Техногенные системы и экологические риски (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Л. А. Алаева

ТЕХНОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ

Учебное пособие

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

1

Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 2 сентября 2011 г., протокол № 1.

Рецензент канд. биол. наук, старший преподаватель кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами Н.С. Горбунова

Учебное пособие подготовлено на кафедре экологии и земельных ресурсов биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 3-го, 4-го курсов дневного отделения биоло- го-почвенного факультета.

Для направления: 022000 – экология и природопользование.

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Экосистема – основная функциональная единица в экологии, единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, гидросфера), в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществом и энергией. Самая масштабная экосистема на планете Земля – биосфера. Однако интенсивное развитие хозяйственной деятельности людей (потребности – производство – потребление) привело к преобразованию биосферы в техносферу.

Та часть биосферы, которая преобразована людьми с помощью прямого и опосредованного воздействия технических средств в целях соответствия социально-экономическим потребностям человечества, называется техносфера. Техносфера представляет собой совокупность всех техногенных систем на поверхности Земли.

Техногенная система – это совокупность элементов экосистемы и антропогенных элементов (постройки, транспортные системы, разработки месторождений полезных ископаемых и др.). Для всех техногенных систем характерно загрязнение разных видов и масштабов. Одним из основных направлений установления негативного воздействия и его снижения является комплексная система слежения (мониторинг) состояния всех компонентов биосферы.

В настоящее учебное пособие включены лабораторные работы по исследованию воды и атмосферного воздуха, которые являются миграционными средами, и почвы, которая представляет собой наиболее объективный и стабильный индикатор техногенного загрязнения окружающей среды. Представленные работы используются для учебного процесса в рамках проведения лабораторных работ «Техногенные системы и экологические риски» в группах. Также они могут быть использованы для более углубленного изучения химических и физико-химических свойств окружающей среды при написании курсовых, дипломных работ.

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОЗДУХА

Одними из основных загрязнителей воздуха являются оксиды углерода: СО и СО2. Антропогенными источниками монооксида углерода являются автотранспорт, промышленные печи, котельные. Среднее время пребывания СО в атмосфере составляет примерно 6 месяцев. В России ПДК СО в атмосферном воздухе населенных мест составляет: максимальная разовая – мг/м3, среднесуточная – 3 мг/м3. Содержание в атмосферном воздухе диоксида углерода в последние 100–200 лет значительно возросло в связи с увеличением количества ежегодносжигаемого природного топлива. Попавший в атмосферу СО2 находится в ней 2–4 года и за это время распростра-

4

няется повсеместно по всей земной поверхности. Рассмотрим методики определения этих газов.

1.1.Экспресс-метод определения СО2 в воздухе [1]

Воснове метода лежит реакция углекислого газа с раствором кальцинированной соды.

Ход определения.

1. В шприц объемом 100 мл набирают 20 мл 0,005%-го раствора соды с фенолфталеином (розовая окраска).

2. Шприцом с реакционной смесью засасывают 80 мл воздуха и встряхивают в течении 1 мин.

3. Если не произошло обесцвечивания раствора, воздух из шприца осторожно выжимают, оставив раствор, вновь набирают порцию воздуха и встряхивают еще 1 мин.

4. Эту операцию повторяют 3–4 раза, после чего добавляют воздух не-

большими порциями по 10–20 мл, каждый раз встряхивая содержимое

1мин до обесцвечивания раствора.

5.Подсчитав общий объем воздуха, прошедшего через шприц, определяют концентрацию СО2 в воздухе по данным, приведенным в табл. 1.

Таблица 1

Содержание СО2 в воздухе в зависимости от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005%-го раствора соды

В дальнейшем проводится сравнительное исследование изучаемого воздуха и воздуха открытой атмосферы, где содержание СО2 держится на уровне 0,04 % в городе и 0,03 % в сельской местности.

Реактивы

1.0,005%-й раствор кальцинированной соды: 0,005 г + 100 мл дистиллированной воды.

2.1%-й раствор фенолфталеина.

5

1.2. Определение загруженности улиц автотранспортом

Загрязнение воздуха отработанными газами автомобилей характеризуется значительной неравномерностью в пространстве и во времени. Поэтому очень важен оперативный и детальный учет интенсивности и структуры транспортных потоков, особенно в городах [2]. Санитарные требования по уровню загрязнения допускают поток транспорта в жилой зоне интенсивностью не более 200 автомобилей в час.

Ход определения

1.Студенты выбирают определенные участки разных улиц с односторонним движением (если движение двустороннее, то считается поток только в одну сторону).

2.Сбор материала может проводиться разово (освоение методики в рамках практического занятия), либо в разное время дня (часы пик, раннее утро, поздний вечер и т.д.) для углубленного изучения (курсовая, дипломная работы).

3.Учет загруженности ведется в табл. 2.

Таблица 2

Учет загруженности улиц автотранспортом

4.На каждой точке наблюдений проводится оценка улицы: тип улицы, уклон (определяется глазомером), скорость ветра и относительная влажность (из сводок о погоде в день определения), наличие защитной полосы из деревьев и т.п.

5.Итогом работы является суммарная оценка загруженности улиц автотранспортом согласно ГОСТ 17.2.2.03-77: низкая интенсивность движения – 3–8 тыс. автомобилей в сутки, средняя – 8–17 тыс., высокая – 18– 27 тыс. Производится сравнение суммарной загруженности различных улиц города в зависимости от типа автомобилей.

1.3. Расчетный метод определения концентрации монооксида углерода на примагистральных участках

Загрязнение атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей удобно оценивать по концентрации монооксида углерода в мг/м3 [2].

6

Ход определения

Оценку концентрации монооксида углерода на примагистральных участках городской проезжей части проводят по формуле [2]:

Ксо = (0,5 + 0,01 N · Кт) · Ку · Ка · Кс · Кв · Кп,

где 0,5 – фоновое загрязнение атмосферного воздуха нетранспортного происхождения, мг/м3;

N – суммарная интенсивность движения автомобилей на городской дороге, автомобилей в час;

Кт – коэффициент токсичности автомобилей по выбросам в атмосферный воздух СО;

Ку – коэффициент, учитывающий изменение загрязнения атмосферного воздуха СО в зависимости от величины продольного уклона (табл. 4);

Ка – коэффициент, учитывающий аэрацию местности (табл. 5); Кс – коэффициент, учитывающий изменения концентрации СО в зави-

симости от скорости ветра (табл. 6); Кв – коэффициент, учитывающий изменения концентрации СО в зави-

симости от влажности воздуха (табл. 7); Кп – коэффициент, учитывающий увеличение концентрации СО в воз-

духе у перекрестков (табл. 8).

Коэффициент токсичности автомобилей определяется как средневзвешенный для потока автомобилей по формуле

Кт = ∑ Рi · KTi ,

Например, на исследуемом участке интенсивность движения составила 500 автомобилей в час (N). Состав автотранспорта: 10 % приходится на лег-

7

кий грузовой, 10 % – на средний грузовой, 5 % – на тяжелый грузовой, 5 % – на автобусы, 70 % – на легковые автомобили. Тогда величину Кт находим по следующему выражению:

Кт = 0,1· 2,3 + 0,1· 2,9 + 0,05 · 0,2 + 0,05 · 3,7 + 0,7 · 1 = 1,41

ПДК выбросов от автотранспорта по СО равен 5 мг/м3.

8

2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОЧВ

Почва является неотъемлемой частью всех техногенных систем. В независимости от их вида почва выполняет ряд функций. Например, в урбагеохимических провинциях (городские техногенные системы) почва выполняет следующие экологические функции (см. табл. 9).

Благодаря специфическим биогеохимическим свойствам и высокой активной поверхности тонкодисперсной части почва является «депо», задерживающим загрязняющие вещества, и одновременно выступает важнейшим биогеохимическим барьером для многих из них (ТМ, пестицидов, нефтепродуктов и т.д.) на пути миграции из атмосферы техногенных систем в грунтовые и поверхностные воды.

При контроле химического и физико-химического состояний почв важно правильно выбрать тестовые участки. Принципы выбора точек пробоотбора на фоновой и загрязненной территории различаются. На фоновой территории местоположение тестовых участков определяют в зависимости от ландшафтных особенностей района, для чего проводится рекогносцировочное обследование территории. При этом характеризуются все экологические условия почвообразования (климат, рельеф, почвообразующие породы, растительность и др.). Характер миграции элементов определяется родом геохимического ландшафта. Наиболее распространены следующие три рода:

1-й род – плоские равнины с замедленным водообменом, слабым эрозионным расчленением или без него. Это приморские низменности, аллювиальные равнины, недренированные плато и др.;

2-й род – чередование плоских поверхностей со склонами. При этом поверхностный и подземный сток более энергичен. Это эрозионные возвышенности, расчлененные плато;

9

3-й род – склоновые участки, плоских поверхностей почти нет. Характеризуются энергичным водообменом.

Для ландшафтов 1-го рода при отсутствии выраженных зон аккумуляции элементов, обусловленных рельефом, местоположение участка зависит только от свойств почвы. Анализу подлежат почвы с различной буферной способностью к загрязнению.

Для ландшафтов 2-го и 3-го родов выбор зон для тестовых участков определяется ландшафтно-геохимическими условиями. Тестовые участки располагаются и в аккумулятивном, и в элювиальном ландшафтах. К элювиальным ландшафтам приурочен контрольный тестовый участок. Содержание поллютантов в почвах аккумулятивных ландшафтов свидетельствует об их миграции в данных условиях.

На загрязненной территории точки для отбора проб почв размещают на разном расстоянии от источника загрязнения и с учетом розы ветров. Частота размещения точек опробования больше вблизи источника загрязнения (50, 100, 200, 300 м) и сокращается по мере удаления. Форма ареала обследования не является кругом, а представляет собой неправильную фигуру, вытянутую по розе ветров. При выборе точек опробования принимают во внимание категорию сложности организации ландшафта и структуру почвенного покрова так, как это учитывается при почвенном картировании.

На тестовых участках проводятся регулярные и периодические наблюдения. На основе многолетних исследований установлено, что повторное определение подвижных форм контролируемых элементов целесообразно проводить через несколько лет (1–5). Периодичность определяется степенью промышленной освоенности территории, удаленностью от крупных загрязняющих объектов, особенностями контролируемого элемента.

Среди контролируемых показателей состояния почв (индикаторов) различают две группы: биохимические, или прямые (общее содержание загрязняющих веществ), и педохимические, или косвенные (все важнейшие химические и физико-химические свойства почвы). Если прямые показатели загрязнения информативны при оценке выполнения почвами их защитных функций в экосистеме, то косвенные показатели загрязнения в большей мере отражают способность почв обеспечивать плодородие. Контроль последних эффективен как при выявлении деградации почв, так и при характеристике устойчивости почв к загрязнению и прогнозе последствий загрязнения почв. Для мониторинга изменений свойств почв в результате загрязнения рекомендуется следующий набор показателей: кислотноосновные свойства (рНвод, рНсол, гидролитическая кислотности), содержание подвижных форм азота, фосфора, калия, показатели ферментативной активности, гумусного состояния почв (общее содержание гумуса, групповой состав, лабильный гумус), состав обменных катионов и степень насыщенности почв основаниями, содержание легкорастворимых солей.

10