ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 4, с. 329-336
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 550.42/502.175
ОЦЕНКА ВОЗРАСТА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГРУНТОВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТИРОВАНИЯ ПО СОДЕРЖАНИЮ ЦЕЗИЯ-137
© 2014 г. А. А. Селезнев, И. В. Ярмошенко, А. Н. Медведев
Институт промышленной экологии УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 20, г. Екатеринбург, 620990 Россия. E-mail: seleznev@ecko.uran.ru
Поступила в редакцию 15.05.2012 г. После исправления 29.03.2013 г.
Предложен подход по определению возраста загрязнения грунтов городского ландшафта по содержанию в них радионуклида цезий-137, реализуемый при исследовании загрязнения отложений пониженных участков рельефа. Проведено сравнение удельной активности (УА) цезия-137 и содержания металлов - свинца, цинка, железа в отложениях пониженных участков рельефа г. Екатеринбурга, установлен возраст загрязнения грунтов. Анализ зависимости концентрации металла от УА цезия-137 позволяет выявить металлы-загрязнители в городской среде, провести оценку их характерной фоновой концентрации в городских отложениях, не связанной с загрязнением и годового поступления металлов в различные периоды времени.
Ключевые слова: отложения пониженных участков рельефа, загрязнение, тяжелые металлы, цезий-137.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании загрязнений в урбанизированной среде возникают определенные сложности по сравнению с другими средами. В существующей классификации экосистем [6, 8, 9, 13, 14] урбанизированная среда представляет собой искусственную наземную экосистему со специфическим характером регуляции. Урбанизированную среду составляют территории городов, поселков, включая промышленные предприятия и рекреационные зоны. Принципиальным отличием урбанизированной экосистемы является перманентно высокая скорость изменения ее компонентов в результате антропогенных процессов. Зачастую для городской среды характерны экстремальные уровни загрязнения ее объектов.
На процессы перераспределения загрязняющих веществ могут влиять следующие геоморфологические особенности городской территории: ландшафт, сформировавшийся в результате мероприятий по застройке и планировке территории, образование искусственных склонов, устройство водотоков и дренажных канав. Такие антропогенные факторы, как уборка территории, выкос травы, вывоз мусора, высаживание и выкорчевыва-
ние деревьев и кустарников, также могут влиять на перераспределение загрязнений.
В мировой практике для оценки экологического состояния урбанизированной среды исследуют источники антропогенного воздействия и составляющие ее компоненты: изучают загрязнение почвы, снега, атмосферного воздуха, водных и других объектов. Определяют уровни загрязнения, закономерности миграции и временных изменений, пространственную вариабельность, проводят оценку экспозиции, экологического риска для населения, оценку иных возможных последствий загрязнения [14, 17].
Такие компоненты окружающей среды, как почва, снежный покров, донные отложения водных объектов, рассматриваются в качестве сред, депонирующих загрязнение [14, 17]. При этом следует иметь в виду, что депонирующие среды отражают загрязнение с некоторой погрешностью. При изучении загрязнения атмосферного воздуха определяют содержание поллютантов в конкретный момент времени, зависящее в конкретной точке пространства не только от мощности выброса, но и от погодно-климатических условий и ряда других факторов. Получение же оценки среднегодо-
вого значения концентрации требует очень большого количества данных. Оценка распределения загрязнения по территории в этом случае весьма затруднительна. Изучение загрязнения снега как депонирующей среды целесообразно проводить только на территориях, характеризующихся наличием устойчивого снежного покрова в течение длительного времени. Загрязнение снега характеризует только непродолжительный период времени в году - несколько месяцев, относящихся к сезону устойчивого снежного покрова.
Определение содержания поллютантов в пробах почвы дает приближенную оценку загрязнения городской среды. Содержание поллютантов в почве кроме мощности выпадений зависит от миграционных процессов в окружающей среде и, что особенно важно в урбанизированной среде, от времени формирования поверхности, исходного состава, режима "эксплуатации" грунта. В соответствии с данными из "Ежегодника загрязнения почв городов Свердловской области токсикантами промышленного происхождения в 2010 году" [3], почвенно-экологические исследования в г. Екатеринбурге проводятся с отбором проб в рекреационных зонах, в парках, скверах, вдали от собственно зон селитебной застройки.
Если отбор проб грунта проводится в жилых дворах на территориях кварталов и жилых районов, то для интерпретации результата с оценкой динамики загрязнения необходимо иметь данные об условиях залегания грунта и времени его формирования. Различные участки одного и того же двора могут быть сформированы в периоды с разницей в несколько десятков лет. Кроме того, процессы миграции обусловлены не только переносом растворимой формы поллютанта, но и эрозией поверхностного слоя почвы, значительно увеличивающей неопределенность получаемых результатов.
Таким образом, для оценки загрязнения непосредственно жилых районов требуется разработка такого подхода, который учитывал бы как неравномерность времени формирования ландшафта в пределах изучаемой территории, так и миграционные процессы. В качестве одного из перспективных подходов можно рассмотреть изучение отложений пониженных участков рельефа [15].
Наличие пониженных участков рельефа, в частности луж, является характерной особенностью фактически каждого городского двора. Отложения на таких участках формируются в результате процессов эрозии почвы и гравитационного переноса частиц с поверхности площади
водосбора. Площадь водосбора пониженного участка рельефа включает участки, сформированные в различное время. При этом в урбанизированном ландшафте со временем меняются не только грунты, но и сами локальные водосборы. Таким образом, изучаемые отложения представляют собой объект, интегрирующий загрязнение по пространству поверхности водосбора и по времени формирования участков его поверхности с учетом изменений, которые происходили с ним. Содержание поллютанта в отложениях будет пропорционально интегралу по времени от мощности выпадения данного поллютанта за период от некоторого среднего эффективного времени формирования поверхности водосбора до времени отбора проб.
Оценка возраста участка городского ландшафта может быть проведена по уровню загрязнения радионуклидом цезий-13 7. Для этого необходимо иметь данные об интенсивности выпадения этого радионуклида в различные годы. Динамика загрязнения цезием-137 территории региона Среднего Урала была восстановлена по архивным данным за период времени 1945-2007 гг. [15]. В качестве источников архивной информации использованы данные мониторинга выпадений за период 1994-2007 гг. и данные контроля загрязнения цезием-137 естественного и сеяного сена за период 1965-1987 гг. в Свердловской области [1, 15]. Кроме того, использованы материалы по уровням загрязнения нуклидом цезий-137 северного полушария в период 1945-1984 гг. [5]. На рис. 1 показаны восстановленные уровни годовых выпадений радионуклида цезий-137 в регионе в пересчете на активность в 2007 г. (с учетом периода полураспада).
На рис. 1 явно выражены пики максимальных уровней выпадений радионуклида в 1963 и 1986 гг., соответствующие периодам интенсивного испытания ядерного оружия и аварии на Чернобыльской АЭС. Суммарное количество выпадений составляет 5.2 кБк/м2 с учетом периода полураспада радионуклида.
По этим данным проведена оценка уровня накопления цезия-137 в верхнем слое грунта при известной скорости вертикальной миграции нуклида 0.5 см/год [7, 12, 15, 16]. Значения удельной активности (УА) цезия-137 в верхнем 5-сантиметровом слое ненарушенного грунта в зависимости от года начала формирования поверхности показаны на рис. 2. Предполагаем, что на год начала формирования поверхности активность нуклида равна нулю.
700 | 600
% £500 ||400
I 300
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Годы
Рис. 1. Восстановленные по архивным данным уровни годовых выпадений радионуклида цезий-137 в Уральском регионе в пересчете на 2007 г. (с учетом периода полураспада).
Согласно проведенным оценкам, можно сделать вывод, что в 2007 г. поверхность, сформировавшаяся в 1950-1960-е годы и ненарушенная до настоящего времени, имеет уровень загрязнения верхнего 5-сантиметрового слоя радионуклидом цезий-137 около 120 Бк/кг. Поверхность, сформировавшаяся в годы, предшествовавшие чернобыльской аварии, имеет содержание цезия-137 40-60 Бк/кг. Грунты, загрязнение которых началось после 1990 г., имеют содержание цезия-137 менее 10 Бк/кг. Участки резкого изменения УА цезия-137 на графике (см. рис. 2) соответствуют периодам интенсивных испытаний ядерного оружия в первой половине 1960-х годов и Чернобыльской аварии в 1986 г. [5].
Результаты восстановления динамики выпадений и загрязнения поверхностного слоя почвы подтверждаются результатами измерения УА це-зия-137 на ненарушенных участках в г. Екатеринбурге; УА цезия-137 в слое почвы 0-5 см составила 120-136 Бк/кг.
В настоящей работе проведено сравнение УА цезия-137 и содержания ряда металлов в отложе-
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Годы
Рис. 2. Удельная активность цезия-137 в верхнем 5-сантиметровом слое грунта (на 2007 г.).
ниях пониженных участков рельефа г. Екатеринбурга, выполнена оценка возраста загрязнения грунтов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Город Екатеринбург расположен в центральной части Евразии на восточном склоне Уральских гор, по берегам р. Исеть; население 1.4 млн. человек. Город находится в зоне умеренно-континентального климата с ярко выраженными изменчивостью погодных условий и сезонами года.
Основные источники загрязнения атмосферы в городе - предприятия машиностроения и металлообработки, металлургии, электроэнергетики, химии и нефтехимии, по производству стройматериалов, автомобильный и железнодорожный транспорт. Предпр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.