Снежный покров городской территории как источник техногенного загрязнения поверхностных вод в период снеготаяния

Научный электронный журнал ПРИНЦИПЫ ЭКОЛОГИИ http://ecopri/ru

E-mail: http://ecopri/ru

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 кото-

Подписана к печати: 25 октября 2016 года рой 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 магист- ралей (Маврин и др., 2014; Kuoppamaki et al., 2014; Рапута и др., 2010; Шумилова, Жидиле-ва, 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 (рис1., 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.1. 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.1. 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 флуориметриче-ским 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:

Ci • Si

Ск =

Z Z Si где Ск – средняя концентрация загрязняющих веществ, мг/дм3; Сii– 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 снего-отвалов, 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

Mn=m • кэ 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: У уд = 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 коммунальнобытового водопользования.

В табл. 2 представлены результаты определения загрязняющих веществ в сне-гоотвалах, 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.

Упр= Z ( Ууд • Z Mn ) • Кэ

Таблица 1. Концентрация загрязняющих веществ в талой воде снежного покрова г. Барнаула (март

2015 г.)

Показатель, мг/дм3		Городские точки отбора (согласно рис.)				Фон 9	ПДКр.х
	1	2	3	4	5
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.

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. Бар-наулки	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 тече- ние 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 анти-гололедных 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; Лабу-зова и др., 2016). Исходя из данных табл. 2, приоритетными загрязняющими веществами, содержащимися в городских снегоотва-лах 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 снего-отвалов 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. Бар-наулке – 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.