VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение качества атмосферного воздуха окрестностей Челябинского городского бора по физико-химическим показателям талой воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Снежный покров города аккумулирует значительную часть атмосферных загрязнений. Накопление его на городских территориях приводит к существенным изменениям химического состава городских биотопов, вызывает изменение и деградацию видового состава обитающих в них организмов, к нарушению почвенного покрова и к негативному воздействию на окружающую среду в целом. Недопустимо складирование убранного снега на газонах, поскольку он загрязнен хлоридами и другими реагентами, используемыми в качестве противогололедных и, вывоз снега в пределах городского бора.
Актуальность работы: Челябинский городской бор – это «легкие» нашего города. С расширением городской черты многие участки городского бора оказались под возросшим антропогенным воздействием. Во много раз увеличился поток автотранспорта по улицам г. Челябинска, вдоль бора. Требуются оптимальные маршруты вывоза снега на снегосплавные пункты города и учет технологии утилизации снега: 1) естественным таянием снега в период оттепелей; 2) принудительным - использование энергии теплоносителей. В научной литературе такие ученые, как Корецкий В. Е., Систер В. Г. и др. рассматривали физико-химический состав снежного покрова, вывозимого с магистралей города. Для подробного изучения выбрали тему: «Определение качества атмосферного воздуха окрестностей Челябинского городского бора по физико-химическим показателям талой воды».
Цель работы: является изучение состояния атмосферного воздуха Челябинского городского бора по физико-химическому составу талого снега. Для достижения цели были решены следующие задачи:
Изучить литературные источники по выбранной теме;
Выявить особенности района проведения исследований;
Провести оценку объемов и периодичности выпадения снега;
Дать оценку загрязненности территории на основе исследования снегового покрова, как одного из компонентов окружающей природной среды.
Сравнить показатели оценки загрязненности территории на основе исследования снегового покрова за 2016-2017гг.
Гипотеза исследования: причинами загрязнения атмосферного воздуха Челябинского городского бора являются выбросы автотранспорта.
Объект исследования: снежный покров городского бора Челябинска.
Предмет исследования: физико-химический состав талого снега.
Методики исследования: «Отбор проб для определения загрязнения снежного покрова», «Определение органолептических и химических показателей воды».
Практическая значимость работы: полученные результаты можно использовать
госслужбам для комплексного решения проблемы улучшения экологического состояния городской территории зимой.
Глава 1. Общая характеристика процессов загрязнения снежного покрова
Загрязнение снежного покрова происходит в два этапа: 1) загрязнение снежинок во время их образования в облаке и выпадения на местность – влажное выпадение загрязняющих веществ со снегом; 2) загрязнение уже выпавшего снега в результате сухого выпадения загрязняющих веществ из атмосферы, а также их поступления из подстилающих почв и горных пород. Взаимоотношения между сухими и влажными выпадениями зависят от длительности холодного периода, в течение которого сохраняется снежный покров; частота снегопадов и их интенсивность; физико-химические свойства загрязняющих веществ. Загрязнение снега приводит к изменению состава загрязняющих веществ. Это связано с высотой поступления загрязняющих веществ в атмосферу, средним временем их пребывания в атмосфере, скоростью распространения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Характерная высота поступления загрязняющих веществ от промышленных предприятий и тепловых электростанций составляет 150м (Приложение А). Высота выброса: от 10 до 100м. Выброс загрязняющих веществ автотранспортом происходит почти на уровне земли. Мощность облачного слоя: от 100 до 1000 км. В связи с ослаблением вертикальных движений в атмосфере зимой выбросы достигают облачного слоя, в условиях инверсии, через десятки часов. Для локальных выпадений характерно сухое или влажное осаждение из подоблачного слоя веществ с малым временем пребывания в атмосфере. Для регионального и глобального загрязнения главным является влажное вымывание из подоблачного слоя, сухое выпадение - подчиненное значение. Вымывание загрязняющих веществ снегом зависит от условий формирования осадков в облаке и последующей трансформации при выпадении на землю. Как правило, осуществляется каплями воды и ледяными кристаллами [4].
Загрязнение атмосферного воздуха как фактора влияния на состояние
снежного покрова
Снежный покров фактически аккумулирует и сохраняет в себе все загрязняющие атмосферу компоненты. Химический состав фильтрата талого снега формируется в результате поступления с осадками различных химических элементов, поглощения снежным покровом газов, водорастворимых аэрозолей и взаимодействия со снежным покровом твердых пылевых частиц, оседающих из атмосферы. Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем решающую роль играют факторы окружающей среды [11]. Уровень концентраций различных примесей в воздухе формируется под влиянием перемешивания, переноса, рассеивания и вымывания вредных веществ, поступающих в атмосферу с выбросами промышленных источников и от транспорта. Качество воздуха оценивается в соответствии с принятыми стандартами – ПДК, которые подразделяются на максимально разовые (осредненные за 20 мин.) и среднесуточные. Средние за месяц и за год концентрации сравниваются со среднесуточными предельными концентрациями (ПДК ср. сут.). Показателем качества воздуха является индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Это комплексный показатель загрязнения атмосферы, учитывающий концентрацию в воздухе пяти веществ, создающих основную долю в уровне загрязнения. Величина ИЗА показывает, какому уровню диоксида серы (в единицах ПДК) соответствуют фактические и максимальные концентрации выбранных веществ. Уровень загрязнения считается низким, если ИЗА <5, повышенным – при ИЗА от 5 до 7, высоким – при ИЗА от 7 до 13, и очень высоким – при ИЗА≥14. Систематическое наблюдение за содержанием в атмосферном воздухе Челябинска вредных веществ осуществляет ГУ «Челябинский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» на 8 постах наблюдения за загрязнением атмосферы с периодичностью отбора проб 6 дней в неделю, 3-4 раза в сутки (100, 700, 1300,1900 часов) в зависимости от типа поста. Посты расположены в Центральном, Калининском, Металлургическом, Ленинском, Курчатовском районах.
1.2. Выбросы автотранспорта города Челябинска
В последние годы наблюдается увеличение выбросов вредных веществ: частиц сажи, пыли, оксида углерода, оксидов азота, диоксида серы, свинца от автотранспорта за счет увеличения его количества. В г.Челябинске доля выбросов от автотранспорта в общем объеме выбросов составляет 53,5 - 59,8%. За последние пять лет происходит увеличение количества выбросов от автотранспорта. Общее количество выбросов загрязняющих веществ в 2010 году составило около 183970 т/год (рост на 3627 т/год – 2%). Автомобильные выхлопы осуществляются в приземный слой атмосферы, где рассеивание вредных веществ происходит более затруднительно, чем рассеивание выбросов промышленных предприятий. Наибольшей токсичностью обладают выхлопы карбюраторных двигателей за счет большего выброса оксида углерода, оксидов азота, углеводорода. Дизельные двигатели выбрасывают сажу, которая в чистом виде нетоксична. Частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных вещества, канцерогены. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает сразу за выпускной трубой автомобиля, около 40% остается в атмосферном воздухе. В г. Челябинске количество выбросов от автотранспорта преобладает над суммарными выбросами предприятий [9]. Значительному негативному влиянию автотранспорта подвержены: центральная и северо-западная часть города, Ленинский район и район поста №28.
1.3. Характеристика Челябинского городского бора
Городской бор расположен в лесостепной части Зауральской равнины, занимая северо-восточную и восточную части Челябинской области, по берегам реки Миасс и его излучине, вместе с территорией парка культуры и отдыха и спортивным комплексом (Приложение Б). На севере и востоке бор ограничен течением реки Миасс, на юге же заканчивается каменным карьером и примыкает к пригородному поселку. Общая его протяженность около 5,5км, а средняя ширина около 2км. Общая площадь бора не более 13 квадратных километров. Из них лесной площади – 1138гектаров, а лесопокрытой-852. Бор возвышается над уровнем реки на 25-40м., самая высокая точка бора расположена на 60м. над уровнем реки Миасс. Бор лежит на огромном гранитном массиве (на поверхности гранитные глыбы, плиты), который свидетельствует о предгорье Урала, давно разрушенном и снесенном эрозией. Рельеф этого массива всхолмленный, с отдельными сопками высотой до 8-15м., с пологими склонами [10].
Микроклиматические особенности бора имеют большую влажность воздуха, изменение температурного режима в сторону повышения температур зимой и понижения их летом, значительное испарение, благодаря транспирации влаги растительностью, малое влияние ветров, большое накопление и медленное таяние снега в лесу. Для городского бора характерен умеренный микроклимат. Водные пространства бора представлены рекой Миасс и Шершневским водохранилищем. В бору есть несколько озер, родниковые источники, заболоченные пространства по берегам реки Миасс. Заболоченные пространства заняты болотно-луговыми почвами, а на сухих окраинах бора, в юго-западной части – черноземы. Почвы дерново-подзолистые, комковатые и оподзоленные, с содержанием перегноя 2,5-4 %. Сухость почвенного покрова, малая мощность гумуса способствует развитию сухолюбивых видов растительности. Растительный и животный мир городского бора представлен в Приложениях В, Г. С расширением построек города возросла роль вмешательства человека в жизнь бора. Прямое влияние: рубки, изменяющие густоту леса, его возраст, состав, покров, площадь, и косвенное: фабричные газы, вытаптывание молодняка при пастьбе скота, проложение грунтовых дорог, лесные пожары. Все это нарушает устойчивость бора [3].
Глава II. Особенности загрязнения снежного покрова городского бора Челябинска
После изучения литературы, мы решили провести практическую работу с целью: изучения загрязнения снежного покрова городского бора Челябинска.
Объект исследования: снежный покров Челябинского городского бора. Сроки проведения: февраль-март 2016-2017гг. Методики исследования: «Определение органолептических и химических показателей воды», «Отбор проб для определения загрязнения снежного покрова».
2.1. Особенности отбора проб для определения загрязнения снежного покрова
Основной особенностью работ при определении загрязнения снежного покрова в процессе
выполнения сетевых снегосъемок является производство вещественного анализа проб снега после определения его плотности [8]. Цель первичной обработки проб снега: разделить твердую и жидкую фазы пробы для обеспечения возможности ее длительного хранения в период транспортировки и подготовки к анализу. Обработка пробы включает операции растапливания снега и фильтрования. Обработка проб для определения комплекса загрязняющих веществ осуществляется путем фильтрования. Более подробно метод отбора проб для определения загрязняющих веществ снежного покрова представлен в Приложении Д.
2.2. Определение органолептических и химических показателей воды.
Физические (запах, цветность, прозрачность, мутность) мы определяли самостоятельно.
Для определения запахаводу наливают в колбу емкостью 100 мл. на 2/3 объема, накрывают часовым стеклом, встряхивают вращательным движением в закрытом состоянии, открывают и определяют запах. Если запах воды сразу не определяется, то воду подогревают до температуры 60° С и затем повторяют. Интенсивность запаха определяется по пятибалльной системе.
Цветностьизмеряют в градусах платиново-кобальтовой шкалы цветности путем сравнивания исследуемой воды с эталоном. В эталонную колбу наливают 500 мл. и рассматривают сбоку на белом фоне на расстоянии 2 м., подбирая к цвету пробы цвет более подходящей шкалы цветности.
Прозрачностьвыражается в см водяного столба, через который видны линии толщиной в 1 м., образующие крест (определение по кресту или шрифту. Определение прозрачности по «Шрифту» проводят в градуированном стеклянном цилиндре (высота градуированной части больше 30 см.) с припаянным внизу краном и плоским, хорошо прошлифованным дном. Воду наливают в цилиндр, подкладывают стандартный шрифт № 1 на расстоянии 4 см. от дна и просматривают сто сверху через слой воды, отливая или добавляя ее и отмечая высоту столба, через который чтение шрифта еще невозможно. Высота воды (см) в цилиндре выражает степень прозрачности воды. Определение производят при хорошем освещении. При незначительном содержании взвешенных веществ в воде (менее 2 мг/л) определяется ее мутность (мг/л). При наличии в воде большого количества взвешенных веществ их определяют весовым путем.
Химические (водородный показатель, щелочность, жесткость, стабильность, содержание
ионов хлора) свойства воды определяли в лаборатории кафедры общей и инженерной экологии.
Определение рНуниверсальным индикатором. Для определения используют индикаторную бумагу. Это фильтровальная бумага, пропитанную раствором универсального индикатора и рассчитана на определение величины рН в интервале 1-10. К пачке индикаторной бумаги прилагается цветная шкала, показывающая окраску бумаги при различных рН.
Окисляемость.Определяется перманганатным методом: окисление органических веществ
перманганатом калия в кислой среде. В коническую термостойкую колбу наливают 10 мл исследуемой воды, добавляют 90 мл дистиллированной воды, 5 мл разбавлено серной кислоты (1:3) и из беретки 0,01N – раствор перманганата. В колбу вставляют небольшую воронку и кипятят жидкость в течении 10 мин (от начала кипения). К горячей жидкости добавляют из бюретки 10 мл 0,01N – раствора щавелевой кислоты, перемешивают и обесцвеченный раствор титруют 0,01N – раствором перманганата до появления бледно-розового окрашивания.
Определение нитритов.Определяются фотометрическим методом. К 50 мл исследуемой пробы, содержащей не более 0,3 мг нитритов, добавляют 2 мл реактива Грисса и перемешивают. После 40 мин выдержки при комнатной температуре (или 10 мин в водяной бане) фотометрируют растворы при = 520 нм и выбранной толщине поглощающего слоя относительно раствора сравнения. По калибровочному графику определяют содержание нитритов в исследуемой пробе.
Определение ионов аммония. Отбирают пробу исследуемой воды в соответствии с правилами отбора проб, убирают остаточный активный хлор, мутность и цветность. К 50 мл исследуемой воды добавляют 1 мл раствора сегнетовой соли, перемешивают, затем добавляют 1 мл реактива Несслера и снова перемешивают. Через 10 мин фотометрируют при = 400-425 нм и выбранной длине поглащающего слоя относительно раствора сравнения. По калибровочному графику определяют суммарное содержание аммиака и ионов аммония в исследуемой пробе.
Определение содержание кислорода в воде (БПК).В откалиброванные склянки №1 и №2 (объемом 56,7 и 52,9 мл) наливают доверху анализируемую воду. Закрывают склянки притертыми пробками, чтобы не оставалось пузырьков воздуха. Опуская пипетку до дна склянки добавляют в обе пробы 1 мл МnСl и 1 мл щелочной смеси. Для растворения осадка прибавляют 2 мл НСl. Закрывают склянки и перемешивают растворы, переворачивая склянку. Затем все содержимое склянки переносят в колбы для титрования. Выделяется йод тиосульфатом натрия. Для четкой фиксации точки эквивалентности перед концом титрования добавляют 2-3 капли крахмала и определяют количество растворенного кислорода [12].
2.3. Оценка загрязнения снегового покрова в районе городского бора Челябинска
В соответствии с информацией о проведении проверки по складированию снега, представленной в Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования
(Росприроднадзора) по Челябинской области, в городе выявлены нарушения требований природоохранного законодательства в расположении участков для складирования снега. Нами были отобраны пробы снега в 6 точках района бора, выполнены анализы в лаборатории ЮУрГУ (таблица 1, Приложение Е). В результате обнаружено, что в пределах изучаемой территории, вдоль автомагистрали, концентрации загрязняющих веществ (в пересчете на талую воду) в 2-3 раза превышают нормативы ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения. Изучаемый район расположен в водоохраной зоне, что способствует попаданию высокозагрязненных талых вод в водоем. Качественные характеристики талой воды точек пробоотбора, расположенных в глубине городского бора 2016г. незначительно отличаются от аналогичных показателей 2017 г. Качественные характеристики талой воды точек пробоотбора, расположенных вдоль дороги у бора 2016г. существенно отличаются от показателей 2017 г. То есть, неблагоприятные условия год от года способствуют ухудшению качества среды обитания живых организмов, порой до полного их угнетения.
По данным «Схемы дождевой канализации г. Челябинска», разработанной ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» в 2016 г., в реку Миасс в черте города, с водосборной площади поступают ливневые, талые и поливомоечные воды в объеме около 9,0 млн. м3, содержащие: - взвешенные вещества – 500 мг/л для дождевого и моечного стока; 2000 мг/л для талого стока; - нефтепродукты – 40 мг/л для дождевого и моечного стока; 50 мг/л для талого стока; - БПК20 – 50 мг О2/л для дождевого и моечного стока; 100 мг О2/л для талого стока. С водосборной площади с ливневым и талым стоком в реку Миасс поступают тяжелые металлы Приложение Ж
Таким образом, снежный покров с городских магистралей представляет опасность для экосистем города и, является активным загрязнителем окружающей среды. В трех точках, расположенных в самом городском бору воздух относительно чистый (заросли деревьев служат естественным барьером для поллютантов). В точках, которые расположены вблизи автомагистрали, снеговой покров оказался загрязнен. Химический состав свидетельствует о загрязнении снегового покрова автотранспортом и противогололедными реагентами.
Заключение:
1. Проанализировав литературу по теме, выяснили, что загрязнение снежного покрова происходит в результате влажного и сухого выпадения загрязняющих веществ со снегом, а также их поступления из подстилающих почв и горных пород.
2. Микроклиматическими особенностями Челябинского городского бора является большая влажность воздуха, изменение температурного режима, значительное испарение, малое влияние
ветров, большое накопление и малое таяние снега в лесу.
Оценка объемов и периодичности выпадения снега показала, что в трех точках, расположенных в глубине бора воздух относительно чистый, вдоль дороги - загрязнен.
4. Оценка загрязненности территории показала, что основными источниками загрязнения атмосферного воздуха городского бора является автотранспорт и противогололедные реагенты.
5. Качественные характеристики талой воды точек пробоотбора, расположенных в глубине
бора 2016г. незначительно отличаются от показателей 2017 г. Вдоль дороги у бора показатели 2017 г. ухудшились по сравнению с 2016г. То есть, неблагоприятные условия год от года способствуют ухудшению качества среды обитания живых организмов, до полного угнетения.
Наша гипотеза подтвердилась. Действительно выбросы от автотранспорта приносят определенный вред экологическому состоянию города. Ее основой может стать высадка
деревьев вдоль автомагистралей, озеленение города. Челябинский городской бор – это «легкие» Челябинска, чистый воздух, который необходимо беречь всеми силами!
Литература
1 Алексеев М.И. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий: учебное пособие [Текст]/ М.И. Алексеев, А.М. Курганов. – СПб.: СПбГАСУ, 2000. – 352 с.
2 Андреева, М.А. География Челябинской области [Текст]/ М.А. Андреева, А.С. Маркова. – Челябинск, Южно-Уральское книжное издательство, 2002. – 556 с.
Корецкий, В.Е. Зимняя уборка магистралей города [Текст]/ В.Е. Корецкий, Н.В. Павлов. – М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2012. – 315 с.
3 Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова [Текст]/ В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. – Л.: Изд-во Гидрометеоиздат, 1985. – 65 с.
4 Дмитриев, М.Т. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде: справочник – М.Т. Дмитриев, Н.И. Казнина, И.А. Пинигина [Текст] – М.: Химия, 1989. – 125 с.
5 Корецкий, В.Е. Основные экологические аспекты противогололедной обработки и снегоуборки в Москве. Проекты развития инфраструктуры города [Текст]/ В.Е. Корецкий. – М.: Изд-во Прима-Пресс-М, 2002. – 215 с.
6 Корецкий, В.Е. Опыт эксплуатации и перспективы развития систем снегоудаления в г. Москве. Материалы 6-го Международного конгресса «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЭК – 2004» [Текст]/ В.Е. Корецкий, М.В. Богомолов. – М, 2004.
7 Корецкий, В.Е. Методы утилизации снега, вывозимого с магистралей города. Проекты развития инфраструктуры города [Текст]/ В.Е. Корецкий. –М, 2003. – 111 с.
8 Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. ИМГРЭ, 1990.
9 Санитарная очистка и уборка населенных мест: справочник [Текст]/ А.Н. Мирный, Н.Ф. Абрамов, Х.Н. Никогосов, Л.С. Скворцов, А.Н. Смирнов, Л.Г. Федоров. – М., 2015. – 366 с.
10 СанПиН 2.1.5.980-00 Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 22 июня 2000 г.).
11 Систер, В. Г. Экологическое состояние городских территорий (загрязнение почвы городов) [Текст]/ В.Г. Систер Ежемесячный вестник «Чистый город», № 4 (24). – М., 2003. – С. 24–37.
12 Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ (ред. от 26.06.2007) «Об охране окружающей среды» (принят ГД ФС РФ 20.12.2001).