MONITORING

19. Техногенные источники загрязнения. Геохимическое состояние городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, находящихся на территории города, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит аккумулятивное воздействие на природную среду и человека различных видов производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Главные источники загрязнения — неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы. Особенностью городов является наложение полей загрязнения различных производств и видов хозяйственной деятельности и формирование полиэлементных техногенных геохимических аномалий в компонентах городского ландшафта (воздухе, снежном, почвенном и растительном покровах, поверхностных и грунтовых водах). Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые отходы (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной формах). Для проведения мониторинга техногенные отходы делятся на организованные - поступающие в окружающую среду через специальные устройства (трубы, факелы, очистные сооружения, шлаконакопители, отвалы), поддающиеся контролю и неорганизованные (утечки и выбросы загрязняющих веществ в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т.д.), постоянный контроль которых затруднен. В зависимости от высоты Н источники выброса относятся к одному из четырех классов: высокие источники (Н > 50 м); источники средней высоты (Н от 10 до 50 м); низкие источники (Н от 2 до 10 м); наземные источники (Н<2м). В зависимости от пространственной формы различают следующие источники загрязнения: линейные (авто- и железные дороги, трубопроводы, насыпи, ЛЭП и др.) точечные (трубы дымовые, котельных, колодцы и др.) Специфической особенностью точечных источников загрязнения является локальное поступление ЗВ. площадные (шламонакопители, пруды-отстойники, пруды-накопители, хвостохранилища, водохранилища и т.д.). Типы промышленного производства и хозяйственной деятель­ности отличаются количеством и составом загрязняющих веществ в отходах, стоках и выбросах. Некоторые производства обладают сходным набором поллютантов. Геохимический анализ источников загрязнения, особенно концентрации в отходах микроэлементов, выполнен под руководством Ю.В. Саёта (Геохимия..., 1990). По степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются вольфрам, сурьма, свинец, кадмий, никель), немного меньше или сопоставима с ними нагрузка от отходов, третье место в ряду аномальности занимают стоки. Но по абсолютной массе поставки в окружающую среду твердые отходы опережают выбросы. Большое число и неравномерность размещения техногенных источников в сочетании с природными условиями создают сложную картину геохимических полей и аномальных зон на территориях промышленных городов. Идентификация техногенных источников в крупном городе - более сложная задача по сравнению с отдельно стоящими узкоспециализированными предприятиями в малых городах и поселках. Поэтому инвентаризация техногенных источников - одна из важнейших и первоочередных задач при эколого-геохимических оценках состояния городов.

20 Использование статистических методов для обработки результатов эксперимента. Основные виды экологических индикаторов. Статистическая обработка цифрового материала, полученного путем опытов, учетов и наблюдений при мониторинговых исследова­ниях, необходима для проверки степени достоверности результатов и правильного их обобщения. Особенно важна роль статистических методов, как средства, помогающего принять верное решение в усло­виях неопределенности. Каждый из методов математической стати­стики имеет свои возможности и ограниченную область применения. Использование метода, не соответствующего данному эксперимен­тальному материалу, может привести к неверным обобщениям и необоснованным выводам. Перед обработкой результатов исследования прежде всего не­обходимо определить задачи, которые должны быть решены матема­тическим путем, и они обычно следующие. 1. Вычисление средней арифметической и ее ошибки, коэффи­циента вариации и других показателей, характеризующих один ряд однородных чисел, полученных в эксперименте или иным путем. 2. Установление по двум и больше сопряженным рядам чисел наличия связи (корреляции) между признаками. 3. Определение по двум сопряженным рядам чисел формы зави­симости (регрессии) одного признака от другого. 4. Проверка гипотезы о различии (или сходстве) между призна­ками или вариантами опыта. Цифровой материал, подлежащий обработке, должен быть пред­варительно просмотрен для выявления грубых ошибок, если тако­вые имеются. Числа, очень сильно отклоняющиеся от остальных, надо обязательно проверить на принадлежность их к данной сово­купности. Все цифровые данные перед обработкой следует округлять до одинакового числа знаков после запятой, причем оно должно быть минимальным, но достаточным для достижения тре­буемой точности выводов. Основные виды экологических индикаторов. Для начала необходимо идентифицировать индикаторы состояния экологических ресурсов и беспристрастно оценить региональную распространенность значений этих индикаторов по каждому классу интересующих нас природных ресурсов. Также необходимо определить и идентифицировать индикаторы подверженности воздействию поллютантов и сокращения и деградации местообитаний, а также оба источника стрессов (антропогенный и природный), которые могут быть связаны с обеднением или изменением экологического состояния. Специалисты EMAP определяют несколько категорий индикаторов - реагиро­вания, подверженности риску, местообитания и стрессорный, примеры которых даны на рис. 1. Индикаторы реагирования - это харак­теристики окружающей среды, измеряемые для определения биологи­ческого состояния ресурса на уровне организма, популяции, сооб­щества или экосистемы.Индикаторы подверженности воздействию и местообитания являются диагностическими и измеряются вместе с ин­дикаторами реагирования. Индикаторы подверженности воздействию – это характеристики окружающей среды, измеряемые для определения распространенности или степени важности контактов индикаторов реагирования с физическими, химическими или биологическими стрессами. Индикаторы местообитания являются характерными физическими свойствами, измеряемыми для определения условий, необходимых для поддержания организма, популяции или сообщества при отсутствии поллютантов. Стрессорными индикаторами являются характеристики, измеряемые для количественного описания природных процессов, индикаторов опасности для окружающей среды или хозяйственной деятельности, вносящей изменения в подверженность воздействию и местообитание. Индикаторы реагирования, подверженности воздействию и местообитания измеряют во время ежегодных обследований мест пробоотбора; связанных с точками сетки: - ЕМАР. Стрессорные индикаторы обычно не могут быть измерены в местах пробоотбора; однако, данные по стрессорам получают, как правило, из других программ мониторинга. В рамках ЕМАР для описания экологического состояния будут ис­пользованы индикаторы реагирования. Индикаторы подверженности воздействию и местообитания будут использованы для обеспечения внушающих доверие объяснений наблюдаемых различий и изменений у индикаторов реагирования, а стрессорные индикаторы будут ис­пользоваться для идентификации возможных причин изменений у инди­каторов подверженности воздействию и местообитания. Анализы дол­жны опираться на коррелятивные эмпирические подходы и, таким об­разом, не могут выявить причинную связь. Тем не менее, использо­вание коррелятивного подхода позволит идентифицировать опасности, широко распространенные географически, наиболее интенсивные или связанные с быстрым ухудшением. Когда ЕМАР позволит идентифицировать географический ареал с высокой долей ресурсов в неприемлемом состоянии следует разработать и осуществить другой проект для выявления причин и решений.

21. Характеристика атмосферных выпадений. Выбросы вредных веществ в атмосферу в городах составляют сотни и миллионы тысяч тонн в год. Среди городов по интенсивности выбросов (более 800 тыс. т/год) выделяются города с черной и цветной металлургией - Норильск, Кривой Рог, Темиртау, Новокузнецк, Магнитогорск, Мариуполь. Для оценки экологической опасности степени загрязнения кроме объема выбросов важное значение имеет их качественный состав и содержание наиболее токсичных веществ. В крупных столичных городах, расположенных в межгорных и предгорных впадинах, велико значение загрязнения автотранспортом, достигающее в Тбилиси, Ереване, Алма-Ате и Ташкенте 75-90% от общих выбросов. Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав аэрозолей. При этом элементы с относительно высокими кларками железо, марганец, цинк, хром, медь - связаны, главным образом мелко- и крупнодисперсным аэрозолем (0,05-2 мкм и более), 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 (Геохимия..., 1990). В атмосферных осадках преобладают водорастворимые формы металлов. Атмосферный воздух в городах загрязнен обычно оксидами серы и азота, пылью, но особенно опасны повышенные концентраций специфических для каждого вида производства загрязнителей. Наиболее высокие уровни загрязнения наблюдаются в городах с черной, цветной и нефтехимической промышленностью, где ПДК вредных веществ уже превышены в несколько раз. Среди специфических поллютантов в городах приоритетные позиции занимают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), формальдегид и тяжелые металлы. Особенно контрастны техногенные аномалии одного из ПАУ - 3,4-бенз(а)пирена, обладающего канцерогенными свойствами и образующегося, главным образом, при сжигании ископаемого топлива. Высока запыленность воздуха в городах. Так, в фоновых ландшафтах центра Русской равнины поставка твердого вещества из атмосферы составляет 10-15 кг/км² в сутки. В промышленных городах она увеличивается в 5-10 раз и более, что ведет к возрастанию роли взвешенных частиц как носителей химических элементов и контрастности образующихся в атмосферных выпадениях техногенных аномалий. При этом выделяются два типа атмотехногенной нагрузки: 1) выпадение больших коли­честв пыли с относительно низкими концентрациями поллютантов и 2) высокие нагрузки, образуемые выпадением меньшего количества пыли с повышенными содержаниями химических элементов. Из-за глобального распространения многих поллютантов, осо­бенно тяжелых металлов, возникают большие трудности при опреде­лении регионального фона атмосферных выпадений. Почвы - основной поставщик тяжелых металлов естественного происхожде­ния в атмосферу. Однако пыль выпадений по сравнению с почвами обогащена в 5-20 раз ртутью, цинком, оловом, кадмием и медью. Считается, что для этих металлов, а также мышьяка и сурьмы антропогенный вклад в их общее количество в атмосфере уже со­ставляет более 50%. Поэтому Понятие "фон" (для каждого конкретного населенного пункта устанавливается органами Госкомгидромета) для атмосферных выпадений относительно. На региональном фоне выпадения в промышленных городах в среднем в 3-15 раз обогащены тяжелили металлами. В свою очередь территория крупных городов, как прави­ло, загрязнена неравномерно и на повышенном городском фоне четко выделяются техногенные аномалии выпадений, приуроченные к промышленным зонам, где концентрации цинка, свинца, никеля, ртути, хрома и других металлов возрастают обычно еще в 5-6 раз. Интенсивность загрязнения воздуха в городах зависит от целого ряда ландшафтных факторов и, в первую очередь, от метеорологической ситуации и рельефа местности. Особенно сильное загрязнение характерно для промышленных городов, расположенных в горных котловинах (горно-котловинное семейство) с частыми инверсиями температур, приводящими к смогам (города Новокузнецк, Братск, Магнитогорск, Иркутск и др.). Состояние атмосферного воздуха очень динамично, поэтому на­блюдение за его составом ведется непрерывно на стационарных пунктах контроля. В крупных городах оно осуществляется, как правило, в нескольких пунктах. Такая организация контроля воздушной среды имеет свои достоинства (непрерывность) и недостатки (редкая сеть наблюдений не обеспечивает достоверной простран­ственной картины распределения загрязнителей по всей территории города). Существование коррелятивных зависимостей между содержанием многих поллютантов в атмосферном воздухе с их содержанием в снеге и почвах, доступных для площадного опробования, позволяет использовать эти компоненты ландшафта для экспрессной геохимической индикации загрязнения городов.

22 Проблемы пробоотбора в системе экологического мониторинга. Отбор проб («пробоотбор») является очень существенным этапом в технологическом цикле экоаналитического контроля, так как результаты даже самого точного (и дорогостоящего) анализа теряют всякий смысл при неправильно проведенном пробоотборе. Ошибки, возникающие вследствие неправильного отбора проб, в дальнейшем исправить, как правило, не удается. Поэтому достоверность и точность последующего анализа в значительной степени зависят от правильности выбора способа и тщательности проведения отбора проб. Для получения достоверной и надежной информации о содержании 3В пробоотбор должен осуществляться так, чтобы анализируемые образцы были «репрезентативными» (представительными) для природных объек­тов. Представительными принято считать такие пробы, в которых со­держание определяемых ингредиентов не изменяется при отборе проб, их хранении и транспортировке к месту анализа. Иными словами, отно­шение матрицы к анализируемым компонентам (ингредиентам) должно оставаться постоянным как в общей массе исходного материала, так и во взятой пробе. Биологические процессы, протекающие в живых организмах, также обусловливают их переменный состав, отражающийся на достоверности контроля загрязненности внутренней среды изучаемых организмов. Из­менения концентраций составных частей матрицы происходят также и в образцах свежих продуктов питания. При этом химические превращения даже одного компонента образца пробы могут приводить к изменению относительных концентраций 3В и, следовательно, к неправильным ре­зультатам анализа. Иногда (при очень низких концентрациях ЗВ в среде) в процессе отбора проб определяемое вещество приходится отделять от матрицы с целью его концентрирования (см. след, раздел), В этом случае преднамеренно не выполняется общее требование о постоянстве соотношения компонентов мат­рицы и анализируемого вещества во время пробоотбора. Такие процедуры (обогащения пробы, концентрирования определяе­мого 3В и др.) особенно полезны при отборе проб воздуха, реже - воды, но не могут быть рекомендованы для матриц сложного и неизвестного состава (например, почв). В таких сложных условиях очень важен выбор адекватного способа пробоотбора, который определяется прежде всего агрегатным состоянием анализируемых веществ и сред, а также другими их физико-химическими свойствами. Выбор способа отбора пробы должны проводить опытные, квалифицированные работники, лучше всего те, которые несут ответст­венность за последующий анализ и оценку его результатов. Условия, ко­торые необходимо соблюдать при пробоотборе, настолько разнообразны, что нельзя дать подробных рекомендаций для всех случаев и в соответст­вии со всеми требованиями. Поэтому здесь приводятся лишь наиболее важные общие принципы и правила. В любом случае проба, взятая для анализа, должна отражать типичные условия места и времени ее взятия. Отбор пробы, а также последующие хранение, транспортировка, пробоподготовка и аналитическая работа с ней должны проводиться так, чтобы не произошло заметных изменений в содержании определяемых компонентов (3В) или в свойствах содержа­щей ее среды (тары). Соответственно цели анализа применяют разовый или серийный про­боотбор. При разовом отборе пробу берут один раз в определенном месте и рассматривают результат одного анализа. Этот способ применяется в редких случаях, когда результатов одного анализа достаточно для сужде­ния о качестве исследуемой среды (при постоянстве ее свойств, например в глубинных фунтовых водах или в случае первичных полевых оценок). В большинстве случаев, когда этого недостаточно, применяют серийный отбор проб, при котором каждая проба берется в связи с остальными. При анализе серии проб определяется изменение содержания наблюдаемых компонентов с учетом их места нахождения, времени отбора или обоих этих факторов. В результате получают соответствующее количество ре­зультатов, которые статистически обрабатывают и оценивают. Получен­ные данные являются более правильными по сравнению с результатами разового отбора, а их точность зависит от числа проб в серии.

Типичным примером серийного отбора проб является зональный от­бор. При нем пробы, например, воды отбирают с различных глубин по выбранному створу водоема. Другой вариант - серийный отбор через оп­ределенные промежутки времени. Особый тип серийного отбора представляют так называемые «согласо­ванные пробы», которые отбирают в различных местах по течению реки или сточных вод с учетом времени прохождения воды от одного пункта до другого. Пробы подразделяются на простые и смешанные. Простую пробу по­лучают путем однократного отбора всего требуемого количества образца анализируемой среды. Анализ простой пробы дает сведения о составе среды в данный момент в одном месте. Смешанную пробу получают, объединяя простые пробы, взятые в одном и том же месте через опреде­ленные промежутки времени или отобранные в различных местах обсле­дуемого объекта. Такая проба должна характеризовать средний состав среды или усредненный по времени состав или, наконец, «перекрестный» средний состав с учетом как места, так и времени. Ее получают смешени­ем равных частей простых проб, взятых через равные промежутки време­ни в таком количестве, чтобы окончательный объем смешанной пробы соответствовал требованиям анализа. Однако этот простой способ приго­ден только в том случае, если все точки исследуемого объекта равноцен­ны, а его динамика равномерна. Если же это не так, то готовят среднюю пропорциональную пробу из различных объемов (количеств) проб, взятых через равные промежутки времени, или же из равных объемов проб, взятых через разные интервалы времени, но таким образом, чтобы их объем или число соответствовали местным колебаниям (изменениям) изучаемых свойств. Средняя проба тем точнее, чем меньше интервалы между отдельно взятыми составляю­щими ее пробами. Наилучший результат усреднения можно получить, ав­томатизируя непрерывный отбор проб. Смешанную пробу не рекомендуется отбирать за период времени, превышающий сутки. Ее нельзя применять при определении компонентов или характеристик среды, легко подвергающихся изменениям (например, для воды - растворенные газы, рН и т.п.). Такие определения делают в каждой составляющей пробы отдельно. Также смешанную пробу нельзя составлять и в том случае, если характер среды резко (Меняется во време­ни или так, что отдельные составляющие пробы вступают во взаимодей­ствие или изменяется их физическое состояние и т.д.

23. Характеристика атмотехногенного загрязнения снежного покрова. Определение свинца вольт-амперометрическим методом. Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из атмосферы на земную поверхность 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 и отчасти степной зон. Для анализа загрязнения снежного покрова проводят его разделение на растворимые не растворимые фракции с помощью специальных фильтров. 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 (см. рис. 3) и в 2-3 раза контрастнее ореолов в атмосферном воздухе. Определение свинца вольт-амперометрическим методом. Свинец применяемся в производстве кабелей, в химическом машино­строении, для получения тетраэтилсвинца и свинцовых пигментов, свинец яв­ляется компонентом различных сплавов. Свинец и его оксиды применяются также в производстве аккумуляторов, для изготовления красок и лаков, в производстве стекла, глазури, эмали, олифы, в резиновой промышленности, в полиграфии, в производстве спичек. Соединения свинца используются в пиро­технике, для изготовления фотосопротивлений, в производстве пластмасс в качестве стабилизатора, в производстве пестицидов, как взрывчатое вещество во взрывателях и детонаторах. Техногенными источниками попадания свинца в окружающую среду являются выбросы продуктов, образующихся при высокотемпературных тех­нологических процессах, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, сточные воды, добыча и переработка металла, транспортировка, истирание и рассеивание его во время работы машин и механизмов. Содержание свинца в атмосфере городов возрастает ежегодно на 2 мкг/м³, в сельской местности - на 0,5 мкг/м³. У человека и животных свинец вызывает хроническое отравление с разнообразными клиническими проявлениями: обладает способностью пора­жать центральную и периферическую нервную систему, костный мозг, кровь, сосуды, генетический аппарат клетки. Содержание свинца в окружающей среде нормируется: • в атмосферном воздухе ПД К_с._с. - 0,0003 мг/м³ (1 класс опасности); • в воздухе рабочей зоны ПДК_р._з. - 0,01 мг/м³ (1 класс опасности); • в воде водоемов хозяйственно-бытового водопользования ПДКв.-0,03 мг/ дм³ (2 класс опасности); • в воде водоемов рыбохозяйственного водопользования ПДКр.в. - О Л мг/дм³; • в почве сельхозугодий валовое содержание ПДКп - 32 мг/кг: « в пищевых продуктах: рыбных - 1 мг/кг: мясных - 0,5 мг/кг: молочных - 0.05 мг/кг: в хлебе и зерне - 0,2 мг/кг; овощах - 0_;5 мг/кг: фруктах - 0.04 мг/кг.

25. Основные тенденции изменения состояния биосферы к 2030 году.

Характеристика

Сокращение площади естественных экосистем

Потребление первичной биологической продукции

Изменение концентрации парниковых газов в атмосфере

Истощение озонового слоя, рост озоновой дыры в Антарктиде

Сокpащение площади лесов, особенно тропических

Опустынивание

Деградация земель

Повышение уровня океана

Стихийные бедствия, техногенные аварии

Исчезновение биологических видов

Качественное истощение вод суши

Накопление поллютантов в средах и организмах, миграция в трофических цепочках

Тенденция 1972-1992 гг

Сокращение со скоростью 0,5-1,0% в год на суше; к началу 1990-х гг. их сохранилось около 40%

Рост потребления: 40% на суше, 25% - глобальный (оценка 1985 г.)

Рост концентрации парниковых газов от десятых процента до первых про центов ежегодно

Истощение на 1-2% в год озонового слоя, pост площади озоновых дыp

Сокpащение со скоpостью от 117 (1980 г.) до 180+20 тыс. кв. км (1989 г.) в год; лесовосстановление относится к сведению как 1:10

Расширение площади пустынь (60 тыс. кв. км в год), рост техногенного опустынивания, токсичных пустынь

Рост эрозии (24 млрд. т ежегодно), снижение плодородия, накопление загрязнителей, закисление, засоление

Подъем уровня океана на 1-2 мм/год

Рост числа на 3-5%, рост ущерба на 5-10%, рост количества жертв на 6-12% в год

Быстрое исчезновение биологических видов

Рост объемов сточных вод, точечных и площадных источников загрязнения, числа поллютантов и их концентрации

Рост массы и числа поллютантов, накопленных в средах и организмах, рост радиоактивности среды, "химические бомбы"

Сценарий 2030 г.

Сохранение тенденции, приближение к почти полной ликвидации на суше

Рост потребления: 80-85% на суше, 50-60% глобальный

Рост концентрации, ускорение роста концентрации CO2 и СH4 за счет ускорения разрушения биоты

Сохpанение тенденции даже пpи пpекpащении выбpосов ХФУ к 2000 г.

Сохранение тенденции, сокращение площади лесов в тропиках с 18 (1990 г.) до 9-11 млн. кв. км, сокращение площади лесов умеренного пояса

Сохранение тенденции, возможен рост темпов за счет уменьшения влагооборота на суше и накопления поллютантов в почвах

Сохранение тенденции, рост эрозии и загрязнения, сокращение сельскохозяйственных земель на душу населения

Сохранение тенденции, возможно ускорение подъема уровня до 7 мм/год

Сохранение и усиление тенденций

Усиление тенденции по мере разрушения биосферы

Сохранение и нарастание тенденции

Сохранение тенденций и возможное их усиление