Зкологмеескмй мониторинг
ОЦЕНКА МИГРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО НИКЕЛЯ И МЕДИ ПО ВЕРТИКАЛЬНОМУ ПРОФИЛЮ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
Н. Е. Раткин, А. В. Шаблова
Институт проблем промышленной экологии
Севера КНЦРАН
Рассматривается динамика содержания растворимых солей загрязняющих веществ по вертикальному профилю снежной толщи в течение зимнего периода на Кольском полу- острове. Выявляются факторы, определяющие миграцию никеля и меди из снега в почву и наоборот, и направление миграции растворенного вещества к моменту таяния снежного покрова.
The paper considers dynamics of polluting soluble salts content in the vertical profile of snow cover in the winter period on the Kola Peninsula. Factors determining nickel and copper migration from snow to soil and vice versa and dissolved substances migration direction by the moment of snow melt are revealed.
Гидрохимическое изучение снежного покрова начато более 60 лет назад и в последнее время привлекает внимание многих исследователей в связи с проблемами аэротехногенного загрязнения подстилающей поверхности. Изучение химического состава снега и его изменения во времени производилось в основном для выявления ареалов и определения уровня загрязнения территории, обусловленного поступлением загрязняющих веществ из атмосферы в результате их выбросов в атмосферный воздух промышленными источниками. В результате этого успешно решались задачи по изучению воздушного загрязнения территории бывшего СССР промышленными выбросами как на больших, так и на малых расстояниях от источника выбросов [1—9].
Большинством исследователей не анализировалось распределение и динамика содержания растворенных химических элементов по вертикальному профилю снежной толщи в течение зимнего периода, хотя исследования в этом направлении уже имеются. Так, транспортировка солей техногенного происхождения из почвы в снег отмечена в работе Н. П. Анисимовой и Т. В. Головановой [10]. Известны исследования распределения содержания растворенных веществ по профилю снежного покрова, выполненные В. И. Федосеевой, В. Н. Макаровым и Н. Ф. Федосеевым [11] которые показали возможность переноса вещества из снега в почву.
Таким образом, хотя снежный покров и отражает по мнению многих авторов реальную величину накопления вещества в снеге к моменту снеготаяния, однако не исключена возможность недоучета или переуче-
та содержания вещества в снеге аэротехногенного происхождения в результате миграции химического элемента из снега в почву или из почвы в снег, соответственно.
Поэтому актуальным является изучение аэротехногенного загрязнения снежного покрова тяжелыми металлами к моменту снеготаяния.
Материалы и методы. В основу данной работы положены результаты гидрохимического опробования снежного покрова, выполненного в окрестностях ГМК «Севе-роникель» в зимний период 1986 — 1987 гг.
В 25 км на юг от ГМК «Североникель», в долине реки Курка, расположенной в зоне северной тайги и покрытой еловым лесом с примесью березы и осины, перед установлением снежного покрова были оборудованы две площадки, представляющие собой участки размером 3,0x2,0 м. С поверхности участков дерн срезался до почвы, которая зачищалась и выравнивалась. Для того чтобы исключить контакт снега с почвой, на одной из площадок использовалась кювета из органического материала толщиной 5 мм, размером 3,0x2,0 м и высотой стенок 20 см. Таким образом, кювета исключала контакт снега с почвой, а высота стенок делала невозможным влияние горизонтальной миграции вещества на его содержание в нижнем слое снежного покрова, мощность которого равнялась высоте стенки.
Пробы снега на гидрохимический анализ отбирались весовым снегомером ВС-43 на площадке с кюветкой и на открытой площадке для проведения сравнительного анализа. Одновременно с отбором проб снега по зачищенным стенкам шурфов определялась структура снега по слоям, измерялась температура воздуха и снега на контактах слоях; измерялась плотность слоев и общая высота снежного покрова [12]. Для обеспечения необходимого количества влаги при проведении химического анализа отбор проб снега по слоям производился троекратно.
До проведения химического анализа пробы снега хранились в неотапливаемом помещении в полиэтиленовых мешках, затем при комнатной температуре в течение 16 — 18 час. снег таял и сразу же пробы пропускались через фильтр «синяя лента». Катионы металлов в жидкой части определялись из 500 мл подкисленного соляной кислотой фильтрата. В пробу добавляли H2SO4 [13] из расчета 2 мл на 500 мл пробы, затем добавляли надсер-
нокислый аммоний — 1 г на 500 мл пробы для разрушения металлорганических соединений. Пробу упаривали до 15 — 20 мл. Катионы металлов никеля и меди определяли в фильтрате атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААС-2. Чувствительность метода 0,1 мкг/л, точность определения ±5%.
Результаты и обсуждение. Устойчивый снежный покров в районе исследований установился 12 ноября 1986 г. К моменту первого отбора проб снега (13.01.87) высота снежного покрова на обеих площадках составила 54 см. Снег подвергся перекристаллизационным процессам. По структуре в снежной толще на обеих площадках были выделены три слоя. Нижний слой — контрольный, мощностью 20 см и равный высоте стенок кюветы, представлял собой крупно- и среднезернистый снег и состоял в основном из округлых ледяных зерен размером от 2,5 до 3,0 мм. Мощность среднего слоя составляла также 20 см, который был сложен средне- и мелкозернистым снегом с преобладающим размером зерен 1,5 — 2 мм. Верхний слой, высотой 14 см, слагался из мелкозернистого (размер зерен менее 1 мм) и метелевого снега. К моменту последнего отбора проб снега (28.04.87) нижний контрольный слой представлял собой глубинную изморозь, а средний — крупнозернистый снег. Мощность верхнего слоя изменялась во времени в зависимости от количества выпадающих осадков и интенсивности метеле-вого переноса (табл. 1).
Отбор проб снега на гидрохимический анализ в течение зимы осуществлялся отдельно по каждому выделенному слою на естественной площадке и на кювете. Причем, мощность среднего и нижнего слоев оставалась постоянной и составляла, как было сказано выше, 20 см.
Измерения температуры на контактах верхнего слоя с атмосферным воздухом (Ь), среднего с верхним ^2), нижнего со средним ^з) и нижнего слоя с почвой и кюветой выявили, что температурный режим снежной толщи в течение зимы был одинаков на обеих площадках. Плотность слоев, мощность которых была приблизительно одинакова и на кювете и на естественной почвенной площадке, также практически не различалась (см. табл. 1). Таким образом, кювета на процессы перекристаллизации снежного покрова влияния не оказывала.
Изучение поверхностных свойств дисперсного льда различными методами позволило прийти к распространенному теперь мнению о существовании на поверхности льда так называемой жидкоподобной пленки, обладающей физико-химическими свойствами, промежуточными между свойствами объемных фаз воды и льда, растворяющая способность которой выше, чем свободной, несвязанной воды [11].
Согласно теоретическим расчетам Б. П. Вейнбергат [13], для невского пресного льда толщина жидкой прослойки при размере зерен 8 мм и температуре —2°С составляет 0,0003 см; 0,0001 см — при -7 °С и 0,00003 — при -22 °С.
На основании этого можно предположить, что в образцах снега, которые отбирались с опытных площадок, наличие растворимых солей никеля и меди обусловлено растворением их в жидком подобном слое на поверхности кристаллов.
Возникновение градиентов концентрации, плотности и температуры, понижение температуры кристаллизации в зависимости от концентрации растворенных солей N1 и Си обуславливает их движение (миграцию) в жидкоподобной пленке. В нижнем и среднем слоях на площадке с кюветой в период с 13.01.87 по 3.03.87 гг. наблюдалось монотонное увеличение концентраций солей никеля и меди (табл. 2).
Таблица 1
Температурный режим снежной толщи и плотность снега по слоям в окрестностях ГМК «Североникель» (зима 1986—1987 гг.)
Дата Высота снега, см Температура (1) по слоям, С° Плотность слоя (р), г/см
11 12 13 14 р1 р2 р3
Площадка с кюветкой
13.01 54 -4,1 -6,5 -5,8 -3,8 0,08 0,18 0,25
23.01 46 -20,5 -15,2 -11,0 -5,1 0,06 0,16 0,23
06.02 46 -15,0 -13,2 -7,3 -3,9 0,08 0,17 0,28
03.03 60 -27,4 -24,3 -11,1 -5,8 0,12 0,21 0,28
11.03 75 -9,0 -5,8 -2,8 -2,4 0,12 0,27 0,33
03.04 85 -1,1 -0,8 -1,7 -1,4 0,20 0,28 0,32
14.04 83 -0,6 -0,7 -1,2 -1,4 0,21 0,28 0,31
21.04 74 -6,4 -3,8 -2,2 -1,3 0,19 0,32 0,34
28.04 78 2,8 -0,2 -0,5 -0,8 0,29 0,29 0,35
Открытая площадка
13.01 54 -4,1 -6,5 -5,8 -3,8 0,08 0,18 0,25
23.01 45 -20,3 -15,4 -11,1 -4,9 0,08 0,19 0,24
06.02 51 -15,0 -14,5 -7,0 -4,0 0,09 0,16 0,25
03.03 60 -27,4 -24,1 -9,9 -5,6 0,12 0,18 0,26
11.03 78 -9,0 -5,6 -3,0 -2,0 0,10 0,20 0,27
03.04 84 -1,2 -0,7 -1,5 -1,2 0,13 0,22 0,30
14.04 76 -0,5 -0,7 -1,1 -1,2 0,24 0,23 0,30
21.04 68 -6,0 -5,0 -2,4 -1,0 0,23 0,30 0,35
28.04 76 2,8 -0,3 - 0,4 -0,8 0,30 0,29 0,38
Примечание. Температура снега (О: на контакте снег — воздух 0:0, на контакте верхнего слоя со средним (Ь), на контакте среднего слоя с нижним 03), на контакте нижнего слоя с почвой 04); плотность снега (р): верхнего слоя (р1), среднего слоя (р2), нижнего слоя (р3).
В результате низких среднесуточных температур воздуха за рассматриваемый период и отсутствия солнечной радиации происходило постепенное выхолаживание снежного покрова, в результате чего количество жидкоподобной фазы в снеге уме-
ньшилось, и, очевидно, сформировался градиент концентрации, под действием которого соли мигрировали из верхнего слоя в средний и из среднего в нижний. В средний слой металлы № и Си поступали с интенсивностью 0,6 мкг/сут, в нижний
Таблица 2
Динамика концентраций № и ^ в фильтрате на экспериментальных площадках, мкг/л (зима 1986—1987 гг.)
Дата N11 N12 N13 Си1 Си2 Си3
Площадка с кюветкой
13.01 75,0 12,3 18,7 40,5 22,3 25,6
23.01 66,0 25,0 23,8 43,2 24,0 26,2
06.02 65,0 28,8 30,0 115,0 28,4 29,0
03.03 67,2 48,0 33,6 134,4 48,0 42,0
11.03 87,5 65,0 33,0 237,5 150,0 30,0
03.04 50,0 7
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.