3.4. Геохимия городских ландшафтов

Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и население проявляется в крупных промышленных городах, которые по интенсивности и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции. На природном и агротехногенном фоне города выделяются как центры накопления веществ, поступающих с транспортными потоками и затем перерабатываемыми промышленностью и коммунальной деятельностью.

Города — это мощные источники техногенных веществ, включающихся в региональные миграционные циклы. Во многих городах России и других стран экологическая ситуация близка к критической. При экологическом мониторинге получают геохимическую информацию примерно о 200 городах России, в которых проводятся комплексные эколого-геохимические оценки и картографирование, использующие методы геохимии ландшафта и геохимии окружающей среды.

3.4.1. Атмосферные выпадения

Между содержанием вредных веществ в атмосфере и размером города существует довольно четкая зависимость, что позволяет использовать число жителей в качестве одного из оснований геохимической классификации городов. Но так как существуют крупные города с относительно небольшим количеством выбросов и, наоборот, малые и средние города с большими объемами выбросов, более информативным показателем степени загрязнения является коэффициент эмиссионной нагрузки Е, показывающий количество выбросов на одного жителя в год (таблица 3.6).

, т/ чел.

где Р — количество выбросов, тыс. т год, а N — число жителей, тыс. чел.

По значениям коэффициента Е выявляются определенные градации городов, которые прослеживаются и для городов Свердловской области (таблица 3.6):

1. Е до 0,3 т/чел. — многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией;

2. Е = 0,3 — 1 т/чел. — крупные города с химической промышленностью и другие промышленные центры;

3. Е= 1 — 2 т/чел. — города с черной и цветной металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью.

Важной эколого-геохимической характеристикой городов является структура загрязнения. Она может учитываться отдельно для макрополлютантов (оксиды и диоксиды азота, серы, углерода, пыль), на долю которых приходится более 90 — 95% от общего объема выбросов, и микрополлютантов, объемы выбросов которых малы, но велики уровни концентрации в выбросах и токсичность (тяжелые металлы, хлорорганические соединения, углеводороды и др.). Так, среди крупных городов мира по средним концентрациям в воздухе выделяются "серные" города — Тбилиси, Тегеран, Милан, Сеул и др., "азотные" — Донецк, Ташкент, Тель-Авив, Одесса, Москва и др., "углеродные" — Париж, Сантьяго, Ереван, Мадрид и др.

Таблица 3.6. – Валовый выброс загрязняющих веществ для экологически неблагополучных муниципальных образований Свердловской области (по данным за 2007 год 18).

Муниципальное образование	Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу, тыс.т	Основные источники выбросов загрязняющих веществ (вклад в валовый выброс, %)	Коэффициент эмиссионной нагрузки Е, т/чел.
Город Екатеринбург (1350,4 тыс. жителей)	255,764	Транспорт (92,2%)	0,19
Город Нижний Тагил (376,6 тыс. жителей)	230,983	ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (39,2%) ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат» (38,84%)	0,61
Город Каменск-Уральский (182,8 тыс. жителей)	74,718	Уральский алюминиевый завод – филиал ОАО «СУАЛ» (33,0%) Красногорская ТЭЦ (29,4%) Транспорт (27,7%)	0,41
Город Первоуральск (158,8 тыс. жителей)	21,943	Транспорт (73,2%)	0,14
Город Асбест, Рефтинский и Малышевский городские округа (131,7 тыс. жителей)	326,354	Рефтинская ГРЭС (93,8%) ОАО «Ураласбест» (5,1%)	2,48
Город Серов (104 тыс. жителей)	79,0	ОАО «Серовский металлургический завод» (47,9%) Серовская ГРЭС (45,2%)	0,76
Город Полевской (73,2 тыс. жителей)	6,722	ОАО «Северский трубный завод» (58,0%) ОАО «Полевской криолитовый завод» (31,6 %)	0,09
Верхняя Пышма (70,5 тыс. жителей)	1,761	ОАО «Уралэлектромедь» (38,7 %)	0,025
Город Краснотурьинск (67,9 тыс. жителей)	81,252	Богословский алюминиевый завод – филиал ОАО «СУАЛ» (42,2 %) Богословская ТЭЦ (23,9 %) Краснотурьинское ЛПУ МГ ООО «Тюментрансгаз», ОАО «Газпром» (31,5%)	1,2
Ревдинский район (61,9 тыс. жителей)	26,748	ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод» (91,6 %)	0,43
Режевской район (49,3 тыс. жителей)	33,582	ЗАО ПО «Режникель» (89,0 %)	0,68
Город Красноуральск (28,4тыс. жителей)	59,650	ОАО «Святогор» (97,6 %)	2,1
Город Кировград (31,9 тыс. жителей)	23,146	Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь (97 %)	0,72

Особенности воздушной миграции продуктов техногенеза определяются положением города в бассейнах атмосферного переноса и региональными особенностями загрязнения и самоочищения атмосферы. Важное значение имеет соотношение сильных и штилевых ветров, наличие инверсий, определяющих появление смога, рельеф и т.д. Многие из этих факторов отражены в геоморфологии города. Поэтому выделяются равнинное семейство (Москва), горно-котловинное и горно­долинное (Улан-Батор, Тбилиси), предгорное (Алма-Ата), приморское (Санкт-Петербург) и другие.

Приморские города характеризуются высокой очищаемостью атмосферного воздуха от загрязнителей, и поэтому среди крупных промышленных городов мира только они (Копенгаген, Осака, Токио, Нью-Йорк, Ванкувер, Мельбурн, Торонто) отличаются наименьшими средними концентрациями взвешенных в воздухе частиц  Пер.Наоборот, горно­котловинные и предгорные города при прочих равных факторах имеют самые высокие показатели загрязнения.

Для оценки экологической опасности и степени загрязнения кроме объема выбросов важно знать их качественный состав и содержание наиболее токсичных веществ. Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав аэрозолей. При этом элементы с относительно высокими кларками — железо, марганец, цинк, хром, медь связаны главным образом с мелко- и крупнодисперсным аэрозолем (0,05 — 2 мкм и более), а наиболее токсичные элементы с низкими кларками — кадмий, свинец, сурьма, мышьяк, ртуть находятся преимущественно в субмикронной фракции (менее 0,05 мкм) или паро-газовой фазе аэрозоля.

Атмосфера городов загрязнена обычно оксидами серы и азота, пылью, но особенно опасны специфические для каждого производства загрязнители. Наиболее высоки уровни загрязнения в городах с черной, цветной металлургией и нефтехимической промышленностью, где предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ превышены в несколько раз. Среди специфических поллютантов приоритетные позиции занимают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), формальдегид, тяжелые металлы. Особенно контрастны техногенные аномалии одного из ПАУ — 3,4-бензпирена, обладающего канцерогенными свойствами и образующегося при пиролитических процессах, главным образом при сжигании ископаемого топлива.

Выпадения в промышленных городах в среднем в 3 — 15 раз обогащены тяжелыми металлами по сравнению с региональным фоном. В свою очередь территория крупных городов, как правило, загрязнена неравномерно и на повышенном городском фоне четко выделяются техногенные аномалии выпадений промышленных зон, в которых концентрации цинка, свинца, никеля, ртути, хрома и других металлов возрастают обычно еще в 5 — 6 раз.

Снег обладает высокой сорбционной способностью и поглощает из атмосферы значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом. Этот метод экспрессной оценки состояния среды успешно применяется во многих городах тундровой, таежной, лесостепной, отчасти степной зон.

Вокруг промышленных центров техногенные ореолы запыленности снежного покрова, выявленные со спутников, в 2 — 3 раза выше фонового уровня. Особенно велики площади загрязнения в Московском, Донецко-Криворожском, Кузбасском, Уральском территориально-производственных комплексах. Техногенные ореолы пыли в снежном покрове в десятки раз превышают площадь городской застройки и в 2 — 3 раза контрастнее ореолов в атмосферном воздухе.

Опробование снега проводится обычно перед началом таяния на всю его мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Сплошной снежный покров позволяет проводить массовое площадное опробование территории города и его окрестностей по регулярной, полурегулярной сети или векторным способом. Достоверные пространственные структуры загрязнения получают при взятии одной пробы на 1 км² на открытых площадках, удаленных на 150 - 200 м от воздействия автотранспорта или других локальных источников.

Наибольшее индикационное значение при анализе снеговых проб имеет количество и химический состав пыли, на долю которой приходится обычно 70 — 80% от общего баланса элементов в снеге.

Техногенная геохимическая трансформация городской среды зависит от видов преобладающих производств и конкретной ландшафтной ситуации. Выделяются пять основных групп загрязнений:

1) макрокомпоненты снеговых вод — пыль, сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, хлор, фтор, минеральные формы азота и фосфора и др.;

2) тяжелые металлы и другие микроэлементы; органические соединения;

3) фенолы, формальдегид и др.;

4) полициклические ароматические углеводороды;

5) радионуклиды.

Другие токсичные вещества — полихлорбифенилы, пестициды, диоксины, очевидно, также загрязняют городскую среду, но их распределение в снежном покрове городов практически не изучено.

Выбросы пыли, оксидов серы, азота, углерода приводят к техногенной трансформации химического состава снеговых вод. Во многих городах выбросы оказывают противоположное влияние на химический состав снега.

При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду (цементная, строительная промышленность, теплоэнергетика, черная металлургия, производство аммиака) наблюдается подщелачивание снеговых вод до рН 8,5 — 9,5 и увеличение содержания кальция, магния, гидрокарбон-анионов за счет растворения техногенных карбонатов, содержащихся в пыли.

Поставка оксидов серы и азота (тепловые станции на угле, цветная металлургия, коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. В среднем нагрузка сульфатов (2 — 3 т/км2 в год), нитратов (0,5 — 1,0), аммония (около 1 т/км2 в год) на города почти на порядок выше, чем на малонаселенные районы.

При подщелачивании и подкислении происходит увеличение минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации

используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO₄^2-/С1^- в

снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. К > 10 обычно характеризует достаточно сильную трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.

Почвенный покров города — это сложная и неоднородная природно-антропогенная биогеохимическая система. На фоне асфальтированных улиц, площадей, автострад и других искусственных техногенных образований распространены антропогенно -измененные и естественные почвы — во дворах, в парках, на бульварах, пустырях. Продукты техногенеза, выпадая на земную поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав и вновь включаются в природные и техногенные циклы миграции. О степени техногенной трансформации естественных и слабоизмененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить по характеру их геохимического изменения.

Для формирования геохимического фона городских почв имеет значение длительность и характер развития города. По А.К. Евдокимовой, в культурных слоях Новгорода, Пскова и Самарканда уже в доиндустриальный период антропогенное геохимическое воздействие привело к заметному загрязнению почв тяжелыми металлами (в среднем в 6 — 8 раз выше фона почвообразующих пород) Пер . Поэтому почвенный покров древних городов даже с ограниченной современной промышленной нагрузкой может быть существенно загрязнен.

Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсивность загрязнения в течение последних 20 — 50 лет. Минимальное время формирования контрастных геохимических аномалии зависит от типа воздействия и составляет в среднем 5 — 10 лет, хотя для отдельных элементов (As, Zn) это может быть 1 — 2 года. Ореолы в почвах более стабильны, чем в воздухе, снеге и растениях, так как они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия. Поэтому почвогеохимическая индикация и картографирование являются одним из основных методов оценки экологического состояния городов.

Педогеохимически активные вещества преобладают по массе в выбросах, изменяют щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия почв. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками — Fe, Са, Мg, щелочные элементы, минеральные кислоты. При достижении определенного предела подкисление или подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Педогеохимически активны и некоторые газы, например, сероводород, метан, изменяющие окислительно-восстановительную обстановку миграции.

Биохимически активные вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно типоморфные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты с низкими кларками (Нg, Сd, Рb, Sb, Sе и др.), образующие более контрастные относительно фона ореолы и представляющие опасность для флоры, фауны и человека.

В городах запыление почв на порядок и более выше, чем в естественных фоновых ландшафтах. В городской пыли преобладают макроэлементы — Fе, Са, Мg. Поэтому существуют два геохимических следствия атмотехногенной поставки пыли в город — ожелезнение почв, практически не влияющее на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия миграции элементов, и карбонатизация почв, ведущая к увеличению их щелочности, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты, насыщению поглощающего комплекса основаниями.

При значительном и длительном поступлении карбонатной пыли в кислые и нейтральные почвы изменяется класс водной миграции ландшафта.

В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые (Н⁺, Н⁺ — Fе²⁺), нейтральные и нейтральные глеевые (Н⁺— Са²⁺, Н⁺ — Са²⁺, Fе²⁺ ) классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые (Са²⁺, Fе²⁺) классы. Такой щелочной тип техногенной трансформации почв наблюдается в районах, находящимся под влиянием выбросов цементных заводов, а также во многих других городах. Увеличение рН верхних горизонтов кислых лесных почв с фоном 5,5 достигает 2,5 — 3 единиц (т.е до 8-8,5). Формируются особые природно-техногенные почвы, сочетающие в морфологии и физико-химических свойствах реликтовые признаки естественных лесных почв (элювиально-иллювиальная дифференциация профиля, кислая реакция средних и нижних горизонтов) и техногенные эпигенетические изменения — нейтральную, слабощелочную и даже щелочную реакции дерновых и гумусовых горизонтов, насыщенность поглощающего комплекса и др.

Щелочная техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности, то есть к уменьшению выщелачивания и миграционной способности многих загрязняющих веществ, прежде всего тяжелых металлов.

Промышленность, теплоэнергетика, автотранспорт и муниципальные отходы — это источники техногенных аномалий тяжелых металлов и других микроэлементов в городских почвах. В аномальных зонах наиболее интенсивно воздействие почв на городскую среду, они служат индикаторами техногенного загрязнения и представляют опасность для

растений, животных и человека, особенно детей.

Одним из простых способов оценки контрастности комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения (Zс) почв относительно фонового уровня по той же формуле, что и для воздуха и снега. По этому показателю можно сравнивать степень загрязнения почвенного покрова городов.

Особенно контрастные аномалии образуют подвижные формы металлов, извлекаемые различными растворителями. Эти формы доступнее для организмов и экологически более опасны.

Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Zс больше 120) наблюдаются в городах с цветной и черной металлургией, где в эпицентрах аномалий содержание металлов в десятки раз выше ПДК. Сильное загрязнение характерно также для центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии, где средние уровни составляют десятки, а максимальные — первые сотни условных единиц. Для городов с предприятиями химической промышленности характерно сильное загрязнение сероводородом, ацетоном, фтором, аммиаком и др. специфическими газами и более низкие уровни загрязнения тяжелыми металлами.

Для Свердловской области наиболее высокий уровень загрязнения почв наблюдается в г.г. Кировграде и Реже (Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь, ЗАО ПО «Режникель»). Уровень загрязнения почв в этих городах по величине показателя Zс относится к категории опасный (Zc=75-85).

Ореолы почвенного загрязнения (геохимические аномалии) примыкают непосредственно к территориям предприятий и составляют (по размерам):

• Металлургические предприятия и крупные ТЭЦ – 5-10 км;

• Машиностроительные заводы – 1,5 – 2 км;

• Автотранспортные магистрали – до 0,2 км.