Загрязнение снежного покрова на территории города Сарова

Автор: Пикулева Варвара,13 лет

Руководители:

В.Ф. Кузнецова,

А.М. Подурец, педагоги д/о ЦВР

г. Саров, 2012

Введение

В средних широтах России земля покрыта снегом почти 5 месяцев в году. За зиму снег, как губка, впитывает и удерживает загрязняющие вещества из воздуха. Поэтому анализ пробы снега – прекрасный способ определения чистоты воздуха [1, 2].

В 2010 году, в конце зимы, когда уже начиналось снеготаяние, была проведена работа по отбору и анализу проб снега г. Сарова. Снег отбирали в различных точках города: в жилой зоне, в парках, у школ, вблизи напряжённых автодорог и для сравнения в «фоновых»  точках, удалённых от источников загрязнения.

Одновременно с этим проводился подсчёт автотранспорта на дорогах недалеко от мест отбора снега, так как одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха являются выхлопы автотранспорта.

Аналогичные  работы в нашем кружке проводились и раньше, и нам интересно было сравнить наши и ранее полученные результаты.

Цель работы: изучить загрязнение атмосферного воздуха в некоторых точках  г. Сарова путём анализа снежного покрова.

Задачи:

1)                 Отбор и анализ проб снега

2)                 Подсчёт интенсивности движения автотранспорта на дорогах г. Сарова

3)                 Сопоставление результатов анализа снега и подсчёта автотранспорта.

4)                 Сравнительный анализ полученных данных с результатами предыдущих исследований.

Литературный обзор

1. Источники загрязнения атмосферного воздуха в г. Сарове

В городе Сарове зарегистрировано более 250 предприятий и организаций, имеющих стационарные  и передвижные (автотранспорт) источники выбросов.

Более 80 % всех выбросов приходится на автотранспорт [4]. К выбрасываемым вредным веществам выхлопных газов автотранспорта относятся: угарный газ, углеводороды – несгоревшее топливо и оксиды азота, а также сажа. Кроме того, в выхлопных газах содержится токсичное вещество – свинец. Один автомобиль в течение года выбрасывает в атмосферный воздух около килограмма этого тяжёлого металла. В результате почва вблизи дорог сильно загрязняется. Содержание свинца в почве и растениях в непосредственной близости от автострад превышает уровень фона в 10-20 раз в зависимости от интенсивности транспортного потока [3].

Основной вклад в загрязнение атмосферы от стационарных источников  вносит теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – 80 % при работе на природном газе. При замене природного газа на уголь и мазут количество выбросов ТЭЦ увеличивается до 98% [3].

Анализ выбросов  трубами ТЭЦ показал, что основным загрязняющим веществом является оксид азота (более 900 тонн в год), в меньшей степени – оксиды серы (более 110 тонн в год), а также зола (около 17 тонн в год) [4].

В результате выбросов в атмосферу автотранспортом и ТЭЦ окислов азота и серы они соединяются с водяными парами и выпадают на землю кислотным дождём. Эти выбросы могут перемещаться на большие расстояния.

1. Снег как накопитель загрязняющих веществ атмосферного воздуха

Загрязняющие вещества, перемещаясь в атмосфере, постепенно оседают на снег, фиксируются и как бы составляют химическую летопись зимы. В зависимости от типа загрязняющих веществ снег может иметь, как кислую, так и щелочную реакцию. Если в снег попадают кислотные вещества, он приобретает кислую реакцию. Выпадения соединений металлов и определённых органических веществ защелачивают снег.

За нейтральную реакцию принято значение 7 единиц pH. Однако засчёт содержания в воздухе углекислого газа, который легко растворяется в воде, чистая дождевая вода и чистый снег имеют значение 5,6 единиц pH. Если значение pH снега ниже 5,6, то он кислый, то есть загрязнён кислотными веществами. Если значение pH снега выше 5,6, то снег щелочной, и, скорее всего, загрязнён автомобильными выхлопами [1].

Мы познакомились с работой, проведённой одиннадцать лет назад (т. е. в 2000 году) [5]. В этой работе было изучено загрязнение снежного покрова в соответствии с интенсивностью движения автотранспорта и рельефом местности около некоторых школ г. Сарова, а именно: №3, №5, 7, 10, 12, 15, 17, 19 и 20. Загрязнение снега оценивалось с помощью определения pH. В результате были сделаны выводы, что зависимости между показателем pH снежного покрова и интенсивностью движения не выявлено, и мы хотели бы проверить эту гипотезу в нашем случае.

Помимо загрязняющих веществ от основных источников, в снег могут попадать минеральные и органические вещества из локальных источников, как антропогенных, так и не связанных с деятельностью человека, переизбыток которых приводит к загрязнению окружающей среды.

В 2001 году была проведена работа по использованию спектрального анализа для изучения загрязнения снежного покрова [3] на территории тех же школ, о которых упоминалось в ранее упомянутой работе [5]. Авторы получили следующие результаты: в пробах снега было обнаружено 9 элементов: кремний, магний, титан, железо, олово, алюминий, медь, цинк и марганец. Наиболее распространенными оказались 4 элемента: кремний, магний, титан и железо, которые встречались во всех точках отбора, а остальные элементы варьируются в зависимости от точки отбора.

1. Минеральный состав

Минеральный состав талой воды (то есть снега) отражает результат взаимодействия воды и газообразных частиц, находящихся в воздухе и обусловлен целым рядом протекающих физико-химических процессов. В воздухе могут содержаться следующие минералы:

Нитраты (NO₃)

Нитраты являются солями азотной кислоты и обычно присутствуют в окружающей среде. Нитраты поступают в окружающую среду из атмосферных осадков, из промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, а также оксиды азота (в том числе и нитратов) попадают в окружающую среду из автомобильных выхлопов и выбросов ТЭЦ [4]. Повышенное содержание нитратов в окружающей среде вызывает ухудшение качества воды, активный прирост биомассы в водоёмах. Питьевая вода и продукты питания, содержащие повышенное количество нитратов, могут вызвать определённые заболевания [7].

Аммоний (NH₃ /NH₄)

Азотное соединение, является продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Ядовитым является соединение NH₃ при параметре рН свыше 7; в кислой среде аммиак присутствует в виде неядовитого соединения NH₄ [7]Источником аммония в окружающей среде являются минеральные и органические удобрения, избыток которых приводит к загрязнению. Кроме того, аммонийные соединения присутствуют в нечистотах [6,7].

Фосфаты (PO₄)

Фосфор, который лежит в основе фосфатов, является необходимым элементом для жизни. Тем не менее, избыток фосфора, особенно в водоёмах, приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы. Особенно этот процесс характерен для малопроточных водоёмов. В результате может произойти перестройка всего водного сообщества, что может привести к преобладанию гнилостных процессов. Источниками фосфора и фосфатов в окружающей среде могут быть удобрения, моющие средства, продукты жизнедеятельности животных организмов и неочищенные бытовые сточные воды [6, 7].

Методика исследований

Методика наших исследований состоит из методики отбора снега и методики анализа талой воды, а также методики подсчёта автотранспорта.

1)                 Методика отбора снега

Нами были намечены точки отбора в различных районах города. Мы постарались охватить всю селитебную территорию города. Также мы постарались охватить весь спектр имеющихся источников загрязнения в жилой зоне города. Мы выбрали «фоновые» точки  в районе третьего Филлиповского озера и Серебряных ключей.

Снег отбирали в конце зимы, в начале снеготаяния, на всю глубину залегания с помощью чистой банки и складывали в чистый полиэтиленовый пакет. Отобранный снег хранили при отрицательной температуре до момента анализа. Перед анализом снег растапливали до комнатной температуры.

2)                 Методика анализа талой воды

Определение содержания в снеговой воде некоторых минеральных веществ, поступающих как из основных (ТЭЦ, автотранспорт), так и из локальных источников, происходило с помощью тест-реактивов, имеющихся в нашем распоряжении, по инструкции, которая к ним прилагалась. Мы определяли содержание нитратов, аммония и фосфатов. Диапазон определяемых концентраций веществ: нитратов – от 0 до 50 ppm; аммония —  от 0 до 5 ppm, фосфатов — от 0 до 2 ppm. pH определяли с помощью портативного pH-метра в диапазоне от 0 до 10.

3)                 Методика подсчёта автотранспорта

Автотранспорт подсчитывался во время часа пик (с пяти до шести часов вечера), в течение 15 минут. Затем полученное количество машин пересчитывалось за час. Подсчёт вёлся на дорогах, ближайших к точкам отбора снега.

Результаты работы

В ходе работы был отобран и проанализирован снег из 17 точек города. Расположение точек представлено на схеме. Все полученные результаты  мы сравнивали с результатами фоновых точек.

Схема расположения точек отбора снега

1)                 Результаты измерения pH снега и интенсивности автотранспорта представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение интенсивности движения автотранспорта и pH снега

Для установления зависимости между pH снега и количеством машин, делённым на расстояние от места отбора пробы до дороги, мы построили график в программе Excel, который представлен на рисунке.

Зависимость pH снега от интенсивности движения автотранспорта

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением количества транспорта увеличивается pH, то есть происходит защелачивание снега, что соответствует литературным данным.

На фоновых точках мы получили минимальные значения pH, хотя и они превышают значение pH для чистого снега, которое указывается в литературных данных (рН=5,6). Наиболее щелочной снег мы получили в точках: Школа № 17 (рН=7,8), Перекрёсток ул. Зернова и ул. Московская (рН=7,73), поскольку там наблюдается сильное движение, и эти точки находятся недалеко от дороги.

2)                 Результаты измерений содержания химических веществ в талой воде представлены в таблице 2.

Таблица 2 Содержание химических веществ (нитраты (NO₃), аммоний (NH₃/NH₄), фосфаты (PO₄)) в талой воде

Полученные результаты химического анализа нитратов в снеге не дают возможности сделать какие-либо определённые выводы о зависимости его концентрации от интенсивности движения автотранспорта в нашем городе.

В фоновых точках содержание фосфатов (PO₄) минимальное: Серебряные ключи – 0,1ppm, Филипповские озёра – 0 ppm. Содержание PO₄ почти во всех точках города приближено к фоновому и варьируется в пределах от 0 до 0,2 ppm. Наибольшие показатели, резко выделяющиеся на фоне остальных результатов, наблюдаются в точках: Улица Силкина, дом 38 (двор) – 1 ppm и Лицей № 15 (со стороны ул. Александровича) – 0,75 ppm.

То же самое можно сказать про концентрацию аммония (NH₃ /NH₄) – результаты в фоновых точках мало отличаются от результатов по городу. Концентрация аммония варьируется от 0,1 до 0,25 ppm. Резко выделяется лишь результат в точке Улица Силкина, дом 38 (двор) – 1,5 ppm. Учитывая, что рН снега в данной точке более 7, то аммонийное соединение при таких условиях переходит в ядовитую форму.

Мы обратили внимание на то, что в точке Улица Силкина, дом 38 (двор) имеется повышенное содержание как фосфатов, так и аммония. Вероятно, эти загрязнения происходят из одного источника; скорее всего, это продукты жизнедеятельности птиц или домашних животных.

Мы сравнили интенсивность движения в 2000-2001 гг. и в настоящее время. На представленной диаграмме видно, что по сравнению с 2000-2001 гг.интенсивность движения автотранспорта на дорогах г. Сарова возросла в 1,5-2 раза.

Сравнение интенсивности движения в 2000-2001 гг. и в настоящее время

Выводы

1)                 Был проведён отбор и анализ 17 проб снега из различных точек города и ближайших окрестностей.

2)                 Вблизи точек отбора проб был проведён подсчёт интенсивности движения автотранспорта. Самыми загруженными улицами оказались: ул. Акад. Харитона (Маслиха) – 3068 маш./ч., перекрёсток ул. Зернова и ул. Московская – 2764 маш./ч.

3)                  Мы выявили зависимость между pH снега и интенсивностью автотранспорта: с ростом количества транспорта растёт рН. Наиболее щелочной снег мы получили в точках: Школа № 17 (рН=7,8), Перекрёсток ул. Зернова и ул. Московская (рН=7,73), поскольку в этих точках довольно интенсивное движение и точки отбора находятся недалеко от дороги.

4)                 Мы выявили в некоторых точках города повышенное содержание аммония и фосфатов, которое может негативно сказаться на окружающей среде во время снеготаяния. Это подтверждает необходимость уборки продуктов жизнедеятельности домашних животных их владельцами.

5)                 По сравнению с 2000-2001 гг. интенсивность движения автотранспорта на дорогах г. Сарова возросла  в 1,5-2 раза.

Литература

1. Авторы-составители: Е.В.Орлов, С.Б. Шустов, К. А. Орлова. Методические рекомендации по обследованию водоёмов. — Нижний Новгород: Экологический центр «Дронт», 1994. – с. 28-29.
2. Авторы-составители: В.А.Великанова, И.Л.Марголина, О.И.Шокина. Эколого-образовательная программа для молодёжи. Опыт Лужской экологической организации. Методическое пособие. / Под ред. проф. Е. И. Голубевой. – Москва: Изд-во Моск. ун-та, 2004. – с. 31.
3. Панькина Н., Горбачева Т. Использование спектрального анализа для изучения загрязнения снежного покрова на территории школ г. Сарова. Исследовательская работа.  – Саров: ЦВР, 2001. –20 С.
4. Авторы-составители: Л. Н. Шляпугина, И. Е. Морозова,  М. В. Першина. Доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов ЗАТО город Саров в 2006 году. / Саров: Администрация г. Сарова, 2007. – 38 С.
5. Сальникова Е. Комплексное изучение загрязнения атмосферного воздуха около некоторых школ города Сарова. Исследовательская работа. / Открытие Родной земли. Том 2. — Саров: Управление по делам молодёжи, спорта и туризма, ЦВР, 2000. – с. 47-65.
6. Автор-составитель: Р.Д.Хабибуллин. Методическое обеспечение исследовательской деятельности школьников и студентов по экономике. – Нижний Новгород: Детско-юношеский экологический центр «Зелёный Парус», Изд. Ю.А.Николаева, 2008. – с. 41.
7. Автор-составитель: А.Г.Муравьёв. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. – Санкт-Петербург, Изд-во «Крисмас+», 2004. –  с.125-127