ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследований. В современных аккумулятивных ландшафтах происходит формирование техногенно загрязненных осадочных отложений. В этом смысле, данные ландшафты являются аккумуляторами техногенных загрязнений. Исследование почв и донных осадков балок позволяет дать объективную оценку общего уровня загрязнения городских территорий. При этом данный вид наблюдений состояния окружающей среды практически выпал из системы экологического мониторинга. Актуальность данной работы заключается в том, что бы показать эффективность общей оценки степени и масштабов техногенного загрязнения городских территорий в процессе изучения современных техногенных отложений, к которым относятся донные илы.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на основе материалов, полученных в процессе проведения работ по мониторингу почв и донных отложений долин балок г. Донецка в соответствие с программами природоохранных мероприятий местного значения г. Донецка на 2009, 2010, 2011 и 2012 гг. Работа выполнена в сотрудничестве с ПГП Артемовская гидрогеологическая партия г. Артемовск и ООО Технопарк ДонГТУ УНИТЕХ г. Донецк.

Магистерская работа соответствует государственной научной программе Державна цільова екологічна програма проведення моніторингу навколишнього природного середовища.

Также, актуальность данных исследований обосновывается рядом нормативных документов: Законом Украины: Про охорону навколишнього природного середовища від 25.06.91 р. (стаття 22); Законами Украины: Об отходах и Об охране земель; постановлением Кабинета Министров Украины № 391 от 30 марта 1998г.: Положення про державну систему моніторингу довкілля; постановлением Кабинета Министров Украины от 20 августа 1993 г., № 661: Положення про моніторинг земель.

Цель работы. Целью данной магистерской работы является определение роли аккумулятивных ландшафтов в техногенной дифференциации вещества и в городской экосистемы.

Задачи исследований:

Объект исследования. Объектами исследования являются аккумулятивные ландшафты г. Донецка (долины р. Кальмиус, балок Дурная и Рутченковская, балки без названия (Бахмутка), притоков № 1 и № 3 р. Кальмиус).

Предмет исследования. Предметом исследования являются современные осадочные образования аккумулятивных ландшафтов.

Методы исследования:

Научная новизна полученных результатов:

Практическое значение работы. По результатам исследований техногенных осадков можно с уверенностью давать общую накопительную оценку степени и масштабов техногенного загрязнения городских территорий. Поэтому полученные результаты позволяют по-новому пересмотреть приоритеты в системе мониторинга окружающей среды. По состоянию современных аккумулятивных ландшафтов можно судить о степени техногенного влияния на окружающую среду в целом. По степени их загрязнения легко выделяются наиболее техногенно напряженные территории, требующие принятия природоохранных решений.

Личный вклад автора. В течение 2009-2012 гг. автор участвовал в работах по мониторингу состояния почв и донных отложений долин рек и балок г. Донецка. В частности отбирал пробы почв, донных отложений, обрабатывал лабораторные данные и участвовал в составлении научно-производственных отчетов для ПГП Артемовская гидрогеологическая партия и ООО Технопарк ДонГТУ УНИТЕХ.

Апробация результатов работы. Результаты работы были использованы в подготовке производственных отчетов. Также использованы в статье Роль и место ореолов техногенного замещения геологической среды в экосистемах городских территорий Донбасса, которая готовится для печати в сборнике ДонНТУ.

2. Состояние изученности роли аккумулятивных ландшафтов в техногенной дифференциации вещества

Предыстория ландшафтоведения уходит своими корнями к работам выдающегося немецкого натуралиста Александра Гумбольдта (1769-1859). В его основном труде Космос развивается идея единства и взаимосвязи природных явлений на Земле. Он подчеркивал, что природа отдельных территорий должна изучаться как часть целого, т. е. Земли и даже Вселенной. Гумбольдту принадлежит и обобщение к принципу географической зональности в распределении растительности на Земле.

Первые геохимические законы и закономерности были открыты В.И. Вернадским (1863-1945), А.Е. Ферсманом (1883-1945) которые считаются основателями геохимии. Особое место принадлежит В.И. Вернадскому, гениальнейшему ученому и организатору создававшему целые науки (биогеохимия, радиогеология, учения о биосфере и ноосфере и др.). Его работы положили начало планомерному изучению химического состава организмов.

В 30-х годах приступает к разработке учения о ландшафтах на геохимической основе Б.Б Полынов, он вводит понятие о геохимическом ландшафте. Заложенная им геохимия ландшафта близка к почвоведению, так как в почве осуществляется связь между живой и мертвой природой, а детальное химическое изучение почвенных процессов всегда составляло одну из важных задач почвоведения. Научным центром, где развивались эти идеи Полынова, был Почвенный институт им. В.В. Докучаева в Москве. Под руководством Б.Б. Полынова исследования проводились также его учениками в Академии наук Казахстана (М.А. Глазовская) и в Институте геологических наук АН СССР в Москве (А.И. Перельман).

Дальнейшее развитие геохимии ландшафта было связано с проблемами поиска рудных месторождений, при котором активно стали применяться геохимические методы. А.И. Перельманом была разработана схема обзорного ландшафтно-геохимического районирования территории СССР. Стало развиваться новое направление – палеогеохимия ландшафтов. Большой вклад в развитие геохимии ландшафта внесла М.А. Глазовская (занималась изучением геохимии техногенных ландшафтов и др.).

В последние десятилетия разрабатываются методы изучения ландшафтов посредствам географических информационных систем, дешифрирования космических снимков. С их помощью проще вести мониторинг окружающей среды, составлять почвенные и ландшафтные карты.

3. Характеристика аккумулятивных ландшафтов

3.1 Общие сведения

Под ландшафтом понимается конкретная территория, однородная попроисхождению и истории развития, обладающая единым геологическим основанием, однотипным рельефом, единообразным сочетанием почв и растительности и отличающаяся от других территорий структурой, характером взаимосвязи и взаимодействия между отдельными компонентами этой территории. По определению А.И. Перельмана, ландшафт – это сложная неравновесная система, в которой происходит взаимодействие и взаимопроникновение элементов между породой, почвой, водами, воздухом, живыми организмами [19].

3.2 Классификации

В основе всякой классификации лежат признаки изучаемых объектов. В первую очередь необходимо установить таксономическое значение отдельных геохимических признаков ландшафта. Так как геохимические особенности ландшафтов определяются миграцией атомов, то в основу классификации следует положить особенности миграции химических элементов, а также понятие об элементарном ландшафте, введенное в науку Б.Б. Полыновым в 1926 г.

Согласно Б.Б. Полынову, все элементарные ландшафты суши по условиям миграции химических элементов можно объединить в три группы:

  1. Элювиальные ландшафты располагаются на повышенных элементах рельефа, характеризуются хорошим дренажем и глубоким залеганием грунтовых вод, выносом вещества нисходящими токами влаги. М.А. Глазовская выделяет 4 подтипа элювиальных ландшафтов: собственно элювиальные, трансэлювиальные, трансэлювиально-аккумулятивные, элювиально-аккумулятивные.
  2. Супераквальные (надводные) ландшафты – приурочены к пониженным элементам рельефа с близким залеганием грунтовых вод. Здесь наблюдается частичная аккумуляция химических элементов, привнесенных как грунтовыми водами, так и из элювиальных ландшафтов.
  3. Субаквальные (подводные) ландшафты – образуются на дне водоемов и представляют собой зону аккумуляции веществ.

3.3 Факторы и процессы миграции техногенного вещества в аккумулятивные ландшафты

Миграция веществ в аккумулятивные ландшафты осуществляется с прилегающих территорий, путем поверхностного стока и подземных вод. Преобладающую роль в геохимической дифференциации территории играют водные потоки.

Всё многообразие миграции техногенного вещества в ландшафте, по форме передвижения, можно свести в типы, выделенные Перельманом (1979):

  1. механическая (перемещение химических элементов без изменения форм их нахождения);
  2. физико-химическая (включает миграцию с сопутствующими химическими реакциями (диффузия, процессы радиоактивного распада, явления изоморфизма, процессы сорбции);
  3. биогенная (миграция, связанная с жизнедеятельностью животных и организмов);
  4. техногенная (миграция под воздействием сознания людей).

В.А. Алексеенко, уделяя внимание непосредственно форме нахождения мигрирующих элементов, предлагает следующее деление миграции на типы:

  1. первый тип миграции - изменение формы нахождения элемента без его значительного перемещения (пример: переход элемента из минеральной формы в раствор).
  2. второй тип миграции – перемещение элемента без изменения формы его нахождения (пример: перемещение аэрозолей в атмосфере, обломков минералов в поверхностных водах и др.);
  3. третий тип миграции – перемещение элементов с изменением форм их нахождения (переход Fe3+ → Fe2+ при элювиальном оглеении и миграция с грунтовыми водами).

Геохимические барьеры – участки ландшафтной сферы, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и концентрация химических элементов и соединений [1].

Для аккумулятивных ландшафтов техногенных городов характерен сульфидный (сероводородный) барьер. Эти барьеры возникают там, где кислородные или глеевые воды встречают на своём пути сероводородную обстановку. Естественно, если в сероводородную среду проникают сероводородные воды, никакого барьера не возникает. На сероводородных барьерах наиболее эффективно накапливаются халькофильные элементы (так как они непосредственно связываются с серой, образуя сульфидные соединения), отчасти – сидерофильные, и в наименьшей мере литофильные.

4. Методика исследований

4.1 Обоснование сети опробования объектов аккумулятивных ландшафтов

Пробы отбирались с балок Дурная и Рутченковская, балки без названия (Бахмутка), р. Кальмиус, притоков № 1 и № 3 р. Кальмиус. Площадки отбора проб размещены линейно, на определенном расстоянии между собой (100-200м.), образуют контрольный створ вдоль исследуемых балок от их верховья до устья. В некоторых случаях отбирались донные отложения прудов и балок, так, детально исследован Первый городской пруд.

При выборе размещения площадок опробования учитывались различные региональные и локальные техногенные факторы. К региональным факторам относятся выбросы крупных промышленных предприятий города, выбросы автомобильной и прочей техники. Воздействие транспортных средств наиболее интенсивно проявляется вблизи от автомобильных и железных дорог, которые опоясывают и пересекают долины балок

Локальные факторы непосредственного воздействия в пределах исследуемой и прилегающей территории, ограниченной водоразделами, представлены весьма разнообразно:

4.2 Лабораторные исследования проб почво-грунтов и донных отложений

Химико-аналитические исследования проб почв и донных отложений проведены в лаборатории ООО Комплексная лаборатория Стандарт г. Артемовск Донецкой обл.

Перечень определяемых ингредиентов обосновывался, исходя из возможного характера влияния установленных источников загрязнения на почвы и существующего опыта мониторинга почв г. Донецка. Концентрации опасных токсичных элементов городских почв определялись во всех пробах количественными методами. Перечень контролируемых ингредиентов и методика их определения приведены в табл.4.1.

Табл. 4.1. Перечень контролируемых ингредиентов и методика их определения

№ п/п Определяемый ингредиент Методика определения
Валовое содержание
1 Кадмий НСАМ 155-х
2 Медь НСАМ 155-х
3 Ртуть НСАМ 333-х
4 Свинец НСАМ 155-х
5 Цинк НСАМ 155-х
6 Никель НСАМ 155-х
7 Марганец НСАМ 155-х
8 Мышьяк НСАМ 245-х
9 Хром НСАМ 450-с
10 Кобальт НСАМ 155-х
11 Ванадий НСАМ 17-х
12 Молибден НСАМ 119-х
13 рН ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки
14 Сульфат-ион ГОСТ 264426-85. Почвы. Метод определения иона сульфата в водной вытяжке
15 Хлорид-ион ГОСТ 264425-85. Почвы. Метод определения иона хлорида в водной вытяжке
16 Гидрокарбонат-ион ГОСТ 264424-85. Почвы. Метод определения карбоната и бикарбоната в водной вытяжке
17 Калий-ион ГОСТ 264427-85. Почвы. Метод определения натрия и калия в водной вытяжке
18 Натрий-ион ГОСТ 264427-85. Почвы. Метод определения натрия и калия в водной вытяжке
19 Кальций-ион ГОСТ 264428-85. Почвы. Метод определения кальция и магния в водной вытяжке
20 Магний-ион ГОСТ 264428-85. Почвы. Метод определения кальция и магния в водной вытяжке
21 Сухой остаток ГОСТ 264423-85. Почвы. Метод определения электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки

4.3 Методика обработки данных

В основу методов обработки и обобщения полученных данных заложены общепринятые рекомендации и нормативные документы [10,11,12,13,14].

Для характеристики степени загрязнения почв и донных отложений изучаемой территории были рассчитаны коэффициенты концентрации (Кс) компонентов по отношению к региональным фоновым концентрациям.

Исследуемая территория приурочена к западной части Донецко-Макеевского геолого-промышленного района. Поэтому для оценки уровня суммарного загрязнения были использованы фоновые концентрации элементов в почвах (табл. 4.2), рассчитанные для двух условно чистых площадок при проведении ГГП Донбассгеология специальных геолого-экологических работ в данном районе [17].

Табл. 4.2 Фоновые концентрации элементов в почвах

Химический элемент геофон, мг/кг
Ртуть 0,035
Кадмий 1
Свинец 20
Цинк 70
Медь 30
Никель 50
Кобальт 18
Хром 100
Марганец 700
Молибден 1,23
Ванадий 99,6
Мышьяк 1,9

Для оценки степени опасности загрязнения почв для каждой пробы был рассчитан суммарный показатель химического загрязнения – Zс. В зависимости от этого показателя, почвы по степени опасности загрязнения подразделяются на категории, приведенные в табл. 4.3.

Табл. 4.3. Ориентировочная шкала загрязнения почв химическими веществами и степень опасности загрязнения

Загрязнение почв по методике Мингео УССР
Степень опасности по методике Минздрава СССР.
Категория загрязнения Суммарные показатели загрязнения Степень опасности
Слабо загрязненные 0-10 <16 Допустимая
Средне загрязненные окт.20
Сильно загрязненные 20-30 16-32 Умеренно опасная
Очень сильно загрязненные 30-128 32-128 Опасная
Чрезвычайно загрязненные >128 >128 Чрезвычайно опасная

5. Основные результаты работы

Все исследуемые объекты (балки Дурная и Рутченковская, балка без названия (Бахмутка), долина р. Кальмиус, притоков № 1 и № 3 р. Кальмиус) расположена в черте г. Донецка, где на прилегающей территории отмечается достаточно высокий уровень техногенной нагрузки. Вдоль балок, по бортам, в пределах водосборной площади расположено множество источников загрязнения почв – породные отвалы, промплощадки предприятий, канализационные коллектора, жилые дома с приусадебными участками, гаражи, различные производственные, строительные, коммерческие и коммунальные предприятия, густая сеть автомобильных дорог. Непосредственно склоны и поймы балок служат населению местом несанкционированного сброса отходов. Почвы пойменной части балки и в особенности донные отложения прудов являются аккумуляторами суммарных техногенных выбросов со стороны различных региональных и локальных источников г. Донецка. Токсичные элементы и соли, аккумулирующиеся в почвах, частично удаляются при промывке почв атмосферными осадками, в процессе потребления растениями и микроорганизмами, под воздействием эрозии и дефляции. Вместе с этим загрязняющие вещества в почвах могут находиться длительное время. Накопительными свойствами обладают черноземы слабогумусные суглинистые, у которых органическая часть (гумус) и глинистые минералы обладают большой поглотительной способностью (восстановительный, сорбционный барьеры) по отношению к большинству металлов и токсичных элементов.

В достаточной степени загрязнение почв балок происходит в процессе водной миграции, при помощи поверхностного стока с прилегающих территорий. Наиболее проявлено загрязнение почв в связи с водной миграцией на участках выклинивания загрязненных грунтовых вод на поверхность в пределах заболоченных территорий. Дополнительное загрязнение почв на заболоченных участках происходит при локализации макро и микроэлементов на сероводородном барьере. Аккумуляция всего спектра загрязнителей происходит в донных отложениях прудов. Здесь формируются устойчивые геохимические ассоциации элементов, отражающие общую направленность техногенных преобразований геологической среды города.

(анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 180 килобайт

Рис.1 Донные отложения

Для объективной оценки загрязнения почво-грунтов проводились исследования распределения показателей вдоль контрольных створов исследуемых объектов, Данный анализ позволяет определить общий уровень загрязнения почв, установить индикаторные элементы загрязнения территории, проследить их пространственную динамику и выделить наиболее экологически опасные участки. Для большинства микроэлементов считается, что флуктуация нормального геохимического поля находится в пределах 0,5-1,5 геофона. В случае концентраций ниже 0,5 геофона выделяют отрицательные геохимические аномалии и, соответственно, когда фон превышается в 1,5 и более раз можно говорить об положительных аномалиях. В каждом конкретном случае на уровень аномальности элемента влияет характер его распределения в почвах, который может меняться от равномерного до крайне неравномерного.

В результате обработки полученных из лаборатории данных можно сделать несколько общих для всех исследуемых территорий выводов.

Превышение фоновых концентраций выявлено почти у всех исследуемых токсичных элементов, наибольший вклад в суммарное загрязнение вносит Cd, средние превышения которого составляют – 7 фона. Превышения других элементов не на столь велики, так Hg – 2,2 фона, Pb – 1,4 фона, Cu – 1,3 фона, Zn – 1,2 фона, Mn – 1,15 фона, Co и Cr – 1,1 фона.

Почти половина площади почво-грунтов характеризуется повышенной и средней категорией загрязнения (Zc от 10 до 16). Основными элементами, влияющими на степень суммарного загрязнения, являются кадмий, ртуть и свинец. Концентрация остальных токсичных элементов находится в пределах флуктуации нормального геохимического поля. Наиболее масштабные и интенсивные ореолы загрязнения выделяются для кадмия.

При определении коэффициентов концентраций по отношению к фону донных отложений, а также по комплексному показателю Zc, было установлено среднее превышение по Сd – 4,15 фона; Hg – 1,6 – 3 фона; Pb – 2 фона; Zn – 1,3 фона; Mn – 1,6 фона; Co – 1,5 фона, As – 2,4 фона и Mo – 10,9 фона. По усредненной категории загрязнения территории можно отнести к допустимой степени (Zc=10-16 ед.), а наибольший вклад в суммарное загрязнение донных отложений вносит молибден.

Донные отложения по отношению к токсичным элементам обладают накопительными способностями, что наглядно демонстрируют графики распределения средних показателей загрязнения в почвах и донных отложениях исследуемых объектов. Отчетливо устанавливаются значительно более высокие концентрации практически всех элементов в донных отложениях. Исключение составляют кобальт и ртуть, концентрации которых в почвах выше.

В целом степень загрязнения аккумулятивных осадков дает объективную оценку техногенной нагрузки города Донецка. Набор индикаторных элементов загрязнения городских территорий составляют кадмий, мышьяк, свинец, молибден, цинк, марганец. Они входят в состав группы халькофильных элементов, образующих соединения с сульфидной серой. При этом они образуют собственные минералы (сульфиды) или входят в их состав в виде изоморфных примесей. Основным известным сульфидом является пирит (FeS2). С ним может ассоциировать широкая группа сульфидов мышьяка, цинка, свинца, ртути, сурьмы, висмута, молибдена, меди, серебра. Кадмий редко образует собственные минералы, чаще входит в качестве изоморфной примеси в сфалерит (ZnS). Выделенная группа элементов и минералов сопровождает руды железа и цветных металлов. То есть выбросы в атмосферный воздух, сырье, отходы и продукция угледобывающей и металлургической промышленности могут служить источником поступления данных токсичных элементов в окружающую среду. Источниками загрязнения могут служить выбросы металлургических, коксохимических заводов, породные отвалы, вентиляционные стволы шахт, печное отопление жилых домов и пр. Дополнительный привнос в окружающую среду данных элементов возможен со стороны свалок и накопителей различных отходов [3].

Рис.1 Соотношение коэффициентов концентрации элементов в почвах и донных отложениях б. Рутченковская

Рис.1 Соотношение коэффициентов концентрации элементов в почвах и донных отложениях б. Рутченковская

После проведенных оценок загрязнения почво-грунтов и донных отложениях можно выделить, что загрязнение проявляется как на склонах, так и в долине балки. Это можно объяснить тем, что почвы и другие поверхностные рыхлые отложения не являются конечными аккумуляторами элементов загрязнителей, хотя принимают их первыми. Направления миграции более ориентированы в пространстве (к долине балки и вдоль нее), а формируемые ореолы загрязнения (замещения) грунтов зоны аэрации, водовмещающих пород, донных отложений, подземных и поверхностных вод имеют более устойчивый характер проявления и закономерное развитие. Именно на этапе водной миграции и локализации загрязняющих веществ проявляются накопительные особенности аккумулятивных ландшафтов территорий.

Результаты отчетливо показывают и доказывают значительное скопление и локализацию техногенного вещества в донных отложениях аккумулятивных ландшафтов. Локализация большинства химических элементов происходит на сероводородном барьере, который является очень распространенным на исследуемых территориях. На степень загрязнения почв и донных отложений исследуемых территорий оказывают влияние региональные и локальные техногенные факторы. Региональными, проявленными на значительных площадях факторами являются выбросы крупных промышленных предприятий г. Донецка. К региональному фактору можно отнести выбросы автомобильной и прочей техники, учитывая плотность автомобильных и железных дорог, а также интенсивность транспортного потока.

По состоянию загрязнения современных аккумулятивных ландшафтов, можно судить об общей техногенной нагрузке городской экосистемы. Но мониторинг аккумулятивных ландшафтов применяется очень редко, из – за слабо развитой методической базы и устоявшихся стереотипов о приоритетах мониторинга атмосферного воздуха, почво-грунтов, поверхностных и подземных вод.

Список источников

  1. Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Геохимические барьеры. М., Логос, 2003 – 114 с.
  2. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М., Логос, 2000.
  3. Алексеенко В.А. и др. Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов
  4. Вернадский В.И. Живое вещество. М.
  5. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы. М.
  6. Волкова Г.А. Оценка малых элементов в каменных углях Донбасса на 1989-1991гг. (Юго-Западный Донбасс). – Артемовск: Фонды п/о круглегеология, 1991. – 204 с.
  7. Временные методические рекомендации по проведению геолого-экологических исследований при геологоразведочных работах.
  8. Голубев Г.Н. Геоэкология. М. 1999 г.
  9. Геолого-экологические исследования в районе объектов Авдеевского коксохимического завода. Донецк, 1996.
  10. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору почв.
  11. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактеорологического, гельминтологического анализа.
  12. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния.
  13. Закон Украины Об отходах.
  14. Закон Украины Об охране земель.
  15. Каждан А.Б., Гуськов О.И., Шиманский А.А. Математическое моделирование в геологии и разведке полезных ископаемых. М., Недра, 1979, 168 с.
  16. Краткий справочник по геохимии / Войткевич Г.В., Мирошников А.Е. и др. – М.: Недра, 1970. – 280 с.
  17. Мониторинг состояния почво-грунтов в пределах санитарно-защитной зоны ЗАО Донецксталь – металлургический завод в 2008 г. Отчет. ПГП Артемовская гидрогеологическая партия, Донецк, 2008.
  18. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами, № 4266-87, Минздрав СССР. Москва 1987.
  19. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. – М.: Высшая школа, 1989.
  20. Перельман А.И. Биокосные системы Земли. – М.: Высшая школа, 1977.
  21. Перельман А.И. Геохимия природных вод. – М. 1983.