Классификация поверхностных вод по их качеству

Величина ИЗВ	Степень загрязнения	Класс качества воды
Менее или равно 0,3	Очень чистая	I
Более 0,3 до 1	Чистая	II
Более 1 до 2,5	Умеренно загрязненная	III
Более 2,5 до 4	Загрязненная	IV
Более 4 до 6	Грязная	V
Более 6 до 10	Очень грязная	VI
Более 10	Чрезвычайно грязная	VII

Влияние города на химический состав речных вод может быть также оценено по показателю приращения стока химических элементов. Он рассчитывается по разнице между объемами среднего многолетнего стока приоритетных химических компонентов в пунктах выше и ниже города. Так, например, за счет г. Светлогорска приращение стока приоритетных загрязняющих ингредиентов в р. Березину составляет 2–31 %, то есть за счет города формируется 31 % объема стока органических веществ по БПК₅, 12 – аммонийного азота и нефтепродуктов и 2 % – нитритного азота [129].

Химический состав подземных вод является одним из наиболее универсальных показателей уровня и характера техногенного воздействия на гидросферу. Состав вод формируется в результате взаимодействия как природных, так и техногенных факторов. В пределах городов влияние техногенных факторов становится определяющим, и геохимический облик подземных вод коренным образом трансформируется.

В естественных условиях на территории Беларуси формируются подземные воды преимущественно гидрокарбонатного магниево-кальциевого состава с минерализацией от 0,1 до 0,8 г/дм³ [130].

В городах трансформация химического состава подземных вод проявляется в повышении концентраций химических элементов и нарушении соотношений между ними. Иногда на сравнительно небольшой и однородной в ландшафтном отношении территории наблюдается резко выраженная мозаичность химического состава вод, что в природных условиях практически не встречается.

Многообразие видов воздействий и неоднородность гидрогеологических условий формируют на городских территориях и в зонах воздействия городов сложные гидрогеохимические ситуации. Наибольшему воздействию подвергаются залегающие первыми от поверхности грунтовые воды. Через грунтовые воды техногенные вещества могут мигрировать как в напорные воды (в области питания), так и в поверхностные воды (на участках, где грунтовые воды дренируются реками).

Гидрохимическая трансформация грунтовых вод в значительной степени обусловлена коммунально-бытовым загрязнением. По данным исследований [131, 132, 133], основными загрязнителями грунтовых вод в жилых зонах являются нитраты и хлориды, содержание которых в подземных водах в большинстве случаев превышает допустимые уровни. По данным М. П. Оношко (1998), встречаемость превышений ПДК по нитратному азоту в колодезных водах городов Беларуси составляет от 50 до 82 % [134].

Агроселитебные ландшафты городов испытывают значительную нагрузку за счет поступления бытовых сточных вод. Большая часть подворий в зонах индивидуальной застройки не оборудована системами водоотведения, и образующиеся бытовые стоки инфильтруются в толщу почвы и подстилающих пород. Часто проблема усугубляется близким залеганием грунтовых вод. Установлено, что воды первого от поверхности водоносного горизонта агроселитебных городских ландшафтов Беларуси чаще всего характеризуются повышенной минерализацией (более 500 мг/дм³), значительным превышением фоновых концентраций практически всех компонентов химического состава. Максимальные зафиксированные содержания хлоридов составляют 112 мг/дм³, сульфатов – 450, натрия – 188, магния – 109, калия – 45, аммонийного азота – 88 мг/дм³. Реакция вод от нейтральной до слабощелочной. Часто трансформируется исходный зональный состав вод: например, в ряде случаев формируются сульфатные, хлоридные или нитратные воды [129].

Наиболее интенсивной гидрохимической трансформации подвергаются подземные воды промышленных зон городов, особенно зон воздействия производств, связанных с переработкой минерального сырья и образованием больших объемов отходов. В таких случаях создается режимная наблюдательная сеть и ведутся регулярные наблюдения за химическим составом подземных вод и его динамикой. Многолетние наблюдения позволяют выявлять особенности хемотрансформации подземных вод и определять факторы их формирования, среди которых основными являются инфильтрация и растекание загрязненных вод со стороны источников, а также аварийные разливы стоков. Анализ данных наблюдений свидетельствует о том, что глубина проникновения загрязняющих веществ может составлять более 100 м, среди элементов-загрязнителей присутствуют сульфаты, железо, фосфор, аммоний, калий и др. Высокая степень загрязнения вод отмечается также в местах складирования промышленных отходов. Вынос загрязняющих веществ из толщи отходов происходит двумя путями: они вымываются фильтрующимися атмосферными осадками и выщелачиваются близко расположенными к поверхности грунтовыми водами. Оба фактора в наибольшей степени проявляются в периоды с аномально высоким количеством осадков. В зонах воздействия нефтебаз и автозаправочных станций имеет место загрязнение подземных вод нефтепродуктами [135].

Наименьшую гидрохимическую трансформацию испытывают грунтовые воды ландшафтно-рекреационных зон городов. Например, грунтовые воды лесопарковой зоны г. Светлогорска отличаются низкой минерализацией, кислой реакцией среды. Высокая доля в ионном составе этих вод хлоридов и натрия объясняется, скорее всего, интенсивным применением противогололедных солей на автодорогах и пешеходных тропах и их миграцией сквозь толщу легкопроницаемых песчаных отложений. Напорные воды лесопарковой зоны характеризуются средней минерализацией, нейтральной реакцией среды, гидрокарбонатным магниево-кальциевым составом вод, что свидетельствует об их незначительном изменении.

При оценке качества подземных вод содержание загрязняющих веществ сопоставляется с ПДК. Выделяются две степени загрязнения: первая – если содержание загрязняющих веществ выше фонового и продолжает возрастать, но остается ниже ПДК; вторая – если содержание загрязняющих веществ выше ПДК. Критерии для оконтуривания области загрязненных вод могут выбираться разные: показатель минерализации 1 г/дм³; предельные значения других обобщенных показателей (общей жесткости, окисляемости); ПДК наиболее характерного загрязняющего компонента; ПДК группы основных загрязняющих компонентов. Перечень веществ, для которых установлены ПДК, достаточно широк. Их выбор при исследовании и контроле определяется исходя из вида использования вод, а также с учетом типа и источников загрязняющих веществ.

Как правило, сеть режимных скважин размещена по городской территории неравномерно. Это затрудняет оценку состояния подземных вод в пределах города. Поэтому для оценки также применяют метод аналогов, опираясь на функциональное зонирование [131, 132, 133].

Гидрохимическая съемка. Гидрохимическое опробование на территории городов предполагает отбор водных проб всех типов:

· речные воды отбираются в пунктах опробования выше и ниже города,

· поверхностные воды – из всех естественных и искусственных водоемов и водотоков,

· сточные воды, фильтраты – из шламохранилищ, прудов-отстойников, полей фильтрации,

· нормативно чистые и нормативно очищенные воды на выпусках в природные водоемы и водотоки,

· подземные воды – из скважин режимной сети, из водозаборных скважин, из шахтных колодцев.

Изучение состояния подземных вод осуществляется в соответствии с общепринятыми методиками. Отбор водных проб из высокодебитных скважин производится сразу после прокачки, из низкодебитных – на следующий день после прокачки. Во время отбора проб замеряются уровни подземных вод.

Водные пробы при отборе формируются раздельно по видам анализа: на общий гидрохимический анализ, содержание тяжелых металлов, соединений азота, нефтепродуктов, величины ХПК, железа и др. Пробы для определения содержания форм азота консервируются хлороформом сразу после отбора, тяжелых металлов – фильтруются и подкисляются, нефтепродуктов и железа – консервируются во время отбора соответствующими реактивами.

Почвенный покров. Благодаря уникальному положению в центре экосистемы на пе­ресечении путей миграции веществ, а также депонирующим свойст­вам, почва является основным объектом геохимических исследований при изучении трансформации городской среды. Состояние почвенного покрова во многом определяет состояние других природных компонентов. Уменьшение площади естественных почв, изменение их физико-химических и механических свойств, загрязнение токсичными ве­ществами – эти и другие факторы нарушают соотношение по­верхностного и подземного стока, влияют на химический состав природных вод. От состояния почвы зависит качество атмосферного воздуха, жизнеспособность зеленых насаждений, качество выращиваемой растениеводческой продукции.

На территории городов почвенный покров отличается сложностью и неоднородностью. Его формирование обусловлено не столько природными факторами и процессами, сколько деятельностью человека. Наряду с почвами, сохранившими естественное состояние, на территории городов распространены антропогенно преобразованные почвы и запечатанные искусственным покрытием поверхности.

Непосредственно термином «городские почвы» в настоящее время называют антропогенно измененные почвы, имеющие созданный в результате деятельности человека поверхностный слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением материала урбаногенного происхождения, в том числе строительно-бытовым мусором [136].

Техногенные вещества, поступающие на земную поверхность, подвергают почвы городов механической, физической и химической трансформации. За счет постоянного привноса разнообразного материала (пыль, отходы, строительный мусор и др.) наблюдается рост почвенного профиля вверх, формируется так называемый «культурный слой». Мощность такого слоя может колебаться в значительном диапазоне (в Минске – до 7 м, в Саратове – до 12 м, в Москве – до 22 м) и зависит от величины города, истории его развития и уровня промышленной нагрузки [94, 129].

Трансформация почв урбанизированных территорий происходит также вследствие изменения глубины залегания грунтовых вод. При этом возможно как осушение (в результате преднамеренных действий и опосредованного воздействия), так и подтопление, и заболачивание. Так, во многих городах Беларуси осушены и застроены заболоченные земли, в том числе торфяные болота.

Формирование очагов тепла над городской территорией, «запечатанность» земной поверхности способствуют перегреву почвы, недополучению выпадающих атмосферных осадков, развитию эрозионных процессов. Изменяются физико-механические свойства почв, для них характерны пониженная влагоемкость, повышенная уплотненность, каменистость. Иногда наблюдаются карстово-суффозионные просадки, оседание почвенно-грунтовой толщи из-за увеличения расхода подземных вод, выщелачивания растворимых солей и извести, в насыпных грунтах.

Спектр разнообразия почв в пределах городов очень широк: от природных ненарушенных до полностью уничтоженных. Общепринятой классификации техногенно-измененных почв не разработано, предлагаются различные варианты классификационных построений [137, 138, 139, 140 и др.]. Разделение городских почв проводится по мощности измененного слоя, по характеру изменений и происходящих в почве процессов.

Систематика почв и почвоподобных тел городов южнотаежной зоны Европейской территории России, разработанная М.Н. Строгановой с соавторами (1992), основана на особенностях морфологического строения почвенного профиля, а также на особенностях почвообразующих пород и поверхностных грунтов, приведена в табл. 21.10.

Предложенная классификация исходит из того, что вся территория города представлена открытыми, частично озелененными территориями и закрытыми, застроенными и заасфальтированными.

Таблица 21.10

Систематика почв и почвоподобных тел городов южнотаежной зоны Европейской территории России [138]

1. Открытые незапечатанные территории
Почвы	Почвоподобные тела	Грунты
Природные с признаками урбогенеза	Антропогенно-преобразованные	Искусственно созданные	Грунт природный   (насыпной, намывной, перемешан­ный и т.д.)	Грунт техногенный     (шлаки, золы, отходы и т.д.)
Поверхностно-преобразованные	Глубоко-преобразованные	Техноземы
Урбо-почвы	Урбаноземы
физически	химически
Дерново-подзолистая, аллювиальная и пр.	Урбоподзолистая, урбоаллювиальная и пр.	Урбанозем, культурозем	Интрузем, индустриозем	Реплантозем, конструктозем
2. Закрытые и запечатанные территории
Почвы и почвоподобные тела	Грунты искусственные и естественные	Застроенные
под асфальто-бетонным и другим дорожным покрытием	Под фундаментами зданий и строений
Экранозем	Запечатанный грунт
По природной почве, урбо-почве, урбанозему, технозему	Запечатанные абралиты, петролиты, стратолиты, руделиты и т.д.

Природные ненарушенные почвы сохраняют нормальное залегание горизонтов и приурочены к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города. Поверхностно-преобразованные почвы (урбо-почвы) сочетают горизонт «урбик» мощностью менее 0,5 м и ненарушенную срединную и нижнюю части почвенного профиля. Собственно урбаноземы характеризуются отсутствием генетических горизонтов до глубины 0,5 м и развиваются обычно на культурных отложениях, состоящих из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной мощ­ности и качества с примесью городского мусора, могут подпираться какой-либо преградой. Культуроземы – городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых парков или бывших хорошо окультуренных пашен, отличаются большой мощностью гумусового горизонта разной мощности, развиваются на иллювиальной части почвенного профиля исходной почвы. Индустриоземы – почвы промышленных зон, загрязнен­ные и уплотненные. Под асфальтированными, запечатанными территориями формируются почвы-экраноземы и запечатанные грунты.

В классификационной схеме антропогенно-преобразованных почв Беларуси Г. С. Цытрон (2004) выделяет несколько подклассов почв, характерных для городских территорий (в скобках – типы почв): нарушенные неполнопрофильные (скальпированные, пирогенно-измененные, карьерно-литогенные); нарушенные поверхностно-трансформированные (рекультивированные, погребенные, турбированные); загрязненные (химически-, физически-); техногенно заболоченные (подтопленные, постдренированные). При крупномасштабном картографировании городских ландшафтов гг. Минска и Светлогорска выделено пять групп техногенно-измененных почв: окультуренные, редуцированные, перемешанные, насыпные, экранированные [98].

Продукты техногенеза накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав, включаются в природные миграционные циклы. Для того чтобы судить о степени техногенной трансформации городских почв, их сравнивают по химическому составу с естественными фоновыми почвами. На локальном уровне в качестве фоновых чаще всего используют прилегающие к городу особо охраняемые природные территории, пригородные участки или ландшафты-аналоги, не испытывающие техногенного воздействия.

Однако для контроля трансформации городских почв с долговременным характером загрязнения, использование таких подходов не всегда эффективно. Оно не позволяет выявить антропогенное геохимическое воздействие, имевшее место в течение длительного исторического периода, и вычленить вклад современных источников в хемотрансформацию почвенного покрова города. Так, исследования культурных слоев древних городов Новгорода, Пскова н Самарканда показали, что антропогенное геохимическое воздействие в доиндустриальный период уже привело к заметному загрязнению почв этих городов тяжелыми металлами (в среднем в 6–8 раз выше фона) [94].

Поэтому в ряде случаев для оценки трансформации почв урбанизированных территорий применяется показатель «городской педогеохимический фон» – средневзвешенное содержание химических веществ в почвах города или в почвах отдельных функционально-планировочных зон [141]. Вычисленные средние для города содержания элементов являются точкой отсчета при анализе динамики техногенных изменений, выявлении вклада отдельных источников, оконтуривании экологически проблемных территорий. Расчет среднего содержания химических веществ в почвах функционально-планировочных зон позволяет различать педогеохимический фон для участков разного целевого назначения, испытывающих специфическое техногенное воздействие. Так, в г. Минске достаточно четко прослеживается зависимость накопления тяжелых металлов в почвах города от функционального использования территории (рис. 21.9).

Рис. 21.9. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах различных функциональных зон на территории г. Минска [142]

Геохимический анализ почв в городах выполняется с целью выявления педогеохимических аномалий и их генезиса, исследования соотношения форм соединений техногенных элементов, определения устойчивости почв к техногенезу, выявления педогеохимических барьеров.

Все техногенные соединения, оказывающие воздействие на почвы, М. А. Глазовская объединила в две группы: педогеохимически и биохимически активных веществ [36]. Педогеохимически активные вещества преобладают по массе в выбросах, отходах, изменяют щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия в почвах. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками – железо, кальций, магний, щелочные элементы и минеральные кислоты. При достижении определенного предела оказываемое ими подкисление или подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Подогеохимически активны и некоторые газы, например, сероводород и метан, изменяющие окислительно-восстановительную обстановку миграции веществ. Биохимически активные вещества воздействуют сразу на живые организмы. Это высокотоксичные элементы с низкими кларками (ртуть, кадмий, свинец, сурьма, селен и др.), образующие более контрастные относительно фона ореолы на территории городов и представляющие опасность для флоры, фауны и человека.

Методика геохимического опробования. Изучение состояния почв города начинается обычно со сплошного сетевого геохимического опробования поверхностных горизонтов (0–10 см) почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на 1 км². В случае попадания на схеме отбора намеченной точки на асфальтированную поверхность, здание, ее следует сместить на близлежащий участок. Обязательным условием является отбор почвенных проб на задернованных целинных участках с ненарушенным почвенным покровом. Смешанный образец составляется из пяти единичных проб (отбор методом конверта), отстоящих друг от друга на 10–15 метров и отобранных из верхнего слоя почвы (0–10 см). Во время выполнения работ на пунктах наблюдения описывается рельеф территории, цвет, плотность, агрегатный и механический состав почвы, мощность и состояние гумусового горизонта, состояние растительности, хозяйственное использование территории. В районах интенсивных техногенных нагрузок (на промплощадках, в зонах влияния очистных сооружений и свалок) закладываются дополнительные точки отбора, т.е. сеть почвенно-геохимической съемки сгущается.

В зонах интенсивного техногенного воздействия выполняется также почвенно-геохимическое профилирование. Выбор линий профилей производится с таким расчетом, чтобы проследить изменение концентраций техногенных веществ с удалением от источников и оценить неоднородность почв по способности к их накоплению. На линиях профилей в наиболее типичных для местных ландшафтов условиях закладываются почвенные шурфы. В шурфах вскрываются все генетические горизонты почв. В супераквальных ландшафтах шурф закладывается до уровня грунтовых вод. Отбор проб производится по горизонтам с формированием усредненной пробы. В шурфах, где вскрываются грунтовые воды, фиксируется глубина их залегания и отбирается водная проба. Кроме того, по профилю почв отбираются пробы техногенных новообразований: корки солей, конкреции и другие.

Анализ химического состава почв выполняется обычно с использованием эмиссионного спектрального метода и атомно-абсорбционной спектроскопии. Эмиссионным спектральным методом определяются концентрации более 30 элементов (никеля, кобальта, марганца, титана, ванадия, хрома, свинца, циркония, меди, цинка, бериллия, ниобия, скандия, серебра, молибдена, галлия, вольфрама, иттрия, иттербия, германия, таллия, гафния, висмута, сурьмы, стронция, селена, олова, бора, мышьяка). Чувствительность определения для разных элементов составляет 0,1–n10 мг/кг. С помощью атомно-абсорбционной спектроскопии выполняется определение содержания свинца, кадмия, цинка, меди, никеля, хрома, марганца. Чувствительность определения составляет 0,1–n1,0 мг/кг. Этим же методом с использованием солянокислой и ацетатно-аммонийной вытяжек определяется содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах и других твердых субстратах.

Изучение содержания водорастворимых веществ в почве выполняется агрохимическими методами в водных вытяжках из почв. Определение нефтепродуктов в образцах почв производится флюоресцентным методом или ИК-спектроскопии, основанном на экстракции нефтепродуктов из почвы четыреххлористым углеродом с одновременной очисткой элюатов на окиси алюминия в хроматографической колонке.

Почва в значительной степени способна иммобилизовать соединения металлов за счет процессов сорбции, реакций гидролиза, осаждения на органических и неорганических компонентах почвенно-поглощающего комплекса, переводя их в неподвижные и недоступные для растений формы. Поэтому данные о валовом содержании металлов в почве не всегда могут указать на опасность ее загрязнения. В связи с этим изучается соотношение валовых и подвижных, доступных для растений, форм содержания металлов в почвах.

Основным методом интерпретации и анализа полученных данных является почвенно-геохимическое картографирование. При этом составляются моноэлементные карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показано содержание отдельных элементов, и карты суммарного загрязнения почв города несколькими элементами по значениям показателя Z_c.

При формировании перечня аномальных элементов в качестве критерия аномальности чаще всего используется превышение фона в 1,5 раза, эта величина выбрана, исходя из точности эмиссионного спектрального анализа [143].При статистически достоверном выделении аномалий используются параметры распределения фоновых концентраций: закон распределения, среднее, стандартное отклонение. При этом геохимическая аномалия в почве рассматривается как ореол рассеяния с концентрациями, достоверно превышающими фоновые значения с учетом их фоновой вариации [144]. В качестве критерия аномальности используется в этом случае минимально аномальная концентрация, рассчитываемая по формуле:

K_a = С_ф + 3s/n,

где K_a – коэффициент аномальности, С_ф – среднее фоновое содержание, s – среднее квадратичное отклонение фоновых содержаний, n – число коррелирующихся точек. Отнесение точки к аномалии определяется, таким образом, не только концентрацией элемента в ней, но и в смежных точках. Могут быть выделены аномальные концентрации для одной (K_a = С_ф + 3s), двух (K_a = С_ф + 2s) и девяти (K_a = С_ф + s) коррелирующихся точек. Точки с аномальными концентрациями объединяются в аномалии по внешнему контуру минимально аномальной концентрации с учетом числа точек и их обеспеченности. При этом в состав аномалии попадает и некоторая часть точек с фоновыми концентрациями, что обусловлено неоднородностью полей загрязнения. В итоге получается несколько вариантов контуров с аномальной концентрацией различной обеспеченности [145]. Использование данного подхода эффективно лишь в тех случаях, когда имеется достаточная информация о фоновых вариациях содержаний элементов. Эти условия выполняются далеко не всегда – чаще при крупномасштабных исследованиях почвенного покрова городов и картографировании его состояния.

Важнейшим нормативом, позволяющим оценить степень загрязнения почвы химическими веществами, является ПДК загрязняющих веществ. Для экотоксикологической оценки почв используется показатель кратности превышения ПДК конкретного загрязняющего вещества. По степени загрязнения почвы разделяют на 3 категории: сильнозагрязненные, в которых содержание загрязняющих веществ в несколько раз превышает ПДК; среднезагрязненные, в которых содержание загрязняющих веществ превышает ПДК, но без видимых изменений свойств почв; слабозагрязненные, в которых содержание веществ не превышает ПДК.

Предельно допустимые концентрации неорганических химических веществ в почве устанавливаются в соответствии со значениями допустимых уровней показателей вредности: транслокационного, миграционного водного, миграционного воздушного и общесанитарного. По опасности уровня загрязнения почвы подразделяются на 4 категории: чрезвычайно опасный, опасный, умеренно опасный и допустимый. Критериями для оценки степени загрязнения выступают класс опасности вещества (I–IV классы) и содержание вещества в почве. В последние годы ведется работа по корректировке показателей ПДК в зависимости от значимых факторов, так как миграционная активность элементов существенно зависит от типа почвы, ее механического состава, реакции среды и других показателей. Согласно исследованиям почвоведов [146, 147, 148 и др.], основными факторами, влияющими на подвижность тяжелых металлов в почвах и опасность их перехода в растения, являются щелочно-кислотные свойства почвы, гранулометрический состав и содержание гумуса. Поэтому разработаны ориентировочно допустимые концентрации (ОДК), которые нормируют опасность высокого содержания элементов для различных типов почв (табл.21.11).

Таблица 21.11