Курсовая работа: Моделирование загрязнения чернозема свинцом с целью установления экологически безопасной концентрации
Особенности техногенной концентрации свинца в почвах г. Тюмени
Граница статистически достоверного накопления свинца в почвах, когда его концентрация в 2 — 3 раза превышает фоновые показатели, совпадает с внешними границами городской застройки. От периферии к центру города концентрации свинца в почвах постепенно увеличиваются и достигают 10 —50-кратных фоновых показателей. Около 90% свинца (как и других атмотехногенных поллютантов) накапливается в самых верхних горизонтах (0—10 см) городских почв. Книзу концентрация свинца экспоненциально снижается и уже на глубине 10—30 см выходит на фоновый уровень.
Общие запасы свинца в верхнем аккумулятивном десятисантиметровом горизонте почв г. Тюмени оцениваются (при среднем удельном весе почв, равном 1,3 г/см3 ) в 200—3500 т. Однако территориальное распределение этих запасов и его отражение в экспликации почв с разной степенью свинцового загрязнения диаметрально противоположны (табл. 5.36).
Таблица 2
Экспликация загрязненных свинцом городских почв
| Степень загрязнения, кратная фоновому содержанию | Площадь ореола, га | % | Запасы накопленного свинца, т | % |
| 1-2,5 (низкая) | 9266,4 | 40,8 | 200 | 4 |
| 2,6-5,0 (средняя) | 9325,8 | 41,1 | 450 | 9 |
| 5,1-10,0(высокая) | 3399,9 | 15,0 | 900 | 18 |
| 10,1-50,0 (очень высокая) | 713, | 3,1 | 3500 | 69 |
Более чем на 40% территории города почвы имеют среднюю, около 20% — высокую и очень высокую степень загрязнения свинцом. Но именно в этой одной пятой части городской территории находится 80 —90% запасов свинца в почвах.
Педогеохимическая мозаичность в накоплении свинца в почвах является результатом, в первую очередь, территориальной неоднородности атмотехногенного его поступления. Резкий подъем содержания свинца в атмотехногенных поступлениях в европейских странах и в Америке приходится на 40-е годы нашего столетия, который фиксирует, с одной стороны, начало интенсивного роста промышленного производства, с другой — использования тетраэтилсвинца в бензине. В Тюмени аналогичный рост связан с началом «нефтяной лихорадки» в 50-х годах. Значит, существенная часть запасов свинца в почвах г. Тюмени накопилась в течение последних 50 лет. За этот срок ежегодно территории города с низким уровнем загрязнения получили около 36 мг/м2 , со средним, сильным и очень сильным уровнями загрязнения — соответственно 80,4; 441,2 и 8179,1 мг/м.2 .
В г. Тюмени, таким образом, интенсивность свинцового загрязнения почв по сравнению с мировыми показателями в 4—800 раз больше. Она значительно превосходит количество выпадений свинца, характерных для промьшленно развитых регионов вне прямого воздействия техногенных источников — Польши, Германии, многих штатов США (18,2; 10,8 и 28,6—70 мг/м2 соответственно).
Ореолы с высокими уровнями атмотехногенного поступления в почвы свинца охватывают все предприятия Затюменского, Центрального, Южного и Юго-Восточного промышленных узлов на правобережье р. Туры и Тарманского и Северного — на левобережье.
Отростки ореолов с аномально высокими концентрациями свинца тремя лопастями вытянуты из общего центра, находящегося в Затюменском промышленном узле в северовосточном, восточном и юго-восточном направлениях (рис. 5.20). По их осям симметрии проходят Транссибирская железная дорога, несколько центральных городских автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта (ул. Республики, Щербакова и др.), Велижанский и Тобольский тракты.
Среди педогеохимических аномалий свинца особенно выделяются почвы Затюменского промышленного узла и прилегающих к нему территорий. Здесь, в зоне непосредственного влияния аккумуляторного завода, наблюдается статистически достоверное 3—4- кратное преобладание свинца среди других тяжелых металлов, территориально ассоциированных со свинцом
Кластерный анализ на основе данных наблюдения в 200 равномерно расположенных узлах сеточной области 21 элемента (Mn, Ti, V, Ga, Be, Y, Yb, Ba, Li, Co, Cu, Zn, Ag, Pb, Sn, P, Cr, Mo.Ni, W и Ge) показал, что при доверительной вероятности 95% в выборочном коэффициенте 0,60 свинец с серебром, цинком и медью образует территориально-геохимическую ассоциацию элементов. Это свидетельствует о гетерогенности и полиэлементности педогеохимичееких аномалий свинца. Там, где свинец в городских почвах является ведущим элементом техногенных аномалий, ранжированные ряды накопления тяжелых металлов имеют следующий вид:
Затюменский промузел:
Pbl3,l>Ni3,8> >Zn2,9>W2,9>Cu2,0>Col,6;
Центральный промузел:
Pb5,5>Ni4,5> >Zli2,2>Cu2,I>Co2,0>Mol,8>Wl,8;
За исключением вольфрама и молибдена все вышеназванные элементы в створе техногенного потока в почвах обнаруживаются на расстоянии до 40 км от соответствующих промышленных узлов, далеко за пределами города, образуя вокруг него полиэлементный ореол. В нем свинец является самым значительным по уровню содержания и самым устойчивым по дальности обнаружения в почвах загрязнителем.
Высокий уровень поступления в почвы свинца отражается не только в радиусе его урбоэкологического ореола, но и в особенностях его накопления в почвах различных функциональных зон уже внутри города. Ореолы с высоким и очень высоким уровнями свинца в почвах не замыкаются пределами промышленных узлов. В сферу непосредственного воздействия источников свинцового загрязнения вовлекаются территории более чем половины селитебной зоны, значительная часть городских рекреационных лесов и парков. Подсчет средних концентраций свинца в узлах равномерной сетки в пределах каждой из перечисленных функциональных зон показывает, что под влиянием техногенного пресса ожидаемые (из-за их функциональной принадлежности) различия между ними совершенно стираются (табл. 3).
Таблица 3
Суммарные уровни загрязнения тяжелыми металлами (А) и концентрации свинца (относительно к фону) в почвах (Б) отдельных функциональных зон
| Функциональные зоны | А | Б |
| Промышленная | 1,8 | 5,6 |
| Селитебная | 21,2 | 5,8 |
| Рекреационная | 18,0 | 5,5 |
Поэтому, как и на территории промышленной зоны, в скудно озелененных микрорайонах города, селитебной зоне со значительной долей частного сектора вероятность поступления свинца в организм человека непосредственно с вдыхаемой пылью или через трофические цепи становится весьма высокой. Запасы свинца в почвах для этого больше чем достаточны, на каждого жителя в настоящее время приходится 8400 г свинца. Заметим при этом, что пределы устойчивости человека к свинцу в почвах находится у 20 мг/кг почвы. Относительно к пищевым продуктам этот предел еще ниже: от 0,05 мг/кг для молочных продуктов до 0,5 мг/кг — для овощей и фруктов.
В этих жестких условиях способность жителей г. Тюмени противостоять свинцовому давлению во многом зависит от устойчивости самих почв к загрязнению свинцом, от их способности к самоочищению, перспективы их оздоровления.
Устойчивость городских почв к загрязнению свинцом, перспективы их оздоровления
Регулирование содержания свинца в почвах может быть осуществлено путем применения радикальных технологии очистки, корректировкой способности почв к самоочищению, использованием методов повышения устойчивости почв к свинцовому загрязнению. Радикальные технологии очистки почвы от свинца основаны на явлениях экстракции и ионообменных реакций, промывки под высоким давлением с последующей экстракцией. Эти технологии уменьшают содержание свинца в почвах в 100—1000 раз. Стоимость обработки 1т загрязненной свинцом почвы эквивалентна 80—200 долларам США. Для очистки от свинца 10-сантиметрового слоя только сильно - и очень сильно загрязненных почв г. Тюмени в случае применения вышеназванных технологий сегодня по курсу 25 рублей за 1 доллар потребуется 11—27 млрд. руб.
Что же касается самоочищения почв, об этом имеет смысл говорить только по отношению к органическим загрязнителям или легколетучим элементам. Самоочищение почв от свинца если и может идти, то только путем растворения его соединений и последующего их удаления из почвенной толщи. Но абсолютное большинство распространенных в почвах соединений свинца труднорастворимо. Поэтому в наиболее благоприятных условиях лишь малая часть (до 1%) от ежегодно поступающего техногенного свинца выносится за пределы почвенного профиля, более чем 99% накапливается почвами. Даже при полном прекращении поступления свинца в почвы самоочищение от уже накопившихся запасов свинца в ландшафтно-климатических условиях г. Тюмени может длиться десятки, сотни тысяч лет. Природные средства удаления свинца в масштабах времени, соизмеримого с жизнью человека, таким образом, неэффективны, и фактически происходит загрязнение почв «на вечные времена». Практически свинцовое загрязнение может изжить и пережить всю земную цивилизацию.
Но при этом не следует забывать, что городские почвы как открытая система, с некоторыми допущениями, постоянно находятся в поле действия принципа Ле Шателье, который гласит: если в химическую систему, находящуюся в равновесии, добавить какое-нибудь вещество, реакция сместится таким образом, чтобы равновесие восстанавливалось в результате поглощения части добавленного вещества. В условиях города Тюмени, где уровень загрязнения достигает десятков фоновых уровней, ответная реакция почв будет иметь направленность, в основном, в сторону уменьшения активности свинца, в сторону его закрепления. В результате почвы приобретают свойство буферности, устойчивости к загрязнению свинцом.
Степень этой устойчивости определяется комплексом собственно почвенных физико-химических и ландшафтно-геохимических факторов. Наибольшую устойчивость почвам обеспечивают факторы, способствующие процессам концентрации, приводящие к уменьшению подвижности свинца, закреплению и накоплению его в умеренно подвижных и малоподвижных формах посредством сорбции, хемосорбции и хемоседиментации. Чем больше и прочнее может удерживать почва различные соединения свинца (показатель емкости), тем активнее они удаляются из почвенного раствора (показатель интенсивности) в состав соединений твердой фазы, тем лучше почвы сопротивляются повышению концентрации свинца в почвенном растворе. Наиболее значительными почвенными физико-химическими и ландшафтно-геохимическими факторами повышения показателей емкости свинца в почвах являются мощность горизонта подстилки, мощность гумусового горизонта, количество гумуса, дисперсные фракции почв, глинистые минералы (аллофаноиды, монтмориллонит), высокая емкость поглощения катионов, насыщенность поглощающего комплекса основаниями, аморфные гидроксиды железа, марганца и алюминия, нейтральная и слабощелочная среда (рН 6,5 — 8,0), нейтральные и щелочные окислительные, нейтральные и щелочные восстановительные, восстановительные сероводородные барьеры, наличие карбонатов и фосфатов.
В каждый момент времени, в каждой точке существует динамическое равновесие между показателями емкости и интенсивности свинца в почве. Для некоторых показателей равновесное состояние может быть выражено количественно.
Например, при загрязнении почвы труднорастворимыми солями свинца равновесие между твердыми и жидкими фазами почвы будет определяться произведением растворимости (ПР) этих солей: чем меньше ПР соли, тем устойчивее почва к данному соединению. Если сравнить устойчивость почв к двум распространенным солям свинца, то окажется, что она выше по отношению к фосфатам (ПР PbS = 8,2х10-48 ), чем сульфидам (ПР PbS = 1xl0-29 ).
Но для всех без исключения вышеперечисленных показателей емкости определение количественных параметров равновесного состояния не представляется возможным, особенно если оценивается пространственная картина устойчивости почвенного покрова всего города. Поэтому для определения степени устойчивости почв г. Тюмени к загрязнению свинцом в каждом из 999 пунктов наблюдений выведен интегральный показатель емкости. Этот показатель равен сумме частных значений, основанных на лабораторных данных во всех пунктах наблюдений по: кислотности почв, окислительно-восстановительному потенциалу почв и валовому содержанию фосфора в почвах. Полученные интегральные показатели емкости и составленная на их основе карта относительной устойчивости почв к техногенному давлению свинца выявляют территории города с крайне неустойчивыми, неустойчивыми, среднеустойчивыми, устойчивыми и весьма устойчивыми почвами к загрязнению
В пределах современной городской черты крайне неустойчивые и неустойчивые почвы приурочены в основном к пойменным территориям р. Туры и занимают всего около 13% рассматриваемой территории. Наибольшую тревогу, из-за опасности проникновения свинца через пищевые цепи в организм человека, вызывают крайне неустойчивые почвы садоводческих обществ, расположенных на пойме в районе оз. Турбеково и между поселками Казарово и Мелиораторов, в северной части города. В застроенной части города, особенно на правом берегу р. Туры, преобладают среднеустойчивые, устойчивые и весьма устойчивые к загрязнению свинцом почвы, занимающие 87 % территории.