способ оценки интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами

Формула изобретения

Способ оценки интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами по результатам исследования снежного покрова, в котором отбирают пробы снега, отфильтровывают нерастворимую пылевую часть снежной массы, высушивают ее и взвешивают, затем определяют массу поступления пыли П_пыли на 1 м² подстилающей поверхности по формуле:

П _пыли=P₀/(S·t),

где Р ₀ - масса пыли в пробе, г;

S - площадь шурфа при отборе снеговой пробы снегоотборником, равная площади снегоотборника, умноженной на количество кернов, м²;

t - время от начала установления устойчивого снежного покрова до момента отбора проб, мес.;

после чего определяют поступление тяжелых металлов П_тм на 1 м ² обследуемой подстилающей поверхности по формуле:

П_тм=П_пыли·С, мг/(м²·t),

где С - концентрация тяжелого металла в пробе пыли, мг/кг;

и затем вычисляют интенсивность загрязнения почв в единицах ПДК _п на обследуемой территории тяжелыми металлами (ИЗП) за определенный период времени по формуле:

ИЗП=П _тм/ПДП_п, 1/t,

где ПДП _п - предельно-допустимое поступление тяжелого металла на почву - поступление тяжелого металла в составе водонерастворимых выпадений (пыли) из атмосферного воздуха на 1 м ² территории, вызывающее повышение содержания тяжелого металла в 1 кг почвы на 1 ПДК_п, численно равное 1 ПДК_п, мг/м² ;

ПДК_п - предельно-допустимая концентрация тяжелых металлов в почве, мг/кг.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области экологического мониторинга природных сред.

Одна из важнейших проблем крупных городов - всевозрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, которое представляет опасность для живых организмов и в первую очередь для человека.

Тяжелые металлы, входящие в состав органических и неорганических выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферный воздух, поступают на подстилающую поверхность (почва, снег, растительный покров) с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и могут накапливаться на ней. Однако при существующих потоках ежегодные приращения содержания тяжелых металлов в верхнем слое почв, даже если не учитывать их оттоки, очень невелики. С учетом современного содержания тяжелых металлов в почвах статистически значимое увеличение содержания тяжелых металлов в них можно будет зафиксировать лишь через несколько десятков лет.

Снег обладает уникальной способностью извлекать из атмосферного воздуха загрязняющие вещества во время снегопада, сорбировать на поверхности снежного покрова атмосферные выпадения и аккумулировать их в своей массе от начала установления снежного покрова до его схода. Поэтому снежный покров является очень точным индикатором загрязнений природной среды, позволяющим учитывать не только массу выпадений атмосферных осадков и загрязняющих примесей в атмосферном воздухе, но и последующее загрязнение водных объектов и почв.

В качестве критерия интенсивности процесса загрязнения почвы предлагался параметр времени удвоения загрязнения, т.е. времени, за которое накапливающиеся на поверхности почвы техногенные выпадения приведут к удвоению фонового содержания токсикантов в поверхностном слое почвы естественного залегания толщиной в 1 см [1, 2]. Это предложение включает в себя все недостатки фоновых методов и не учитывает "вредность" различных элементов.

1. При фоновой оценке степени загрязненности природных сред

- произволен выбор участка для отбора проб с целью определения фонового показателя;

- значения фонового показателя различны для разных регионов.

2. Удвоение содержания каких-либо продуктов в природной среде не характеризует степень загрязнения, т.к. вещества имеют различную степень "вредности", определяемую через систему ПДК (предельно допустимых концентраций).

Для количественной оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, поступающими на подстилающую поверхность в составе твердых водонерастворимых выпадений (пыли) при таянии снежного покрова нами предлагается ввести новый показатель - предельно-допустимое поступление тяжелых металлов на почву.

Предельно допустимое поступление тяжелых металлов на почву (ПДП_п) - это поступление тяжелых металлов в составе водонерастворимых выпадений (пыли) из атмосферного воздуха на 1 м² территории, вызывающее повышение содержания тяжелого металла в 1 кг почвы на 1 ПДК_п.

При плотности грунта 1-1,5 кг/дм³ [3] 1 кг грунта распределяется на 1 м² территории слоем в 0,7-1 мм. Поступления пыли на подстилающую поверхность могут происходить в результате "сухого" выпадения, с мокрыми осадками (дождем) и со снегом.

Исходя из определения ПДК_п и ПДП_п тяжелых металлов они имеют численно равные значения, отличаясь лишь размерностью (табл.1)

Таблица 1
Предельно допустимые поступления некоторых тяжелых металлов на почву
Химический элемент	ПДКп, мг/кг [4, 5]	ПДПп, мг/м2
Cd	0,5	0,5
Mn	1500	1500
Cu	33	33
Ni	20	20
Pb	32	32
Cr	6	6
Zn	55	55

С использованием ПДП_п можно определить интенсивность загрязнения почвы (ИЗП) тяжелыми металлами за определенный период времени.

где t - продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

Индекс интенсивности загрязнения почв (ИЗП) характеризует скорость, с которой происходит накопление тяжелого металла в массе почвы в 1 кг, размещенной на 1 м² аккумулирующей поверхности. Чем больше значение ИЗП, тем быстрее содержание тяжелых металлов в почве достигнет 1 ПДК и тем меньше времени нужно на достижение этого значения (табл.2).

Таблица 2
ИЗП и время достижения 1 ПДКп
	Время достижения 1 ПДКп
ИЗП	Зимний сезон = 5 мес	лет
10	0,1	0,04 (15 дн)
1	1	0,4 (5 мес)
0,1	10	4
0,01	100	40
0,001	1000	400

Исходя из этого сущность изобретения заключается в следующем:

1. В результате снегомерных съемок на обследуемой территории отбираются пробы снега снегоотборниками, представляющими собой полимерную трубу с определенным внутренним диаметром, снабженным для уплотнения снежной массы поршнем.

2. После растаивания снежной массы нерастворимая пылевая часть отфильтровывается, высушивается и взвешивается.

3. Определяется масса поступлений пыли (П_пыли) на 1 м² подстилающей поверхности по формуле П_пыли =P_о/S·t, г/м² ·5 мес,

где Р_o - масса пыли в пробе, г;

S - площадь шурфа (при отборе снеговой пробы снегоотборником, равная площади снегоотборника, умноженная на количество кернов), м²;

t - время от начала установления устойчивого снежного покрова до момента отбора проб, мес.

4. Образцы пыли анализируются на содержание в них тяжелых металлов.

5. Определяется поступление тяжелых металлов на 1 м² обследуемой подстилающей поверхности по формуле П_тм=П _пыли·С, мг/м²·5 мес,

где С - концентрация тяжелого металла в пробе пыли, мг/кг.

6. Вычисляется интенсивность загрязнения почв на обследуемой территории тяжелыми металлами (ИЗП) за определенный период времени по формуле

где t продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

Примеры.

Ранее нами были опубликованы результаты исследований о поступлениях тяжелых металлов на снежный покров г.Казани в 1999, 2000 и 2001 гг. [6]. Индекс интенсивности загрязнения почв г. Казани за эти годы будет иметь следующие значения (табл.3).

Таблица 3
Поступление тяжелых металлов в составе пыли на снежный покров г.Казани и его влияние на загрязненность почвы
Элемент	1999 г.			2000 г.			2001 г.
	поступл. мг/м2 ·5 мес	ИЗП 1/5 мес	срок достижения 1 ПДКп, лет	поступл. мг/м2·5 мес	ИЗП 1/5 мес	срок достижения 1 ПДК п, лет	поступ. мг/м 2·5 мес	ИЗП 1/5 мес	срок достижения 1 ПДКп, лет
Cd	0,301	0,6	0,69	0,16	0,32	1,3	0,47	0,94	0,44
Mn	4,87	0,003	139	3,10	0,002	208	2,73	0,002	208
Cu	1,88	0,057	7	2,36	0,072	5,8	2,0	0,061	6,8
Ni	1,11	0,056	7,5	2,91	0,146	2,9	0,8	0,04	10,4
Pb	0,67	0,021	20	1,76	0,055	7,6	0,89	0,028	14,9
Cr	1,09	0,182	2,3	1,16	0,193	2,1	1,2	0,2	2,1
Zn	7,11	0,129	3,2	4,98	0,091	4,6	5,15	0,094	4,4

Порядок расчетов в данной таблице следующий. Например, для поступлений Cd в 1999 г.:

1) Поступление Cd из экспедиционных данных - 0,301 мг/м·5 мес;

2) ПДП_п из таблицы 1 - 0,5 мг/м ²;

3)

4) При интенсивности поступления Cd в почву - 0,6 ПДП_п/за один зимний сезон для достижения 1 ПДК_п необходимо 1/0,6=1,67 сезонов=1,67×5=8,35 мес = 8,35/12=0,69 лет.

Пользуясь сведениями о сроках загрязненности почвы на 1 ПДК_п, можно ориентироваться в выборе приоритетных ингредиентов для контроля за загрязнением почв в данном районе. Так, для условий г. Казани выбросы в атмосферу соединений марганца в данное время не представляют опасности для почв, т.к. для загрязнения 1 кг почвы на 1 м территории марганца потребуется более 200 лет, а для загрязнения почвы на глубину пахотного слоя (200 мм) - 40000 лет. Особую опасность представляют соединения кадмия, которые могут загрязнить верхний слой почвы в 1 мм менее, чем за 1 год. Затем следуют хром, цинк, медь, никель и свинец.

На отдельных участках, наиболее опасных с экологической точки зрения (промышленные предприятия, перекрестки, автозаправочные станции, автостоянки и т.д.), накопление тяжелых металлов в поверхностном слое почвы, очевидно, будет происходить намного интенсивнее. Например, при поступлениях меди в окрестностях Назаровской ГРЭС, равных 0,12 кг/км²·сут [6] или 18 мг/м²·5 мес, ИЗП_п составит 0,55 1/5 мес, а время достижения в почве содержания меди до 1 ПДК_п будет равно 1/0,55=1,82 зимних сезонов=9,09 мес=0,76 лет, что почти в 10 раз меньше, чем в г.Казани. В связи с этим необходимо постоянно контролировать содержание тяжелых металлов в природных компонентах городской среды и принимать меры по ее оздоровлению.

К настоящему времени содержание тяжелых металлов в почвах г.Казани превышает ПДК_п в несколько раз. Например, по меди в 2-3 раза, марганцу - в 2-5 раз, цинку - 2-6 раз [7].

Сравнивая эти сведения с интенсивностью поступления тяжелых металлов с атмосферными выбросами, необходимо сделать вывод, что причиной высокого содержания тяжелых металлов в почвах г.Казани являются не атмосферные выпадения, а основную ресурсную функцию выполняет геологическая среда.

Литература

1. Махонько Э.П., Малахов С.Г., Вертинская Г.К. Опыт исследования загрязнения почв металлами вокруг металлургических предприятий //Труды института экспериментальной метеорологии, вып. 13 (118), М., Московское отделение гидрометеоиздата, 1985. - С.50-59.

2. Э.П.Махонько, С.Г.Малахов, Г.К.Вертинская. О методике и результатах исследования выпадения металлов на поверхность почвы //Труды института экспериментальной метеорологии, вып. 13 (118), М., Московское отделение гидрометеоиздата, 1985. - С.59-66.

3. Александрова А.Б. Общая характеристика почвенного покрова г. Казани. В монографии "Экология города Казани", "ФЭН", Академия наук РТ, Казань, 2005. - С.139.

4. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве № 6229-91 /Госкомсанэпиднадзор России - М., 1993 г.

5. ГН 2.1.7.020-94 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). (Дополнение N 1 к перечню ПДК и ОДК N 6229-91). - М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1995 г.

6. Степанова Н.В., Валетдинов А.Р., Хамитова Р.Я. Динамика поступлений различных фракций тяжелых металлов в снежном покрове города //Вестник ТО РЭА, № 2, 2004. - С.31-34.

7. Латыпова В.З., Валеева Г.Р. Геохимическая характеристика почв г.Казани. В монографии "Экология города Казани", "ФЭН", Академия наук РТ, Казань, 2005. - С.145.