязнения, чего нет при анализе аномалий снежного покрова.

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплова Д. С. Влияние природных факторов на формирование пространственной структуры загрязнения снежного покрова г. Уфы // Ландшафтно-экологическое состояние регионов России: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Воронеж: Истоки, 2015. С. 195-198.

2. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.

3. Сает Ю. Е., Раевич Б. А., Янин Е. П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.

4. Галеева Э. М. Асимметрия ландшафтов. Уфа: изд-во БГПУ, 2002. 108 с.

5. Галеева Э. М., Хафизова А. И., Хасанова Э. И. Пространственная структура загрязнений снежного покрова г. Уфы // Вестник Удмуртского университета. Биология. Науки о земле. 2014. Вып. 4. С. 7-11.

Поступила в редакцию 23.10.2015 г.

SPATIAL STRUCTURE OF CONTAMINATION OF DEPOSITING ENVIRONMENTS IN UFA CITY

© E. M. Galeeva, D. S. Teplova*

Bashkir State University 3/4 Karl Marx St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 292 96 02.

*Email: [email protected]

The article is devoted to practical monitoring carried out in Ufa for all components of the environment: snow, soil, air and surface waters. For mapping and subsequent releasing of zones of contamination, it is preferable to study depositing environment (soil, snow, sediments) due to the high variability of the concentrations of pollutants in transporting environment (air, surface watercourses). In process of monitoring of soil pollution in the city, it is preferable to indicate the cumulative influence of technogenesis and the degree of assessment of prolonged exposure. Snow is an effective accumulator of pollutants and a reflection of the condition of atmospheric air in a single year. In this article, the peculiarities of ground and snow cover of Ufa city are considered. We conducted mapping of pollution halos for depositing environment with the use of the ArcGIS system and Maplnfo. Mapping was carried out on absolute values of pollution index (mg/kg for soil), and relative (index concentration). The differences in sizes, contours, contrast of revealing contamination halos in these environments are noted. The location and contours of anomalies on the mercury combination is analyzed. The comparison with anomalies of a number of other chemical elements is done. The differences of long-standing and annual contaminations of the city are noted. Geochemical specificity of the city reflects the influence of the most adverse factors on the contamination of the depositing environments of the city. The most significant factors influencing the sizes and contours of geochemical halos is the physical-geographical factors. We found an association of the contours of geochemical anomalies with the physical-geographical features of the study area. The pollution of the snow is characterized by equal distribution of pollution zone in the city, by precise location of the two contrast spots of pollution, by form that stretched in the direction of the prevailing winds. More complex mosaic picture of distribution of the anomalies is distinctive for the soil pollution.

Keywords: contamination, geochemical anomalies, haloes, depositing environments, transporting environments, spatial structure, physic-geographical factors.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Teplova D. S. Landshaftno-ekologicheskoe sostoyanie regionov Rossii: materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Voronezh: Istoki, 2015. Pp. 195-198.

2. Perel'man A. I., Kasimov N. S. Geokhimiya landshafta [Geochemistry of landscape]. Moscow: Astreya-2000, 1999.

3. Saet Yu. E., Raevich B. A., Yanin E. P. Geokhimiya okruzhayushchei sredy [Environmental geochemistry]. Moscow: Nedra, 1990.

4. Galeeva E. M. Asimmetriya landshaftov [Asymmetry of landscapes]. Ufa: izd-vo BGPU, 2002.

5. Galeeva E. M., Khafizova A. I., Khasanova E. I. Vestnik Udmurt-skogo universiteta. Biologiya. Nauki o zemle. 2014. No. 4. Pp. 7-11.

Received 23.10.2015.