Развернутый химический анализ почв и установление приоритетных загрязнителей на территории аэродрома государственной авиации (г. Крымск)

Кочетова Ж. Ю. и др. Развернутый химический анализ почв и установление приоритетных загрязнителей на территории аэродрома государственной авиации (г. Крымск). Вестник МГТУ. 2024. Т. 27, № 1. С. 83–90. DOI:

e-mail: , ORCID:

Kochetova, Zh. Yu. et al. 2024. Detailed chemical analysis of soils and identification of priority pollutants on the territory of the state aviation airfield (Krymsk). Vestnik of MSTU, 27(1), pp. 83–90. (In Russ.) DOI:

Экологические проблемы, вызванные военной деятельностью, с каждым годом приобретают все большую актуальность. Это связано с ростом политической напряженности в мире, увеличением числа военных конфликтов и, как следствие, с активизацией эксплуатации существующих военных объектов и строительством новых, разработкой и испытанием различных видов техники, оружия, боеприпасов. Площадь территорий, принадлежащих военным ведомствам, по разным данным оценивается в 750–1,5 млн км². Во многих случаях это лесные массивы, плодородные земли, пастбища, изъятие которых из сферы промышленного и сельскохозяйственного производства негативно сказывается на общем экономическом потенциале государства и жизненном уровне населения ( Кочетова и др., 2023 ). Экологическая ситуация на объектах военной деятельности и территориях ведения вооруженных конфликтов во всем мире близка к катастрофической. Наибольшей техногенной трансформации (по масштабам, глубине и необратимости) подвергается литосфера ( Трофимов и др., 2019 ). Нарушение рельефа, химическое загрязнение почв и подземных вод сохраняется на высоком уровне даже через десятилетия после консервации военных баз, полигонов, аэродромов, складов с оружием и боеприпасами ( Кочетова, 2019; Харькина, 2004; Hussain et al., 2008 ).

В западных странах (США, Канада, ЕС) с 1990-х годов составляются реестры деградации земель, относящихся к военным ведомствам или выкупленных частными лицами для строительства жилых комплексов, парков и для других гражданских нужд ( Кочетова и др., 2023 ). Целью таких масштабных и дорогостоящих исследований является оценка экологического ущерба и разработка эффективных комплексных мероприятий по реабилитации почв. Надо отметить, что сравнение нескольких десятков отчетов о проведении этих работ показали отсутствие единой методики для интегральной оценки загрязнения почв и подземных вод даже в пределах одного штата или страны. К настоящему времени так и не определен перечень обязательных к контролю загрязняющих веществ почв объектов военной деятельности различного назначения. В разных работах для идентичных полигонов и аэродромов исследуют содержание в почвах от 2 до 6 металлов, причем без обоснования выбора именно этих элементов. В основном к ним относятся свинец и медь, реже кадмий, никель, цинк, барий, ртуть, марганец, олово, ванадий, мышьяк, хром. Нормативы содержания токсикантов в почвах могут отличаться на несколько порядков в пределах одной страны, при этом применяются различные методики оценки суммарного загрязнения почв, часто не имеющие научного обоснования ( Tomic et al., 2018; Okkenhaug et al., 2016; Tandy et al., 2017; Knechtenhofer et al., 2003; Lafond et al., 2014; Bausinger et al., 2007; Meerschman et al., 2011 ).

Этой проблеме начинают уделять внимание в нашей стране ( Смурыгин и др., 2019 ). В открытых источниках приводятся разрозненные данные о загрязнении почв аэродромов и аэропортов металлами (в основном, свинцом, кадмием, цинком, медью, никелем, хромом), нефтепродуктами, нитратным азотом, формальдегидом ( Базарский и др., 2019; Геворгян и др., 2013; Кочетова, 2019; Kochetova et al., 2018 ). По мнению многих специалистов, к недостаткам существующей в России стандартной методики интегральной оценки загрязнения почв относятся: отсутствие нормативов для многих металлов с доказанной опасностью для окружающей среды и человека; необъективность расчета суммарного показателя загрязнения почв относительно только предельно допустимых или только фоновых концентраций токсикантов в почвах; отсутствие подхода к выбору приоритетных загрязнителей почв и, как следствие, необъективность оценки экологической ситуации¹ ( Дабахов и др., 2005; Экологическое…, 2013 ).

Цель работы – установление приоритетных загрязнителей почв аэродромов с учетом класса опасности токсикантов, их валового содержания и повторяемости превышения фактической концентрации нормативов, апробация предложенного подхода на аэродроме государственной авиации и прилегающей к нему рекреационной зоне. Для достижения цели проведен многолетний мониторинг загрязнения почв в г. Крымск (Краснодарский край); проанализированы данные развернутого геохимического анализа почв на аэродроме и в прилегающем к нему поселке (под глиссадой); установлены фоновые концентрации загрязнителей в почвах; с учетом кларка определены классы опасности токсикантов с неустановленными предельно (ориентировочно) допустимыми концентрациями (П(О)ДК); рассчитаны коэффициенты концентрации элементов с учетом их валового содержания в почвах и токсичности.

Материалы и методы

Объект исследования – загрязнение почв металлами, мышьяком, нефтепродуктами, нитратным азотом и формальдегидом на территории аэродрома государственной авиации и прилегающей к нему территории в г. Крымск. Характерной особенностью преобладающих на исследуемых территориях луговых почв является мощный перегнойный слой (до 100 см) темно-серого цвета с прочной зерновой структурой. Луговая почва по гранулометрическому составу тяжелосуглинистая. Содержание гумуса – 3,2–3,8 %, реакция почвенного раствора – слабокислая.

Пробы почв глубиной до 10 см отбирали методом конверта со сторонами 10 м в период с 2019 по 2022 гг. 4 раза в год в восьми точках с потенциально опасным содержанием загрязнителей. К таким участкам относятся: начало и конец взлетно-посадочной полосы (ВПП); перпендикулярное направление от ВПП на расстоянии 5–10 м; рулежные дорожки; под глиссадой на расстоянии 800 м от начала ВПП. Для установления фоновых концентраций загрязняющих веществ ( С ф _он) исследовали пробы такого же типа почв на расстоянии ~11 км от аэродрома.

Анализ проб проводили в аттестованной лаборатории комплексных исследований Научноисследовательского института геологии на базе Воронежского государственного университета. Металлы и мышьяк в почве определяли методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии (РФА S8 TIGER, Bruker, Германия); нитратный азот – потенциометрически, нефтепродукты – гравиметрическим методом, формальдегид – фотометрическим методом с хромотроповой кислотой. Результаты исследований приведены на абсолютно сухую пробу. Погрешность определений соответствует нормам погрешности при определении химического минерального состава сырья по III категории точности в соответствии с ОСТ 41-08-212-042.

Для определения класса опасности металлов (с неустановленным П(О)ДК) рассчитывали ранговый коэффициент корреляции Спирмена Кs (Гмурман, 2004). Теснота связи между средним содержанием исследуемых элементов в земной коре (кларк Q, мг/кг) и известными классами опасности веществ характеризуется как высокая (Кs = 0,85 при уровне значимости 0,05). Это позволяет прогнозировать класс опасности металлов на основании их кларков с высокой надежностью (Виноградов, 1962; Касимов и др., 2015). Надо отметить, что такой высокий коэффициент корреляции возможно получить только в том случае, если цинк отнести ко II классу опасности, а не к I, как принято на сегодняшний день в нормативных документах3. Отметим, что в большинстве западных стран цинк относят ко II классу опасности (Кочетова и др., 2023).

При расчете повторяемости повышенного содержания загрязнителей в почвах Р учитывали те вещества, фактические концентрации которых наиболее часто превышают фоновые концентрации в 2 и более раз. Это значение при n ≤ 14 следует из общепринятого выражения для расчета суммарного 4 показателя загрязнения почв Z c

n

Z_c = £ -ф-к- - ( n - 1),                                        (1)

1=1 Cфонi где Cфактi и Сфонi – фактическая и фоновая концентрация i-го загрязнителя; Cфактi / Сфонi = Ккi – коэффициент концентрации i-го загрязнителя; n – количество учитываемых загрязнителей с КкI ≥ 1.

При Z c < 16 категория загрязнения почв считается допустимой (наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимум функциональных отклонений). В соответствии с известной методикой⁵ повторяемость загрязнения среды i -м компонентом считали устойчивой при P i ≥ 30 %, характерной – при P i ≥ 50 %.

Результаты и обсуждение

Предельно (ориентировочно) допустимые концентрации и кларки исследуемых загрязнителей представлены в табл. 1⁶ ( Виноградов, 1962; Касимов, 2015 ). Металлы в таблице расположены по мере возрастания их кларков, жирным шрифтом выделены установленные методом подбора классы опасности элементов с неизвестным на сегодняшний день П(О)ДК, при этом К_s для всей выборки составляет 0,95. Фоновые концентрации загрязнителей за исследуемый период времени изменялись незначительно, их средние значения с относительным отклонением не более ±15 % также представлены в табл. 1.

Повторяемость превышения фоновых концентраций загрязнителей в 2 раза и среднее соотношение С ф _акт / C ф _он в восьми точках контроля за исследуемый период представлены в табл. 2.

Таблица 1. Некоторые характеристики исследуемых загрязнителей почв Table 1. Some characteristics of the studied soil pollutants

Загрязнитель	С фон , мг/кг	П(О)ДК, мг/кг	Q , мг/кг	Класс опасности	Загрязнитель	С фон , мг/кг	П(О)ДК, мг/кг	Q , мг/кг	Класс опасности
Олово (Sn)	0,28	—	3,5	1	Хром (Cr)	84,2	100	92	2
Цезий (Cs)	3,8	—	5,5	1	Ванадий (V)	58,4	150	121	3
Мышьяк (As)	0,22	10	5,6	1	Цирконий (Zr)	93,2	—	200	3
Скандий (Sc)	1,7	—	6,0	1	Стронций (Sr)	58,4	—	270	3
Ниобий (Nb)	2,9	—	10	1	Рубидий (Rb)	52,0	—	300	3
Галлий (Ga)	8,7	—	15	1	Барий (Ba)	396	—	510	3
Свинец (Pb)	10,2	130	17	1	Марганец (Mn)	644	1 500	710	3
Кобальт (Со)	6,7	5,0	17	2	Титан (Ti)	2117	—	3900	4
Сурьма (Sb)	0,48	4,5	18	2	Железо (Fe)	30114	—	40600	4
Иттрий (Y)	23,9	—	28	2	Формальдегид	1,8	7,0	—	2
Медь (Cu)	26,7	132	39	2	Нитраты (NO 3 –)	3,4	130	–	2
Никель (Ni)	22,8	80	50	2	Нефтепродукты	38,6	100*	–	3
Цинк (Zn)	39,3	220	75	1( 2 )

Примечание. * ПДК нефтепродуктов, установленная по наиболее значимым критериям вредности ( Рубин и др., 2013 ).

Таблица 2. Результаты исследования загрязнения почв аэродрома и приаэродромной территории Table 2. Results of the study of soil pollution of the airfield and the aerodrome territory

Загрязнитель	Sn	Cs	As	Sc	Nb	Ga	Pb	Co	Sb	Y	Cu	Ni	Zn
P , %	16	100	100	31	77	0	54	16	54	0	25	21	27
К кi	2,6	5,3	27	6,2	4,2	1,7	4,0	1,7	4,2	1,1	2,1	1,8	2,8
Загрязнитель	Cr	V	Zr	Sr	Rb	Ba	Mn	Ti	Fe	ФА	NO 3 –	НП	–
P , %	0	0	13	9	19	16	0	27	0	100	100	100	–
К кi	1,8	1,7	2,2	2,1	2,7	2,9	1,2	3,7	1,6	8,9	7,6	19	–

Примечание. Выделены загрязнители с устойчивой и характерной повторяемостью превышения фоновых концентраций в 4 раза.

Наиболее часто встречающиеся превышения опасного уровня загрязнения почв на аэродроме государственной авиации характерны для элементов I класса опасности – цезия, мышьяка, скандия, ниобия и свинца; II класса опасности – сурьмы, формальдегида и нитратного азота. Нефтепродукты, относящиеся к III классу опасности, содержатся в каждой исследуемой пробе, причем их содержание в почвах, отобранных в начале и конце ВПП, а также под глиссадой достигает 11 ПДК. Таким образом, развернутый химический анализ почв показал, что в установленный ранее перечень обязательных к контролю соединений в почвах аэродромов ( Геворгян , 2013; Голубев, 2007; Кочетова, 2019 ), необходимо включить такие элементы, как цезий, скандий, ниобий, сурьма.

Повышенное содержание цезия на территориях аэродромов государственной авиации возможно объяснить тем, что этот металл применяют в составе присадок к топливу для уменьшения радиолокационной заметности шлейфов выхлопных газов; карбонат цезия добавляют в стекло для повышения стабильности и долговечности волоконной оптики и приборов ночного видения. Скандий широко используется для получения прочных, жаростойких и легких алюминиево-скандиевых сплавов, применяемых в самолетостроении; компонентов микроэлектроники и флуоресцирующих красок для разметки ВПП; для производства осветительных приборов высокой интенсивности, используемых на аэродромах. Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов. Сурьма все больше применяется в полупроводниковой промышленности при производстве диодов и инфракрасных детекторов, а также в качестве присадки к смазочным материалам подшипников скольжения.

Ниже перечислены убывающие по кратности фону ряды приоритетных загрязнителей в разных точках пробоотбора почв на аэродроме и суммарные показатели загрязнения почв (1):

начало и конец ВПП: НП 29 > As 23 > ФА 22 > Cs 6,6 > Sb 6,3 > (NO 3 )^– 5,3 > Nb 4,8 > Pb 2,7 > Sc н/о ; Z c = 93;

перпендикулярно ВПП: As₁₆ > НП₁₄ > Pb_5,0 > ФА_4,4 > (NO₃)^–_4,3 > Cs_3,4 > Sb_2,2 > Nb_2,4 > Sc_н/о; Z_c = 45;

рулежные дорожки: As₃₆ > НП₂₁ > (NO₃)^–₁₁ > Cs_7,1> Nb_4,7 > Pb_4,2 > ФА_2,8 > Sb_2,1 > Sc_н/о; Z_c = 85;

под глиссадой: As 32 > НП 9,8 > (NO 3 )^– 9,7 > Sc 7,6 > ФА 6,3 > Sb 6,0 > Nb 4,8 > Pb 3,6 > Cs 2,8 ; Z c = 75.

Основными загрязнителями территории аэродрома в г. Крымск во всех точках пробоотбора являются мышьяк и нефтепродукты. Суммарный уровень загрязнения проб почв характеризуется как "опасный" ( Z с = 32 – 128). Если оценивать уровень загрязнения почв индивидуальными неорганическими веществами с учетом их класса опасности, то почвы классифицируются как слабозагрязненные (концентрация мышьяка – элемента первого класса опасности – не превышает или равна 1 ПДК). По нефтепродуктам почвы считаются сильно загрязненными, так как их концентрация превышает 5 ПДК⁷. Высокие значения Z с получены и за счет введения цезия и скандия в перечень контролируемых соединений, которые ранее никогда не учитывались при оценке экологической ситуации на территориях аэродромов и аэропортов. Обычно считается, что штатный режим эксплуатации аэродромов влияет на загрязнение почв на допустимом уровне ( Лазарев и др., 2022 ).

Вариабельность концентраций загрязняющих веществ в точках пробоотбора обусловлена, прежде всего, особенностью эксплуатации летательных аппаратов и средств авиационно-технического обеспечения полетов. Так, наибольшее количество загрязнителей (в том числе формальдегида, несгоревшего топлива и металлсодержащих присадок, входящих в его состав) выбрасывается в атмосферный воздух и осаждается на поверхность почв в радиусе до нескольких километров от ВПП при работе двигателя самолета в форсажном режиме (при взлете – посадке). Этим объясняется высокое содержание загрязнителей в почвах в начале и конце ВПП и под глиссадой на расстоянии 800 м от ВПП.

При расчете суммарного показателя загрязнения почв относительно фоновых концентраций (1) не учитываются классы опасности элементов. Содержание в почвах головных компонентов – мышьяка и нефтепродуктов – оценивается как эквивалентное по токсичности воздействия на окружающую среду. За счет того что нефтепродукты на подобных объектах исследования всегда превышают концентрации остальных загрязнителей в десятки раз, происходит "разбавление" высокотоксичных соединений менее опасными, при этом суммарная оценка загрязнения почв занижена и не является объективной.

Для устранения этого недостатка использована стандартная методика определения комплексного индекса загрязнения атмосферы⁸. Единичный индекс загрязнения для i -го вещества рассчитывается по формуле

(

факт i

(L - фон i

) q = ( K Ki ) q ,

где q = 1,5; 1,3; 1,0 – показатели степени для элементов I, II, III класса опасности соответственно, используемые для приведения всех классов к изоэффективной концентрации веществ III класса опасности.

Тогда с учетом валового содержания и токсичности ряды приоритетных загрязнителей почв аэродрома имеют вид:

начало и конец ВПП: As 110 > ФА 66 > НП 29 > Cs 17 > Sb 11 > Nb 11 > (NO 3 )^– 8,7 > Pb 4,4 > Sc н/о ; Z c* = 250;

перпендикулярно ВПП: As 64 > НП 14 > Pb 11 > ФА 6,9 > (NO 3 )^– 6,7 > Cs 6,3 >Nb 3,7 > Sb 2,8 > Sc н/о ; Z c* = 108;

рулежные дорожки: As 216 > (NO 3 )^– 23 > НП 21 > Cs 19 > Nb 10 > Pb 8,6 > ФА 3,8 > Sb 2,6 > Sc н/о ; Z c* = 297;

под глиссадой: As 181 > Sc 21 > (NO 3 )^– 19 > НП 9,8 > Nb 11 > ФА 11 > Sb 10 > Pb 6,8 > Cs 4,7 ; Z c* = 266.

В этом случае наиболее опасными загрязнителями почв аэродромов выступают мышьяк, нитратный азот, скандий, формальдегид, нефтепродукты. Опасная экологическая ситуация по величине интегрального показателя загрязнения почв Z c* , полученного суммированием (K_Ki) q , складывается в зоне рулежных дорожек и под глиссадой.

Заключение

Общепринятый перечень металлов, контролируемых на территориях авиационных комплексов (мышьяк, свинец, медь, никель, цинк, марганец и др.), необходимо дополнить такими элементами, как цезий, скандий, ниобий, сурьма. Развернутый химический анализ почв показал их устойчивое и характерно высокое содержание в почвах как на территории аэродрома, так и под глиссадой в рекреационной зоне. Во всех точках пробоотбора концентрации этих элементов за четырехлетний период наблюдения превышали фоновые в 4 и более раз. Проведенный корреляционный анализ между классами опасности металлов и их кларками позволил отнести цезий, скандий, ниобий к элементам I класса опасности, сурьму – ко II классу.

Максимальное загрязнение почв аэродрома в г. Крымск характерно для зон взлетно-посадочной полосы и рулежных дорожек, что согласуется с ранее проведенными исследованиями. Во всех точках пробоотбора установлено превалирующее содержание мышьяка и нефтепродуктов; в почвах под траекторией взлета – посадки самолетов отмечается также характерное повышение содержания продуктов неполного сгорания топлива (нитратного азота, формальдегида).

Наиболее опасными соединениями с точки зрения их валового содержания в почвах и токсичности являются мышьяк, нитратный азот, формальдегид и скандий. Это необходимо учитывать при проведении экологического мониторинга на аэродромах государственной авиации и прилегающих к ним территориях.