Введение
Снежный покров играет важную роль при формировании химического стока рек, основное питание которых происходит за счет талых вод. Поэтому изучение качества снежного покрова позволяет оценить не только уровень загрязнения атмосферы в течение зимнего периода, но и нагрузку на водные объекты в период активного снеготаяния. Это особенно актуально для нашей страны, на большей части территории которой в холодный период года образуется устойчивый снежный покров. Многочисленные литературные источники указывают на присутствие в городском снежном покрове повышенных концентраций органических и неорганических загрязняющих веществ (Björklund et al., 2011; Демиденко, Владимирова, 2014; Бирюков и др., 2014; Андрухова и др., 2011; Носкова и др., 2014). При этом наиболее высокие содержания поллютантов наблюдаются вдоль автомобильных магистралей (Маврин и др., 2014; Kuoppamaki et al., 2014; Рапута и др., 2010; Шумилова, Жидилева, 2010). Уборка загрязненного снега с улиц и дорог является серьезной проблемой городского хозяйства в зимний период. Однако утилизация такого снега требует конструктивных и безопасных с точки зрения экологии решений. В большинстве городов России снег с городских территорий зачастую складируется в установленных администрацией города местах, которые, несмотря на существующий запрет, располагаются в водоохранной зоне (Ушакова, 2014). Более того, ни водное законодательство, ни федеральные и региональные целевые программы, направленные на сохранение водных объектов и экосистем, влияющих на процессы воспроизводства воды, не принимают во внимание снегоотвалы как серьезные техногенные источники загрязнения, хотя в период активного таяния снегоотвалов происходит существенное загрязнение поверхностных вод и почвенного покрова (Тарасов и др., 2011; Носкова и др., 2015).
Целью нашей работы является изучение уровня загрязнения снежного покрова в пределах г. Барнаула и оценка поступления загрязняющих веществ в природные водотоки с территории городских снегоотвалов в период снеготаяния для расчета и прогноза уровня техногенной нагрузки на речные воды.
Материалы
Для решения поставленной задачи в момент максимального снегонакопления в марте 2015 г. были отобраны пробы снежного покрова в разных районах г. Барнаула (рис., точки 1–5). Также были отобраны пробы загрязненного снега со снегоотвалов (точки 6–8), расположенных на берегах рек Пивоварка, Барнаулка, Обь. В качестве фоновой была выбрана точка 9 (с. Гоньба), расположенная в стороне от преимущественного направления ветров и не испытывающая загрязняющего влияния г. Барнаула.
Рис. Карта-схема точек отбора проб снега: 1–5 – точки отбора проб городского снежного покрова; 6–8 – точки отбора проб снега с городских снегоотвалов; 9 – фоновая точка (с. Гоньба)
Fig. Schematic map of snow sampling points
Методы
В каждой точке отбирали составную пробу по методу конверта. Для этого 5 единичных проб, отобранных на всю глубину залегания снега, помещали в чистый полиэтиленовый пакет и тщательно перемешивали. Отобранные составные пробы доставляли в аккредитованный химико-аналитический центр ИВЭП СО РАН и до анализа хранили замороженными. Для подготовки к анализу пробы таяли при комнатной температуре, их фильтровали через мембранный фильтр с размерами пор 0,45 мкм под давлением инертного газа аргона. Ионный состав проб анализировали методом ионной хроматографии на приборе Dionex ICS-3000 с кондуктометрическим детектированием. В нефильтрованных пробах определяли загрязняющие вещества: летучие фенолы, нефтепродукты и формальдегид флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02-3М»; химическое потребление кислорода (ХПК) – фотометрическим методом на спектрофотометре DR 2800 (с предварительным разложением проб в высокотемпературном термостате НТ 200S). Правильность и достоверность результатов анализа подтверждена методом добавок.
Оценку содержания загрязняющих веществ в стоке талой воды, поступающей с территории г. Барнаула, проводили с использованием формулы:
,
где Ск – средняя концентрация загрязняющих веществ, мг/дм3; Сi – концентрация загрязняющих веществ в i-точке, мг/дм3; Si – площадь i-точки, км2; ∑Si – общая городская площадь, км2.
Территория г. Барнаула зонировалась в соответствии с предполагаемыми источниками загрязнения. Согласно рисунку, точки 1 и 4 находятся вблизи крупных сильно загруженных транспортных магистралей, точка 2 расположена в промышленной зоне города, точки 3 и 5 – в жилой зоне.
Расчет экологического ущерба водным ресурсам от поступления загрязняющих веществ в процессе таяния городских снегоотвалов, расположенных на берегах рек, был выполнен согласно «Временной методике определения…» по формуле:
,
где Упр – предотвращенный экологический ущерб водным ресурсам в рассматриваемом регионе, тыс. руб./год; Ууд – показатель удельного ущерба (цены загрязнения) водным ресурсам, наносимого единицей (условная тонна) приведенной массы загрязняющих веществ, руб./усл. т; Кэ – коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек; Мn – приведенная масса годового сброса примесей данным источником (усл. т/год), рассчитывается по формуле
,
где m – общая масса годового сброса примеси источником, т/год; kэ – коэффициент эколого-экономической опасности, равный 1/ПДКр.х.
Для бассейна р. Оби используются следующие табличные данные: Ууд = 7480, Кэ = 1.02 (Временная методика…, 1999).
Результаты
Так как во время снеготаяния талые воды напрямую попадают в водные объекты, то для оценки качества снежного покрова мы использовали нормативы, установленные для природных вод. В табл. 1 представлены результаты анализа городского снежного покрова в сравнении с нормативами для водных объектов рыбохозяйственного назначения (ПДКр.х), которыми является р. Обь и ее притоки первого (р. Барнаулка) и второго (р. Пивоварка) порядка. Так как для таких показателей, как летучие фенолы и ХПК, не существует рыбохозяйственных нормативов, то для их оценки мы использовали значения, определенные гигиеническими требованиями к поверхностным водам и водным объектам хозяйственно-питьевого и коммунально-бытового водопользования.
Таблица 1. Концентрация загрязняющих веществ в талой воде снежного покрова г. Барнаула (март 2015 г.)
| Показатель, мг/дм3 | Городские точки отбора (согласно рис.) | Фон | ПДКр.х | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 9 | ||
| Нефтепродукты | 0.051±0.007 | 0.021±0.006 | 0.029±0.004 | 0.058±0.008 | 0.048±0.006 | <0.005 | 0.05 |
| Летучие фенолы | 0.002±0.001 | 0.002±0.001 | 0.010±0.003 | 0.010±0.003 | 0.007±0.003 | 0.0010±0.0004 | 0.001* |
| Формальдегид | 0.11±0.03 | 0.09±0.03 | 0.04±0.01 | 0.06±0.02 | 0.06±0.02 | 0.05±0.02 | 0.10 |
| ХПК | 35±10 | 17±5 | 17±5 | 49±15 | 36±11 | 10±3 | 30** |
| Нитрат-ион | 2.0±0.3 | 1.1±0.1 | 1.9±0.2 | 1.6±0.2 | 1.6±0.2 | 2.4±0.3 | 40 |
| Фторид-ион | 0.20±0.03 | 0.21±0.03 | 0.17±0.02 | 0.07±0.02 | 0.14±0.02 | 0.040±0.005 | 0.75 |
| Хлорид-ион | 6.7±0.9 | 2.7±0.3 | 9.4±1.2 | 1.7±0.2 | 1.6±0.2 | 0.5±0.1 | 300 |
| Бромид-ион | 0.013±0.003 | < 0.001 | 0.004±0.001 | < 0.001 | < 0.001 | < 0.001 | 1.35 |
| Сульфат-ион | 3.7±0.5 | 2.5±0.3 | 4.6±0.6 | 4.0±0.5 | 3.5±0.4 | 2.4±0.3 | 100 |
| Фосфат-ион | 0.20±0.03 | 0.34±0.04 | 0.050±0.006 | 0.12±0.02 | 0.20±0.03 | < 0.05 | 0.15 |
| Натрий | 3.3±0.1 | 1.35±0.04 | 4.1±0,1 | 0.82±0.04 | 0.90±0.06 | 0.10±0.01 | 120 |
| Калий | 0.94±0.03 | 0.67±0.02 | 0.60±0.02 | 0.46±0.01 | 0.37±0.01 | 0.20±0.01 | 50 |
| Магний | 0.86±0.04 | 0.61±0.03 | 1.67±0.04 | 0.42±0.02 | 0.20±0.01 | 0.100±0.005 | 40 |
| Кальций | 2.6±0.1 | 2.9±0.1 | 4.1±0.1 | 3.3±0.1 | 2.3±0.1 | 1.10±0.03 | 180 |
Примечание. * – ГН 2.1.5.1315-03; ** – СанПин 2.1.5.980-00.
В табл. 2 представлены результаты определения загрязняющих веществ в снегоотвалах, на которые в течение зимнего периода свозится снег с улиц и дорог г. Барнаула. Для сравнения в табл. 2 также представлены средневзвешенные значения загрязняющих веществ в талой воде городского снежного покрова, рассчитанные с использованием формулы 1, и рыбохозяйственные нормативы для природных вод.
Таблица 2. Концентрация загрязняющих веществ в городских снегоотвалах
| Показатель, мг/дм3 | Снегоотвалы (согласно рис.) | Среднее содержание в снежном покрове (Ск по формуле 1) | ПДКр.х | ||
| 6 берег р. Пивоварки | 7 берег р. Барнаулки | 8 берег р. Оби | |||
| Нефтепродукты | 51±7 | 8±1 | 5.1±0.7 | 0.04 | 0.05 |
| Летучие фенолы | 0.04±0.01 | 0.020±0.006 | 0.03±0.01 | 0.006 | 0.001* |
| Формальдегид | 0.5±0.2 | 0.5±0.1 | 0.6±0.2 | 0.15 | 0.10 |
| ХПК | 254±38 | 267±40 | 229±34 | 30 | 30** |
| Нитрат-ион | 1.1±0.1 | 0.9±0.1 | 0.8±0.1 | 1.6 | 40 |
| Фторид-ион | 0.44±0.06 | 0.39±0.05 | 0.19±0.02 | 0.17 | 0.75 |
| Хлорид-ион | 573±74 | 890±116 | 770±100 | 4,4 | 300 |
| Бромид-ион | < 0.001 | < 0.001 | < 0.001 | 0.004 | 1.35 |
| Сульфат-ион | 39±5 | 17±2 | 32±4 | 3.7 | 100 |
| Фосфат-ион | 2.4±0.3 | 0.24±0.03 | 2.5±0.3 | 0.2 | 0.15 |
| Натрий | 384±10 | 598±16 | 510±13 | 2.1 | 120 |
| Калий | 2.8±0.1 | 2.4±0.1 | 1.40±0.04 | 0.6 | 50 |
| Магний | 1.33±0.03 | 1.05±0.02 | 2.75±0.06 | 0.75 | 40 |
| Кальций | 33±1 | 21±1 | 26±1 | 3.1 | 180 |
Примечание. * – ГН 2.1.5.1315-03; ** – СанПин 2.1.5.980-00.
Зная концентрацию загрязняющих веществ в талой воде снегоотвалов, их площадь и высоту, а также плотность снега, можно рассчитать общую концентрацию органических и минеральных веществ в снежной массе снегоотвалов и тем самым оценить максимальный объем поллютантов, поступивших из снегоотвалов в реки, на берегах которых они расположены. Если пренебречь объемом испарившейся или впитавшейся в почвенный покров воды и принять, что полное таяние снегоотвалов происходит в течение двух-трех недель и заканчивается к концу апреля, то, разделив значения содержаний загрязняющих веществ в снегоотвале на объем стока воды в реке за апрель, можно оценить, какую добавку к исходной концентрации веществ в речной воде могут дать талые воды снегоотвалов. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 3. Для расчетов объемы среднегодовых стоков воды для рек Пивоварка, Барнаулка и Обь были взяты из (Галахов, 2009).
Таблица 3. Содержание загрязняющих веществ в снегоотвалах и их дополнительная концентрация в речных водах, обусловленная поступлением талого снега со снегоотвалов.
| Показатель | Общее содержание в снегоотвале, т | Дополнительная концентрация ЗВ, в речных водах, мг/л | ПДКр.х, мг/л | ||
| р. Пивоварка | р. Барнаулка | р. Обь | |||
| Летучие фенолы | 0.003 | 0.9 × 10-6 | 0.1 × 10-6 | 0.5 × 10-9 | 0.001* |
| Нефтепродукты | 2.5 | 1.2 | 0.1 | 0.4×10-3 | 0.05 |
| Формальдегид | 0.05 | 0.01 | 0.002 | 0.8×10-5 | 0.1 |
| ХПК | 26.4 | 5.7 | 0.9 | 0.004 | 30** |
| Хлорид-ион | 77.0 | 13.0 | 2.6 | 0.01 | 300 |
| Сульфат-ион | 3.1 | 0.9 | 0.1 | 0.4 × 10-3 | 100 |
| Натрий | 51.5 | 8.7 | 1.7 | 0.008 | 120 |
| Кальций | 2.8 | 0.8 | 0.1 | 0.4 × 10-3 | 180 |
| Фосфат-ион | 0.2 | 0.05 | 0.005 | 3 × 10-5 | 0.05 |
Примечание. * – ГН 2.1.5.1315-03; **– СанПин 2.1.5.980-00.
Обсуждение
Данные табл. 1 показывают, что из всех определяемых показателей превышение нормативных значений в снеговом покрове отмечено только для фосфат-иона и органических загрязняющих веществ – нефтепродуктов, летучих фенолов, формальдегида и Cорг., определяемого по ХПК. Максимальные концентрации нефтепродуктов и ХПК в талой воде городского снежного покрова определены в точках 1 и 4, расположенных вблизи наиболее загруженных транспортных магистралей (пр. Ленина, Павловский тракт), а также в точке 5 (участок частного сектора с печным отоплением). Концентрация летучих фенолов в пробах талой воды городского снежного покрова превышает ПДКк-б и фоновое значение как минимум в два раза. В точках 3 и 4 наблюдаются максимальные концентрации, равные 10 ПДКк-б. При этом по формальдегиду в городской черте наблюдается превышение только относительно фонового значения. Увеличение концентраций органических соединений относительно фоновой точки, расположенной за городом, свидетельствует о существенном вкладе автотранспорта и печного отопления в загрязнение атмосферы г. Барнаула. По результатам исследования также выявлено, что концентрации минеральных соединений в городском снежном покрове не превышают природоохранные нормативы и находятся либо на уровне фонового значения, либо незначительно выше. Однако такие минеральные соединения, как хлорид натрия, применяемые на городских улицах в качестве антигололедных смесей, превышают фоновые значения в десятки раз. Таким образом, наши исследования показали, что в целом концентрация изучаемых загрязняющих веществ в талой воде снежного покрова г. Барнаула не существенно превышает нормативы для природных вод, поэтому в процессе снеготаяния не наносит ощутимого вреда экологии водных объектов.
Иначе обстоит дело с загрязненным снегом, который вывозят после уборки дорог и улиц города на снегоотвалы, расположенные на берегах или непосредственно в русле городских рек Пивоварка, Барнаулка и Обь. Из литературных источников известно, что снег вблизи автомобильных дорог существенно загрязнен органическими соединениями (Рапута и др., 2010; Kuoppamaki, 2014; Лабузова и др., 2016). Исходя из данных табл. 2, приоритетными загрязняющими веществами, содержащимися в городских снегоотвалах в концентрациях, превышающих их средние значения (Ск) в городском снежном покрове более чем в 100 раз, являются нефтепродукты, хлориды и натрий. Более чем в 10 раз загрязнены снегоотвалы сульфатами, фосфатами и кальцием, входящими в качестве дополнительного реагента в состав многих антигололедных смесей. Превышение по остальным исследуемым химическим веществам было незначительным. Однако, несмотря на высокие концентрации загрязняющих веществ в снегоотвалах, ощутимого вреда для полноводных рек, таких как Обь, они не представляют в связи с высокой степенью разбавления, в то время как на состояние малых городских рек могут оказывать существенное негативное воздействие. Так, по данным табл. 3, среди типичных техногенных загрязнителей особое значение имеют нефтепродукты, концентрация которых в воде р. Пивоварки из-за таяния снегоотвалов может превышать значения ПДКр.х в 20 раз, а в р. Барнаулке в 2 раза. В проведенных ранее исследованиях было показано, что характер распределения углеводородов в природной воде р. Барнаулки в районе г. Барнаула позволяет сделать вывод об их антропогенной природе, а основное поступление нефтепродуктов в реку происходит с водосборной территории и имеет максимально высокие концентрации в период осенней межени и половодья (Долматова и др., 2002). Вследствие этого основными источниками нефтепродуктов в р. Барнаулке, в районе г. Барнаула являются ливневые и талые воды.
Экологический ущерб водным ресурсам в районе г. Барнаула от поступления нефтепродуктов за период снеготаяния был рассчитан по формуле 2 и составил 381 480 тыс. рублей.
Заключение
Было показано, что в целом концентрация изучаемых загрязняющих веществ в талой воде снежного покрова г. Барнаула несущественно превышает нормативы для природных вод, поэтому в процессе снеготаяния не нанесет ощутимого вреда экологии водных объектов. В пробах талой воды городских снегоотвалов исследуемые компоненты содержатся в более высоких концентрациях, превышающих нормативы в десятки, сотни и тысячи раз. Тем не менее поверхностные воды рек Обь, Барнаулка, Пивоварка не испытают большой техногенной нагрузки по исследуемым показателям в период таяния снегоотвалов. Исключение составляют нефтепродукты, концентрация которых в р. Пивоварке за счет таяния снегоотвалов может превышать ПДКр.х в 20 раз, а в р. Барнаулке – в 2 раза. Экологический ущерб от поступления нефтепродуктов в водные объекты в период снеготаяния может составлять более 300 000 тысяч рублей. В связи с этим расположение снегоотвалов на берегах полноводных рек, таких как р. Обь, хоть и нежелательно, но возможно, в то время как устройство снеговых свалок на берегах или в русле малых городских рек недопустимо.
Библиография
Андрухова Т. В., Букатый В. И., Суторихин И. А. Мониторинг элементного состава аэрозольных загрязнений снегового покрова г. Барнаула за период 2002–2011 гг. // Ползуновский вестник. 2011. № 4–2. С. 86–89.
Бирюков И. С., Самылина Е. В., Трифонов К. И., Никифоров А. Ф. Определение уровня загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами в границах территории города Коврова // Водное хозяйство России. 2014. № 6. С. 69–76.
Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба. Утверждена Председателем Государственного комитета РФ по охране окружающей среды В. И. Даниловым-Данильяном 30 ноября 1999 г. URL: http://aquagroup.ru/normdocs/1406 (дата обращения 20.10.2016)
Галахов В. П., Белова О. В. Формирование поверхностного стока в условиях изменяющегося климата (по исследованиям в бассейне Верхней Оби): Монография . Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2009. 95 с.
Долматова Л. А., Базарнова Н. Г., Куряшкина О. Н. Нефтепродукты в различных объектах экосистемы Барнаулки // Известия АлтГУ. 2002. № 3. С. 9–13.
Демиденко Г. А., Владимирова Д. С. Оценка антропогенного загрязнения снежного покрова левобережья г. Красноярска // Вестник КрасГАУ. 2014. № 9. С. 120–124.
Лабузова О. М., Носкова Т. В., Лысенко М. С., Ильина Е. Г. Экоаналитический контроль и биоиндикация состояния городской территории // Acta biologica Sibirica. 2016. Т. 2. № 3. С. 21–24.
Маврин Г. В., Падемирова Р. М., Мансурова А. И. Влияние интенсивности автотранспорта на загрязненность снежного покрова // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 11. С. 51–54.
Носкова Т. В., Эйрих А. Н., Дрюпина Е. Ю., Серых Т. Г., Овчаренко Е. А., Папина Т. С. Исследование качества снежного покрова г. Барнаула // Ползуновский вестник. 2014. № 3. С. 208–212.
Носкова Т. В., Эйрих С. С., Овчаренко Е. А., Усков Т. Н., Папина Т. С. Оценка влияния городских снегоотвалов на загрязнение малых рек и прилегающих территорий // Известия АО РГО. 2015. № 2. С. 10–15.
Рапута В. Ф., Коковкин В. В., Морозов С. В. Экспериментальное исследование и численный анализ процессов распространения загрязнения снегового покрова в окрестностях крупной автомагистрали // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. Т. 18. № 1. С. 63–70.
Тарасов О. Ю., Шагидуллин Р. Р., Юранец-Лужаева Р. Ч., Крапивина Н. Ю. Городские снежные свалки как источник загрязнения поверхностных вод // Георесурсы. 2011. № 2. С. 31–33.
Ушакова Н. С. Проблемы землеустройства снегоотвалов // Труды XVIII Международного научного симпозиума имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». Томск, 2014. С. 625–628.
Шумилова М. А., Жидилева Т. Г. Особенности загрязнения снежного покрова вблизи крупных атомагистралей г. Ижевска // Вестник Удмуртского университета. 2010. Вып. 2. С. 90–97.
Björklund K. S., Strömvall A.-M., Malmqvist P.-A. Screening of organic contaminants in urban snow // Water Science & Technology. 2011. Vol. 64. Issue 1. P. 206–213.
Kuoppamaki K., Setala H., Rantalainen A.-L., Kotze D. J. Urban snow indicates pollution originating from road traffic // Environmental Pollution. 2014. Vol. 195. P. 56–63.
Благодарности
Авторы выражают благодарность сотрудникам ИВЭП СО РАН М. И. Ковешникову и А. В. Котовщикову за помощь при отборе проб и Е. Ю. Дрюпиной за подготовку проб к анализу.
© 2011 - 2024