Формирование загрязнений тяжелыми металлами поверхностной грунтовой толщи в примагистральной зоне городских дорог

Анализ проблемы изучения загрязнения тяжелыми металлами почв и грунтов в городских условиях позволяет заключить, что, несмотря на значительное количество работ, посвященных экологическим проблемам крупных городов, вопросы загрязнения почв и грунтов, остаются во многих отношениях еще недостаточно изученными.

За последние десятилетия выполнены достаточно обширные исследования по выбросам автотранспорта, как источника загрязнителей. Установлено, что в крупных городах и особенно в мегаполисах основная доля (до 90%) загрязнения атмосферного воздуха приходится именно на автомобильный транспорт. Изучены основные составляющие выхлопных газов автомобильных двигателей, химический и агрегатный состав твердых, жидких и газообразных компонентов, которые в своем составе содержат около 300 веществ, многие из которых токсичны. Выявлены зависимости степени загрязнения городской атмосферы от состава топлива и используемых масел, характеристик двигателей внутреннего сгорания, режима их работы и насыщенности транспортных потоков в городских условиях.

Достаточно подробно изучены вопросы распространения автотранспортных выбросов вблизи городских автодорог. Существует более 50 различных формул, описывающих зависимости по определению ожидаемых концентраций вредных веществ в зоне их выбросов. Выявлено, что вблизи дорог уровень загрязнения воздуха в 1,2−1,7 раза выше, чем на удаленных от крупных городских автодорог селитебных участках города. При этом приземная концентрация загрязнителей на автодорогах существенно зависит от метеоусловий и при неблагоприятных условиях (штиль, температура воздуха, влажность, туман и др.) может увеличиваться в 2−5 раз (Э.Ю. Безуглая, 1986, С. А. Жуков, 2004, 2005, 2006 гг). В этом случае главными зонами загрязнения являются территории, прилегающие непосредственно к автотрассам.

Значительное количество исследований связано с изучением тяжелых металлов, как загрязняющих компонентов природной среды, в выбросах автотранспорта. В работах [B.J1. Бочарова, Н. С. Бурекина, В. И. Вернадского, И. В. Галицкой, J1.JI. Гончара, A.B. Есина, A.B. Горского, A.JI. Жаркого] довольно хорошо изучены токсичный эффект многих металлов, попадающих в атмосферу, почву, поверхностные и подземные воды в результате выбросов промышленных предприятий и работы автотранспорта. Здесь необходимо остановиться на следующем: подавляющее число исследователей считает, что основным загрязнителем из группы тяжелых металлов, попадающих в окружающую среду за счет автотранспорта является свинец и его соединения, — это сомнения не вызывает, т.к. обусловлено наличием соединений свинца в автомобильном топливе, но автотранспортная магистраль загрязняет окружающую среду не только этим путем, — она служит для перемещения грузов, людей и т. п, Это есть дополнительный источник поступления тяжелых металлов на автомагистраль и прилегающую зону, за счет «просоров», «проливов», утечек, при эксплуатационном износе конструкций автотранспортных средств. Следует отметить, что работ по целенаправленному изучению наличия тяжелых металлов в автотранспортных выбросах и при эксплуатации автомагистралей немного. В процессе выполнения анализа работ различных исследователей удалось выявить немаловажное обстоятельство. Научно-исследовательский институт автомобильного транспорта (НИИАТ) в 2000 году при оценке риска заболевания населения Москвы при воздействии автотранспорта установил, что в составе загрязнителей у автомагистралей присутствуют кадмий, медь, никель, селен, цинк с ПДКСС в диапазоне от 0.05 до 8.0 мг/м. Этот факт был использован нами далее при разработке методики изучения загрязнения тяжелыми металлами в данной работе.

Работами многих специалистов установлено, что попадая в воздушную среду, тяжелые металлы поступают в почву и грунты двумя путями:

1) в результате сухого осаждения;

2) путем мокрого осаждения.

Отмечается, что основная масса тяжелых металлов от низких источников (автотранспорта) попадают в грунты первым путем, что нельзя считать окончательно верным, т.к. осаждение мокрым путем представляется также возможным, просто следует учесть простое обстоятельство, связанное с погодно-климатическими условиями, т. е с возможным наличием атмосферных выпадений — дождя, снега и т. п. Кроме того по литературным данным [В.А. Бочаров и др., 1995, A.JI. Жарков, 2000] тяжелые металлы и их соединения в виде очень мелких аэрозолей и пыли могут подниматься турбулентными потоками воздуха в более высокие слои атмосферы и даже попадать в стратосферу. В среднем тяжелые металлы переносятся на 20−30 км, однако они обнаружены и в верхних слоях ледников Гренландии и Антарктиды [2, 5, 42].

Большинство исследователей указывают, что тяжелые металлы в пределах автомагистралей концентрируются в 100−150 метровой зоне на уровне пяти метров от земли, достигая наибольшей концентрации на перекрестках и подъемах [10, 17, 64, 68, 128]. В выхлопных газах загрязняющие вещества, в том числе тяжелые металлы, не остаются в неизменном виде. При определенных условиях они трансформируются в процессе переноса и аккумуляции в грунтах, создавая эффекты синергизма и антагонизма. Определены главные источники загрязнения тяжелыми элементами основных биотопов городской среды, включая почвы и грунты.

В целом ряде работ достаточно подробно рассматриваются вопросы изучения состава, количественного содержания и характера распространения тяжелых металлов в городских почвах и приповерхностной части насыпных грунтов. В них приводится оценка степени загрязнения городских почв и грунтов в пределах отдельных районов таких крупных городов, как Москва, Санкт-Петербург, Воронеж и др. [3, 9, 13, 30, 31,51, 60, 82, 90, 107, 128, 145, 161], а в работах Н. В. Крутских (2002) и С. Б. Самаева (2002), С. А. Герасимовой и A.C. Курбатовой (2001) рассматриваются вопросы районирования и мелкомасштабного картирования городских вдольтрассовых территорий по степени их загрязненности тяжелыми металлами. Однако следует указать, что только в единичных работах: Б. П. Ахтырцев и др. (1997), Г. А. Гольц (2002), Б. В. Солоуха (2000) частично упоминаются особенности распространения тяжелых металлов в почвах и подстилающих их грунтах на придорожных городских участках в зависимости от условий их накопления. К сожалению, практически отсутствуют исследования, отражающие зависимость состава, концентраций и динамики накопления тяжелых металлов в почвах и грунтах от характера рельефа придорожных территорий, степени их озеленения, наличия препятствий в виде разновысотных строений на пути воздушного переноса автомобильных выбросов, внутридворовых ландшафтов, наличия открытых внутридворовых автостоянок и т. д. Крайне слабо изучена зависимость состава и содержания тяжелых металлов от гранулометрического и минералогического состава почв и подстилающих их приповерхностных грунтовых толщ, как депонирующей среды.

Анализируя регламентации действующих нормативных документов, относительно методов и методики определения загрязнения почв и подстилающих грунтов в городских условиях тяжелыми металлами [14, 26, 27, 56, 61, 62, 63, 87, 88, 89, 99, 101, 114, 130, 134], можно заключить, что они носят в основном общий характер и не содержат необходимых для практических целей методических конкретизаций, особенно в отношении геоэкологического мониторинга на городских притрассовых территориях в отношении загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами. С другой стороны, оценка химического загрязнения тяжелыми металлами почв и подстилающих грунтов ограничивается локальным разовым отбором проб грунтов с поверхности и на глубину заложения сооружения только на момент проведения инженерно-геологических изысканий.

Согласно Методическим указаниям МУ 2.1.7.730−99 [93], при изучении загрязнения грунтов от транспортных магистралей пробные площадки должны закладываться на придорожных полосах с учетом рельефа местности, растительного покрова, метео — и гидрогеологических условий. Пробы почв отбирают с узких полос длиной 200−500 м на расстоянии 0−10, 10−50, 50−100 м от полотна дороги. При этом из полосы получают одну смешанную (валовую) пробу, состоящую из 20−25 точечных проб, отобранных с глубины 0−10 см. Другой документ — «Инструкция по проведению инженерно-экологических изысканий для подготовки проектной документации строительства, реконструкции в г. Москве» [62] -рекомендует при линейном воздушном источнике загрязнения размещать участки отбора проб вдоль источника по линиям, уменьшая количество участков с расстоянием от него. Отбор проб здесь следует проводить методом «цепочки» с узких полос длиной 50−100 м на расстоянии 10−25, 2550, 50−100, 100−150 м, при этом объединённую пробу с одного участка составляют не менее чем из пяти точечных проб [62].

Становится совершенно очевидно, что рассмотренные методики заложения проб вдоль автотрассовых полос неприемлемы в городских условиях и могут быть использованы только за пределами застроенных участков города вдоль автотрасс на загородных и незастроенных территориях лесного или сельскохозяйственного назначения. Кроме того, существующие методики инженерно-экологических изысканий совершенно не учитывают при выборе пробных площадок характер и степень застроенности придорожных участков, рельеф территории, степень озеленения в пределах изучаемого участка придорожных городских территорий и, что еще более важно с нашей точки зрения, состав и свойства слагающих приповерхностную толщу грунтов.

Таким образом, анализ работ по изучению загрязнений различных городских биотопов автомобильными выбросами позволяет заключить, что, несмотря на значительное количество работ, посвященных экологическим и геоэкологическим проблемам загрязнения городских территорий, вопросы загрязнения приповерхностной толщи грунтов тяжелыми металлами в пределах крупных городов за счет выбросов автотранспорта остается во многих отношениях мало исследованным, в частности:

— условия формирования и характер распространения тяжелых металлов в почвах и поверхностной грунтовой толще отложений на городских территориях в зоне интенсивной автотранспортной нагрузки требуют дополнительного изучения, в том числе и для г. Москвы;

— особенности распространения загрязнений в ближайших зонах городских дорог от потока автотранспорта изучены недостаточно;

— несмотря на большое количество работ, связанных с изучением состава и токсичности отдельных компонентов, входящих в выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, слабо разработана оценка степени загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами городских территорий, отличающихся спецификой ландшафтных условий, степенью и характером застроенности, наличием различных препятствий на пути переноса загрязнителей;

— практически не исследованы зависимости степени загрязнения тяжелыми металлами городских грунтов от их состава и строения;

— слабо освещены вопросы методики геоэкологического мониторинга загрязнения тяжелыми металлами почв и грунтов на участках городских территорий, расположенных в непосредственной близости от автомобильных дорог.

Приведенный анализ материалов исследований и опубликованных литературных источников позволил подтвердить актуальность исследования, сформулировать цель и основные задачи настоящей работы.

Таким образом, актуальность диссертации обусловлена необходимостью изучения формирования загрязнений тяжелыми металлами поверхностной грунтовой толщи вблизи автомагистралей, а также динамики ее загрязнения, как одной из составляющих биотопов городских экосистем.

Целью работы является изучение особенностей формирования загрязнений поверхностной грунтовой толщи соединениями тяжелых металлов (РЬ, Ъп, Сё, N1, Си, Мп, Щ) вблизи крупных автомагистралей (на примере г. Москвы), а также выявление зависимостей концентраций изучаемых поллютантов от характеристик грунтов, слагающих участки придорожных городских ландшафтов для разработки методики геоэкологического мониторинга загрязнения почв и подстилающих грунтов под влиянием выбросов автомобильного транспорта.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка методики исследований динамики накопления тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще, проводимых при инженерно-экологических изысканиях для строительства и эксплуатации городских территорий в примагистральной части автодорог;

2. Оценка содержания и распространения соединений тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще в зависимости от условий источника загрязнений воздушной среды (при переносе с автомагистралей на примере г. Москвы);

3. Изучение содержания и распространения соединений тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще четвертичных отложений в зависимости от литологического состава породы (на примере г. Москвы);

4. Разработка рекомендаций по определению содержания соединений тяжелых металлов в грунтах примагистральных зон автодорог при проведении инженерно-экологических изысканий на городских территориях.

Научная новизна.

1. Полученные в работе данные по распределениям и нахождению тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще четвертичных отложений дополняют существующие представления о механизмах миграции и концентрации загрязняющих веществ в биотопах в зависимости от автотранспортных выбросов.

2. На основании натурных экспериментальных исследований впервые разработана методика геоэкологического мониторинга динамики загрязнения почв и подстилающих их грунтов тяжелыми металлами, связанной с автомобильными выбросами в городских условиях.

3. Установлены зависимости формирования загрязнений тяжелыми металлами от состава и свойств поверхностной грунтовой толщи в примагистральных зонах (на примере г. Москвы).

4. Результаты работы входят в число новых исследований, отражающих наличие влияния «автотранспортного фактора» на накопление тяжелых металлов в такой составляющей городских биотопов как поверхностная грунтовая толща в примагистральной части автодорог (на примере г. Москвы).

5. В диссертации в дополнение работ по оценке толщи четвертичных отложений как зоны накопления загрязнений тяжелыми металлами показано, что почвенный слой и подстилающая поверхностная грунтовая толща также является депонирующей средой для соединений тяжелых металлов, таких как РЬ, Си, Хп, С<1, №, Мп, Щ, формирующихся под воздействием автотранспортных выбросов в примагистральной части городских автодорог.

Основные защищаемые положения:

1. Методика исследования динамики накопления соединений тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще вблизи автомагистралей при проведении инженерно-экологических изысканий и организации экологического мониторинга.

2. Зависимости формирования, распределения и динамики накопления тяжелых металлов в поверхностной грунтовой толще четвертичных отложений в зоне интенсивной автотранспортной нагрузки (на примере г. Москвы).

3. Автотранспортные выбросы как негативный геоэкологический фактор загрязнения среды тяжелыми металлами.

4. Депонирующий эффект поверхностной грунтовой толщи относительно соединений тяжелых металлов зависит от ее состава и состояния.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных данных при инженерно-экологических изысканиях для строительства, с учетом создания системы мониторинга при дальнейшей эксплуатации примагистральных участков. Разработанная методика предложена для использования при сравнительных анализах загрязнения почв и подстилающих грунтов в зонах автомагистралей на территории г. Москвы при оценке площадок для строительного освоения.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации.

Обоснованность результатов подтверждается исследованиями фактического материала в виде большого числа образцов четвертичных горных пород, отобранных лично автором при выполнении научно-производственных работ и поисковых научных исследований кафедры Инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». в различных районах г. Москвы и на экспериментальных участках ЮЗАО и ЮАО г. Москвы. Достоверность обеспечена проведением исследований по стандартным методикам и на сертифицированном оборудовании в аттестованных лабораториях независимого института экспертизы и сертификации, испытательный лабораторный центр, а также сопоставимостью результатов с данными аналогичных исследований в Южном и Юго-Западном округах г. Москвы.

Реализация результатов исследования определена разработанными «Рекомендациями по оценке динамики загрязнения тяжелыми металлами почв и грунтов и принципы организации геоэкологического мониторинга» для включения в нормативно-методические документы территориального уровня при выполнении инженерно-экологических изысканий для строительства.

Публикации.

Основные положения и результаты исследования опубликованы с достаточной полнотой в 5 статьях, в том числе в рекомендованных ВАК РФ журналах: «Вестник МГСУ» 2 статьи и «Инженерные изыскания» 1 статья.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры Инженерной геологии и геоэкологии ГОУ ВПО МГСУ, на ХШ-й Международной конференции молодых ученых «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» МГСУ Москва апрель 2010 г.- на ежегодной конференции молодых ученых ОАО ПНИИИС Москва 2010.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 42 рисунка и список использованных источников, насчитывающий 161 наименование.

Диссертационная работа выполнена под научным руководством профессора кандидата reo лого-минералогических наук Кашперюка П. И. во время обучения в очной аспирантуре кафедры Инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО МГСУ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю и всему коллективу кафедры за поддержку, помощь в работе, критические замечания по диссертации и доброжелательное отношение. центральное ядро которых неоднократно перестраивалось и покоится на образованных самим же городом грунтовых основаниях.

В-третьих, разрастание городов (субурбанизация) не только на прилегающие территории, но и в подземное пространство, а также и вверх за счет повышения этажности. (Потапов, 2009) [105].

Мегаполис представляет собой крупнейшее городское поселение, занимающее значительную площадь с исключительно высокой плотностью населения с исторически сложившимся ландшафтом, сочетающий в себе социальные, экономические, производственные, культурные, образовательные и жилищные компоненты. Мегаполис по форме представляет собой сложнейший мозаичный комплекс из различного рода объектов, транспортных, инженерных и информационных коммуникаций, обеспечивающий социально-производственные запросы населения. С экологической точки зрения мегаполис является гипертрофированной формой городского поселения и отражает в целом определенный уровень развития техногенеза, который практически отрицает возможность существования мегаполиса как открытой (природной) системы и может существовать на грани гомеостаза и стресса только как закрытая система с управляющими действиями человека. К сожалению урбосистемы настолько угнетены, что изучению подвергаются только биотопы, так как биоценозы практически разрушены, либо представлены синантропными животными, либо патогенными микроорганизмами. Данные, полученные рядом специалистов в течение последних 5 лет, эту оценку не только не отрицают, но и еще более подтверждают. Более чем в 200 городах России средняя за год концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе превышает предельно допустимую. Отмечены превышения ПДК во много раз в Норильске, в Магнитогорске и ряде городов Центральной России. Выявлено более 1200 очагов активного загрязнения подземных вод, из которых 80% расположены в европейской части страны, где собственно проживает большая часть населения. Почти 50% загрязнений обусловлены деятельностью предприятий топливно-энергетического, нефтехимического, металлургического, машиностроительного комплексов. Растет высокими темпами загрязнение атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод за счет выбросов автотранспорта (Потапов А.Д., 2009, Жуков С. А., 2009) [105,45].

Выше было отмечено, что геоэкологическому изучению подвергается часть городской экосистемы, а именно её биотоп. Классическое рассмотрение биотопа как предмета геоэкологического изучения предполагает изучение компонентов главных жизнеобеспечивающих геосфер, а именно литосферы с почвой, гидросферы поверхностной и подземной, атмосферы.

В городах же объектами геоэкологического изучения являются площади под существующей, застраиваемой, потенциально реконструируемой жилой застройкой, промышленными предприятиями, складами, подработанными территориями, полигонами твердых бытовых и промышленных отходов, хранилищ жидких стоков, несанкционированными свалками, автобазами, бензохранилищами, заправочными станциями, полосами отчуждения вдоль железных и автомобильных дорог, трубопроводов, аэродромов, карьерами по добыче полезных ископаемых и нерудных строительных материалов и даже псевдокультивированными с помощью отсыпки строительного мусора стройплощадками.

В последние годы объектом геоэкологических исследований и даже инженерных и управленческих мероприятий, в частности, становится перемещаемый при строительстве грунт, как изъятый из котлованов и помещенный в кавальеры для дальнейшего использования, например, в обратные засыпки, так и грунты, подвергшиеся воздействиям при планировке территорий. (Потапов, 2009) [104]. В этих условиях составляющие городского биотопа существенно отличаются от природных, изучению каждой из этих составляющих посвящено большое количество работ.

Главным в нашем понимании является выделение и поэтапное изучение различных составляющих городских биотопов, характера воздействий на них, приобретенные изменения и их влияние на функционирование как собственно биотопа, так и определяющего существование биоценоза, а значит и вновь созданной антропогенной экосистемы города. Важнейшим фактором формирования специфических городских экосистем, являются антропогенные воздействия.

А.Д. Потапов, 2008 г. [103] к антропогенным воздействиям относит все виды угнетающих природу воздействий, создаваемых техникой и непосредственно человеком. В частности в его работе отмечено: «Антропогенные воздействия подразделяют: загрязнения — внесение в среду нехарактерных для нее новых физических, химических или биологических агентов (элементов, соединений, веществ, объектов) или превышение имеющегося естественного уровня этих агентов-.».

В той же работе выполнено подразделение загрязнений в зависимости от типа, источника, последствий и мер контроля на: сточные воды и другие нечистоты, поглощающие кислородносители инфекциивещества, представляющие питательную ценность для растенийминералы и неорганические кислоты и солитвердые стокирадиоактивные вещества.

Кроме того подчеркивается, что из всех антропогенных воздействий именно загрязнения — фактор, наиболее существенно разрушающий природу, приводящий как к необратимому изменению отдельных экосистем и биосферы в целом, так и к потере материальных ценностей, энергии, труда, затраченного человеком.

Наиболее подробными исследованиями по тяжелым металлам, наряду с другими многочисленными исследованиями в разных аспектах проблемы загрязнений тяжелыми металлами и их соединениями, а именно в области изучения проблемы накопления их в грунтовых толщах являются работы.

С.И.Заволокиной [51−54], в которых было установлено, что четвертичные отложения являются естественным депонентом тяжелых металлов. Однако в этих работах в основном дана оценка всей толщи четвертичных отложений. Ее работы во многом послужили методической основой наших исследований по процессам накопления соединений тяжелых металлов в самой верхней части кровли четвертичных грунтовых толщ.

В наших исследованиях изучались, прежде всего, отдельные составляющие литосферной оболочки, а более конкретно почв и поверхностной части подстилающих грунтов как депонирующей среды тяжелых металлов. В этой зоне тяжелые металлы не являются ей присущими, исходя из генезиса и постгенетических процессов, а накапливаются за счет транспорта в нее загрязнителей другими геосферными оболочками, -гидросферы и главным образом атмосферы.

выводы.

1. Установлена принципиальная возможность оценки загрязнения грунтов тяжелыми металлами автотранспортными выбросами, как негативного геоэкологического фактора.

2. Проведенные экспериментальные исследования показали, что поверхностная грунтовая толща четвертичных отложений вдоль автомагистралей на территории г. Москвы являются первичным депонентом тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду в результате автотранспортной нагрузки.

3. Подтверждено, что накопление тяжелых металлов (РЬ, Си, Ъа., Сё, N1, Мп) в поверхностной грунтовой толще четвертичных отложениях на участках территории г. Москвы в зонах интенсивной автотранспортной нагрузки определяется литологическим составом слагающих горных пород. Выявлено, что наиболее показательными для оценки степени загрязнения тяжелыми металлами в приповерхностной зоне являются глинистые грунты.

4. Установлено, что в глинистых и суглинистых разностях поверхностных грунтов концентрация изученных тяжелых металлов выше, чем в песчаных и супесчаных, что обусловлено особенностями их структуры и состава. Оценено среднее распределение рассматриваемых тяжелых металлов (РЬ, Си, Сё, N1, Мп, Н§-) для различных литологических разностей.

5.Разработана технологичная методика изучения загрязнений автотранспортными выбросами поверхностной толщи грунтов притрассовой зоны тяжелыми металлами.

6. Впервые составлена схематическая карта прогноза суммарного загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами за счет работы автотранспорта в Южном и Юго-Западном административных округах Москвы на 2028 год в масштабе 1:100 000.

7. Разработаны рекомендации для ведения инженерно-экологических изысканий на притрассовых участках городских автомагистралей.