Study of snow cover pollution in St. Petersburg
Study of snow cover pollution in St. Petersburg
Abstract
At present, atmospheric air pollution is one of the main problems of large cities and industrial centres. In winter, pollutants, settling, accumulate and concentrate on the surface of the snow cover, and then get into the urban soil with melt water. In the spring period, the excess of substances can lead to degradation of vegetation cover, up to its complete destruction. The article presents the results of the study of urban areas of large cities, on the example of St. Petersburg, in order to identify the most polluted areas, analysed the results of the study of snow cover on several indicators. On the basis of the data and the analyses carried out, measures have been developed and recommended reducing the negative impact of snow cover pollution on soil and vegetation.
1. Введение
Наибольшее негативное воздействие со стороны человека приходится на городские территории и промышленные зоны. Именно здесь сосредоточены наибольшая часть населения и комплексы различных промышленных предприятий, которые негативно воздействуют на все компоненты окружающей среды. Несмотря на используемые очистные сооружения и устройства, попадающие в атмосферный воздух загрязняющие вещества могут превышать нормативные допустимые значения, что приводит к снижению качества городской среды и росту заболеваемости населения. В летний период концентрирующиеся загрязнения на поверхности городской почвы приводят к деградации почвенного покрова, возникновению лимитирующего фактора для отдельных видов растительности, вызывает формирование редкого растительного слоя и, в дальнейшем, его исчезновения. В зимний период накопление загрязнений происходит на поверхности снежного покрова.
Особую опасность представляет поверхностный поток, образующийся в период весеннего снеготаяния. Насыщенные взвесями и мельчайшими твердыми и загрязняющими частицами талые воды в весенний период транспортируют накопленные за всю зиму загрязнения по городским территориям, нередко попадая в близлежащий водоем или проникая в грунтовые воды . Ученые давно заметили, что снежный покров позволяет оценить загрязненность атмосферного воздуха городской среды, что позволит наиболее эффективно разработать природоохранные мероприятия по устранению или предотвращению загрязнения.
Различают несколько типов снежного покрова: временный и продолжительный. Временный снежный покров, формирующийся в период первых выпадений твердых осадков, остается на поверхности от нескольких часов до нескольких дней. Такой снежный покров не успевает накопить достаточное для проведения мониторинга количество загрязняющих веществ. Наиболее информативным является изучение устоявшегося снежного покрова, пролежавшего на поверхности длительный период времени. Такой снег, как правило, со временем меняет цвет с белоснежного на серый или черный.
При проведении исследований следует помнить, что снежный покров имеет слоистую структуру, которая зависит от частоты и обилия выпадающих осадков, количества дошедшей до него солнечной радиации, ветровых воздействий, а также от температурных перепадов. Под влиянием перечисленных факторов также меняется высота и плотность снежного покрова , , , .
Экологическая обстановка города влияет в первую очередь на социально-экономические условия жизни населения и экологическую безопасность его жизнедеятельности. На урбанизированных территориях жители, с одной стороны, имеют возможность обеспечить себя всем необходимым и иметь высокий уровень удовлетворения своих потребностей. С другой стороны, являясь центром развития различных производств, их концентрацией на ограниченной территории, урбанизированные территории страдают от антропогенных нагрузок, имеют высокий уровень загрязненности и низкий уровень качества окружающей среды , , , .
На территории Санкт-Петербурга основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются тепловые электростанции, нефтеперерабатывающие заводы, а также автомобильный транспорт. Наибольшие загрязнения образуются под действием автотранспорта. От этого источника на поверхность снежного покрова, попадают продукты сгорания топлива, дорожная пыль, горюче-смазочные материалы. По данным метеорологических и мониторинговых служб города Санкт-Петербург , , , , в атмосферный воздух города попадает более 600 тыс. тонн загрязняющих веществ ежегодно, из них более 550 тыс. тонн приходится на автотранспорт (более 91%). К началу весеннего периода снежный покров вдоль проезжей части представляет собой смесь загрязняющих веществ и различных противогололедных реагентов, используемых службами благоустройства.
Распространение загрязнений почв зависит от зоны распространения загрязнений в атмосферном воздухе, так как является вторичным загрязнением. На рисунке 1 отражены зоны наибольшего загрязнения атмосферного воздуха по данным , , , . Можно предположить, что загрязненность грунта будет выше в местах влияния атмосферных загрязняющих веществ, осевших на грунт или выпавших вместе с атмосферными осадками.
Особенностью почв города Санкт-Петербурга является неоднородность грунта, что связано с историческими особенностями возникновения разных регионов. Исследование грунта , , показывает превышение санитарных норм в 4–10 раз чаще, чем в других регионах страны. Для таких загрязненных участков необходимо особенно тщательно проводить исследования и разрабатывать различные мероприятия для минимизации загрязненности.
Еще одно особенностью города является близкое залегание грунтовых вод, которые нередко в весенний период и период обильных дождей выходят на поверхность. В результате чего накопленные на поверхности грунта загрязнения напрямую попадают с поверхностными водами в реку Нева, которая является основным источником питьевой воды для населения, и в грунтовые воды.
Рисунок 1 - Карта воздействия неблагоприятных экологических факторов на территории города Санкт-Петербурга
Примечание: по ист. [19], [20], [21]
2. Методы и принципы исследования
Исследования загрязненности снежного покрова города Санкт-Петербург проводились в 2021–2023 годах. Исследования проводились в два этапа. Первый этап — изучение экологической обстановки города и особенностей компонентов окружающей среды. На основании выполненного анализа и с учетом рекомендаций был проведен выбор точек отбора проб снежного покрова. В места дальнейшего исследования загрязненности снежного покрова проводился анализ гранулометрического состава грунта , . Отбор грунта проводился в летний период до проведения основных исследований. Отбор проб осуществлялся методом «конверта» , далее грунт просеивался через набор сит для выявления наиболее мелких частиц грунта, которые являются самыми легкими и могут в первую очередь стать вторичным загрязнителем для снежных масс.
Второй этап включал в себя исследование проб по основным показателям.
Согласно методике , отбор снега производился в период максимального накопления влаги до периода интенсивного снеготаяния, то есть в конце февраля — начале марта. Участки в выбранных местах отбора выбирались с нетронутым снеговым покровом с учетом направлений господствующих ветров.
Для исследований были выбраны следующие участки.
В качестве 1 места отбора проб был выбран наиболее «частый», по мнению автора, участок — центральная часть лесопарковой зоны (парк «Таврический сад») (рис. 2). Здесь, предположительно, должно быть наименьшее воздействие со стороны основных источников загрязнения.
Вторым участком исследования загрязненности снежного покрова был выбран участок, расположенный вдоль автомобильной дороги с интенсивным движением (рис. 3) — Невский проспект. Данный участок позволит выявить степень влияния главного источника загрязняющих веществ – автомобильного транспорта.
Рисунок 2 - Первый участок исследований снежного покрова г. Санкт-Петербурга – Парк «Таврический сад»
Рисунок 3 - Второй участок исследований снежного покрова г. Санкт-Петербурга – Невский проспект
Рисунок 4 - Третий участок исследований снежного покрова г. Санкт-Петербурга – ООО «Известковые строительные смеси»
Рисунок 5 - Четвертый участок исследований снежного покрова г. Санкт-Петербурга – кампус СПбАСУ
В соответствии с методикой проведения исследований для определения прозрачности пробы снежной массы подвергали оттаиванию, затем необходимое для исследований количество талой воды помещали в прозрачную емкость. Через талую воду просматривали печатный текст, набранный жирным шрифтом кегль № 14. Перед замером воду обязательно подвергали взбалтыванию. О прозрачности судили по количеству взвешенных частиц органического и неорганического происхождения.
Цветность также определялась для талого образца пробы путем сравнения цвета жидкости на фоне белого листа бумаги. Как прозрачность, так и цветность образцов сравнивались с контрольным образцом — чистой питьевой водой, которая принималась за эталонный вариант.
Для определения присутствия/отсутствия запаха от пробы снежной массы талую воду помещали в чистый флакон с широким горлышком. Объем жидкости должен был составлять 2/3 объема емкости, затем накрывали емкость стеклом и аккуратно перемешивали. После чего, сдвигали стекло с поверхности емкости и определяли присутствие и интенсивность (по пятибалльной шкале) запаха талой воды.
Последним этапом исследований было фильтрование талой воды через бумажный фильтр и определения наличия примесей (рис.6).
Рисунок 6 - Вид талой снежной массы взятой в разных точках города Санкт-Петербурга:
а - 1 точка отбора; б - 2 точка отбора; в - 3 точка отбора; г - 4 точка отбора
Таблица 1 - Осредненные результаты исследования проб снежной массы
Показатель | 1 точка отбора | 2 точка отбора | 3 точка отбора | 4 точка отбора |
Прозрачность | Слегка мутная | Сильно мутная | Сильно мутная | Слегка мутная |
Цвет | Бесцветная | Светло-коричневая | Серо-коричневая | Бесцветная |
Запах | 1 | 3 | 5 | 2 |
Остаток на фильтре | - | + | + | + |
3. Основные результаты
Усредненные результаты исследования гранулометрического состава грунта по одному из выбранных мест отбора проб представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Осредненные результаты исследования проб грунта в точке 1
№ | Номер сита | Масса, г | Процентное соотношение, % | ||||
Обр.1 | Обр.2 | Обр.3 | Обр.1 | Обр.2 | Обр.3 | ||
1 | 3,2 | 5,9 | 22,7 | 5,27 | 0,70 | 3,65 | 0,46 |
2 | 2,5 | 3,8 | 25,5 | 2,82 | 0,46 | 4,25 | 0,25 |
3 | 1,25 | 11 | 85,73 | 34,83 | 1,32 | 14,29 | 3,04 |
4 | 0,63 | 22,53 | 122,4 | 150,28 | 2,70 | 20,40 | 13,10 |
5 | 0,315 | 116,91 | 236,14 | 486,47 | 14,03 | 39,36 | 42,40 |
6 | 0,16 | 564,85 | 125,9 | 457,60 | 67,80 | 20,99 | 39,89 |
7 | дно | 114 | 4,21 | 15,23 | 13,68 | 0,70 | 1,33 |
Общая масса | - | 838,99 | 622,58 | 1152,5 | 100 | 100 | 100 |
Модуль крупности | - | 1,12 | 2,39 | 1,77 | - | ||
По полученным данным можно сделать вывод о присутствии наименьшего количества частиц пыли и глины в образцах грунта в лесо-парковой зоне (от 0,59% до 2,04%). Наибольшее количество мелко дисперсных частиц было обнаружено вдоль автомобильных дорог (от 3,25%–8%).
Полученные результаты исследования проб снежного покрова подтвердили предположения о том, что снежный покров парковой зоны оказался наиболее чистым из всех исследованных. Запах данного образца был слабо различим, у некоторых проб этого места исследований запах совсем отсутствовал. На бумажном фильтре в большинстве проб отмечалось наличие небольшого количества осадка
Пробы, отобранные во второй точке отбора (около автомобильной дороги), как и предполагалось, показали себя сильно загрязненными. В этих пробах отмечается цветность талой воды и повышенная мутность. При фильтровании на бумажном фильтре эти талые воды оставили загрязнения, а также мелко и крупнодисперсный песок. Такой осадок характерен при попадании загрязнений с дорожной части. Ощутимый запах можно объяснить попаданием на снежный покров вместе с твердыми частицами горюче-смазочных материалов.
Самыми сильно загрязненными пробами снежного покрова оказались пробы, отобранные около промышленного предприятия. Как и предполагалось, наибольший вклад в загрязнение снега внесли выбросы предприятия в виде осаждающихся твердых частиц. Талая вода данных образцов имела грязный оттенок, а на бумажном фильтре остались не только частицы песка, но и характерные для выбросов предприятия частицы пыли — доломита. Талая вода отличается от остальных образцов ярко выраженным полимерным запахом.
4. Обсуждение
Ранее отмечалось, что грунты на территории университета (четвертое место исследований) характеризовались как сильнозагрязненные. Однако, исследование снежного покрова показали, что загрязнение данной территории на протяжении зимнего периода незначительно по сравнению с 2 и 3 точками отбора проб. Талые воды от снежной массы, взятой на приуниверситетской территории, показали отсутствие цветности и мутности. Они имели слабо различимый запах, на бумажном фильтре после фильтровании осталось небольшое количество мелкодисперсного песка. Следовательно, привнесение загрязнений в грунты с талыми водами не оказывает сильного воздействия.
Осадки, выпадающие за зимний период, как правило, служат одним из главных источников питания грунтовых вод. Величина инфильтрационных талых вод зависит в первую очередь от геологического строения грунтов, рельефа местности, высоты местности относительно балтийской отметки, а также от водопроницаемости почвы и глубины залегания грунтовых вод. Передвижение осадков в толще грунта происходит до тех пор, пока они не достигнут горизонта грунтовых вод. Над водоносным слоем формируется капиллярная кайма, которая зависит от рыхлости пород и наличия глинистых частиц. Для Санкт-Петербурга средняя глубина залегания грунтовых вод составляет 2,5 метра. В рамках исследований были определены характеристики грунта для выявления глубины проникновения талой загрязненной воды в грунтовые воды. Исследование грунта и определение содержания в нем пылевых и глинистых частиц проводилось в соответствии с . Отбор грунта проводился из верхнего горизонта до 20–30 см. Результаты исследования показали, что величина мелкодисперсных пылевых и глинистых частиц в грунте не превышает 2%.
При гидрологическом и геологическом анализе территории следует учесть, что грунтовые воды способны достигать поверхности, поднимаясь по грунтовым капиллярам под давлением, за счет чего может происходить повышение уровня залегания слоя повышенной влажности. Такое формирование высокой капиллярной бахромы свойственно при глубине залегания грунтовых вод от 3 до 10 м от поверхности земли и при значительном количестве пылеватых и глинистых пород. При этом повышается вероятность проникновения загрязненных веществ из талых вод к грунтовым водам и распространения их по территории вплоть до водных объектов.
Однако на проанализированной территории Санкт-Петербурга, несмотря на относительно высокое залегание грунтовых вод, водонасыщенность почв не позволяет проникнуть к ним и распространится загрязненным водам, что формирует накопление основной массы загрязнений на поверхности.
5. Заключение
Исходя из вышесказанного, для снижения загрязненности грунтов талыми водами снежного покрова можно предложить следующие пути решения:
1. Регулярно обеспечить своевременный вывоз загрязненной снежной массы с городской территории за ее пределы. Не позволять длительное складирование снега, особенно в пониженных участках рельефа, в период потепления.
2. Для предотвращения миграции загрязнений с талой водой предлагается создать защитный барьер из минеральных или органических сорбентов, которые обладают высокими водоудерживающими свойствами. В качестве таких сорбентов можно применят доломиты, измельченную кору, растительную биомассу и другие. Сорбенты смешиваются с верхним слоем грунта и могут составлять до 33% от ее массы.
3. Так как основным источником загрязнения является автотранспорт, необходимо контролировать соблюдение стандартов для транспортных средств, а также усилить развитие сетей общественного транспорта.
Также рекомендуется обратить внимание на используемые реагенты для льда. Следует учитывать не только их эффективность воздействия на снег и лед, но и последующее влияние на окружающую городскую среду.