Воздействие техносферы на загрязнение водоемов рекреационных зон мегаполиса

УДК 504.5

А.В. Сорокин, Е.В. Сотникова

ФГБОУВПО «МАМИ»

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕХНОСФЕРЫ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДОЕМОВ РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН МЕГАПОЛИСА

Проведен анализ загрязнения депонирующих сред (почв, вод и донных отложений) Верхнего Кузьминского пруда тяжелыми металлами и элементами. Исследования химического состава выполнены методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Рассчитаны коэффициенты вариации концентрации металлов в исследуемых средах. Выявлены металлы с превышенными или граничными фоновыми концентрациями. Для выявления закономерностей в распределении и накоплении определяемых компонентов проведено сравнение с имеющимися данными по Большому Тропаревскому пруду.

Ключевые слова: тяжелые металлы, почва, донные отложения, коэффициент вариации.

При проведении исследований, направленных на изучение сложных, многофакторных явлений, таких как депонирование и распределение микроэлементов и тяжелых металлов, становится очевидной необходимость анализа нескольких схожих природных систем. В результате подобных изысканий могут быть получены уникальные данные позволяющие судить о схожести, принципах депонирования, распространении и распределении исследуемых элементов, выявить реальные кларковые числа для схожих систем или указать на существующие проблемы на том или ином участке системы.

Проведение подобных исследований представляет актуальную задачу, поскольку на биосферу оказывается большая нагрузка за счет поступления многообразных загрязняющих веществ, по большей части продуктов деятельности человека [1].

При выборе целевых компонентов исследований традиционно выбирают тяжелые металлы и токсичные элементы, которые в большинстве случаев являются маркерами деятельности человека.

При проведении данного исследования в качестве целевых компонентов были выбраны элементы, входящие в ГОСТ 17.4.1.02—83 [1] как вещества с разной степенью опасности. Кроме того, из-за возможного использования в качестве высокооктановой добавки в топливо ферроцена, железо так же было внесено в список целевых компонентов. Подобное решение было обосновано в т.ч. данными, полученными при анализе проб почвы, воды и донных отложений Большого Тропаревского пруда, где железо имело доминирующие положение в цепи распределения концентраций.

Объектом исследования геохимической миграции и депонирования загрязнителей биосферы стала система природных сред почва — вода — донные отложения Верхнего Кузьминского пруда, расположенного вблизи бывшего села и усадьбы Кузьминки (Влахернское) в природном и историческо-рекреа-ционном комплексе «Кузьминки — Люблино», откуда пруд и получил свое на-

звание. Другое название — Мельничный пруд — он получил по находившейся на его берегу мельнице [2, 3]. Верхний Кузьминский — самый большой пруд в каскаде (площадь 14,5 га, средняя глубина 2,5 м, объем воды 360,0 тыс. м3). Дно пруда песчаное пологое. Питание осуществляется за счет грунтовых и поверхностных вод. Пруд и его окружение, как и остальные пруды данной рекреационной зоны — исторический памятник, включенный в реестр ЮНЕСКО. Вокруг пруда расположен дворцово-парковый ансамбль Кузьминки, бывшая усадьба князей Голицыных [4, 5].

Кузьминский лесопарк находится в черте г. Москвы и ограничен со всех сторон оживленными транспортными системами. Так, на севере, северо-востоке и востоке с ним граничат и оказывают антропогенную нагрузку Волгоградский проспект и Московская кольцевая автодорога, на юге и юго-востоке лесопарк граничит с улицами района Люблино: ул. Верхние поля, ул. Чагин-ская, ул. Ставропольская. На западе — с Краснодонской и Люблинской улицами. Антропогенная нагрузка, которая оказывается на Кузьминский лесопарк, исходит не только от автотранспорта, но и от промышленных предприятий, находящихся в его районе. Так в ЮВАО действует около 50 предприятий, из них 15 — химической и нефтехимической промышленности, 14 — пищевой, 11 — машиностроения и металлообработки, 10 — деревообрабатывающей промышленности.

Дополнительным критерием при выборе данного водоема являлась мутность воды: считается, что в водных потоках многие химические элементы мигрируют преимущественно во взвешенной форме [6]. Пруд образован на рубеже ХУШ в. и входит в каскад прудов. Длина линии регулирования пруда — около 3200 погонных метров; средняя ширина — 80 м; длина, около — 1500 м. Уровень водной поверхности пруда находится на абсолютной отметке 126 м.

Пробы почвы отбирали с учетом ГОСТ 17.4.3.01—831 и ГОСТ 17.4.4.02— 842, для чего береговую линию равномерно разделяли на 17 пробных площадок по 1 га каждая. За объединенную пробу почвы принимали две точечные, отобранные с каждой площадки. Они, в свою очередь, состояли из проб с глубиной отбора 0...5 и 5...20 см. Всего было отобрано 68 проб, проанализированы 17 объединенных проб (по числу пробных площадок). Пробы донных отложений отбирали, руководствуясь ГОСТ 17.1.5.01—803. Всего было отобрано и проанализировано 17 проб донных отложений. При отборе проб воды руководствовались ГОСТ Р 5 1592—20 004, ГОСТ 17.1.5.05—855, ГОСТ 17.1.3.07—826.

1 ГОСТ 17.4.3.01—83. Почвы. Общие требования к отбору проб.

2 ГОСТ 17.4.4.02—84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.

3 ГОСТ 17.1.5.01—80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность.

4 ГОСТ Р 51592—2000. Вода. Общие требования к отбору проб.

5 ГОСТ 17.1.5.05—85. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков.

6 ГОСТ 17.1.3.07—82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков.

Отобранные пробы воды были подкислены азотной кислотой на месте. Всего было отобрано 17 проб воды.

Все отобранные пробы были проанализированы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, согласно ПНДФ 14.1:2:4.135—987 и ПНДФ 16.1:2.3:3.11—988. Определяли элементы, входящие в 1, 2, 3 классы опасности (ГОСТ 17.4.1.01—83)9, железо. Для определения валового содержания химических элементов пробы почв и донных отложений подвергались полному разложению минеральными кислотами.

Всего проанализировали 51 пробу. В результате полученных данных исследуемые элементы были ранжированы в порядке возрастания их концентрации в природных средах. Было установлено, что в данных природных телах преобладают барий, марганец, цинк, стронций, свинец, железо. Таким образом, полученные данные вместе с данными о концентрациях исследуемых элементов в Большом Тропаревском пруду позволяют судить о сходстве в распределении исследуемых элементов в природных телах. При этом абсолютное сходство показали: в воде: Cd, Sb, As, Сг, Си, Ba, Sr, Fe; в почве: W, As, Mn, Fe; в донных отложениях: Sb, W, Mo, Cd, Se, Сг, Ba, 2п, Mn, Fe. Между остальными элементами разница была незначительна.

Была произведена математическая обработка результатов, включавшая в себя расчет коэффициентов вариации. В результате установлено, что в диапазон однородности входят 95 % от общего числа исследуемых в воде элементов. При этом максимальное варьирование характерно для свинца (54,67 %). Таким образом, диапазон однородности применительно к данному природному телу лежит от стронция (1,6 %) до цинка (29,2 %). Это говорит о достаточной однородности изучаемой совокупности и надежности средних значений. Расчет коэффициента вариации элементов в почве показал, что диапазон однородности находится от бора (13,6 %) до стронция (33,0 %), в него входит 63 % от общего числа исследуемых элементов. При этом максимальное варьирование характерно для хрома (45,4 %), вольфрама (41,6 %), цинка (40 %), кадмия (38,6 %) и селена (35,6 %).

В донных отложениях максимальное варьирование характерно для стронция (63,5 %), вольфрама (59,3 %), сурьмы (59 %), меди (54,15 %), молибдена (44,5 %); умеренное для элементов ряда хром — марганец. Минимальное варьирование элементов в ряду от кобальта до свинца, в него входит 42 % от всех элементов. Рассчитанные коэффициенты вариации были сопоставлены с данными, полученными при исследовании системы почва — вода — донные отложения Большого Тропаревского пруда (рис. 1).

7 ПНДФ 14.1:2:4.135—98. Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

8 ПНДФ 16.1:2.3:3.11—98. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

9 ГОСТ 17.4.1.02—83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения.

ВЕСТНИК

МГСУ-

8/2013

Рис. 1. Коэффициенты вариации для исследуемых элементов в почве верхнего Кузьминского и Большого Тропаревского прудов: 1 — значения коэффициента вариации Большого Тропаревского пруда; 2 — значения коэффициента вариации верхнего Кузьминского пруда

Таким образом, несмотря на некоторые различия значений по B, Mn, Se в почве, полученные кривые указывают на принципиальное сходство коэффициентов вариации изучаемых элементов в системах Большого Тропаревского и верхнего Кузьминского прудов (рис. 2). В результате проведенного исследования были получены значения логарифмов средних концентраций в пробах почвы и донных отложений. В ходе проведения математической обработки для выявления отношения полученных концентраций к фоновому значению (кларку почв), пользовались значениями, указанными для дерново-подзолистых суглинистых и глинистых почв10.

Рис. 2. Средние значения коэффициентов вариации для исследуемых элементов в природных телах верхнего Большого Тропаревского и Кузьминского прудов: 1 — значения Большого Тропаревского пруда; 2 — для верхнего Кузьминского пруда

Для элементов, не вошедших в СП 11-102—97, использовали средние значения кларковых чисел, указанных Ведеполем, Тэйлором [7, 8] и Виноградовым [9, 10]. В результате сравнения логарифма полученных концентраций с логарифмом

10

СП 11-102—97. Инженерно-экологические изыскания для строительства.

фоновых значений, было установлено, что содержание элементов первого класса опасности в почве превышает фоновые значения либо находится близко к критической отметке, равной 1 ^К[Ме]/[Кларк] (рис. 3). При сравнении с данными, полученными во время исследования системы Большого Тропаревского пруда, прослеживается большое сходство, что может свидетельствовать о повышении фоновых значений концентраций в условиях мегаполиса. Для расчета относительного содержания исследуемых элементов в донных отложениях пользовались логарифмами фоновых значений для почвы (рис. 4), 1-й график, и фоновыми значениями, определенными документами11 (рис. 4), 2-й график. В результате установлено, что допустимое содержание элементов первого класса опасности в донных отложениях не превышает фоновые значения (за исключением Se), но находятся близко к критической отметке, равной 1 ^К[Ме]/[Кларк].

В V Сг Ми Со Ni Си Zn As Se Sr Mo Cd Sb Ba W Hg Pb Fe

/  2

Рис. 3. Логарифм концентраций исследуемых элементов почвы в сравнении с кларком: 1 — значения для почвы верхнего Кузьминского пруда; 2 — значения для почвы Большого Тропаревского пруда

1.60 -1

1.40

В V Сг Мп Со Ж Си 7л. Аз Бе Бг Мо й1 5Ь В1 И РЬ Ре

/ Ш2,

Рис. 4. Логарифм концентраций исследуемых элементов донных отложений в сравнении с кларком почвы и фоновыми значениями: 1 — значения отношения для кларков почвы; 2 — значения отношения для фоновых значений, согласно [12]

11 Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга. Утверждены главным государственным санитарным врачом по Санкт-Петербургу 17.06.1996 и комитетом по охране окружающей среды и природных ресурсов Санкт-Петербурга и Ленинградской области 22.07.1996.

Полученные значения были сопоставлены с данными по Большому Тро-паревскому пруду. Профили концентраций исследуемых элементов в разных рекреационных зонах являются весьма схожими.

В результате проведенной работы можно говорить о нормальном для подобных систем распределении исследуемых элементов в донных отложениях, для которых средний коэффициент вариации составил 36,94 %. При этом коэффициент вариации для воды и почвы равен 10,6 и 25,86 % соответственно. При необходимости проведения мониторинга данной системы, целесообразно контролировать показатели, концентрации которых превышают фоновые значения (1 ^К[Ме]/[Кларк]). Для почвы такими показателями являются Cu, Zn, As, Se, Cd, Hg Pb, Fe; приграничные значения имеют B, Cr, Mn, Co, Ni. Для донных отложений показателями с пограничными значениями являются Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb. При установлении реального кларкового числа рекреационных зон мегаполиса следует обратить внимание на очевидное сходство в распределении концентраций элементов между разными системами: Большого Тропаревского и верхнего Кузьминского прудов. Кроме того, с учетом схожих профилей отношений логарифмов концентраций исследуемых элементов к фоновым значениям разных рекреационных зон для почвы и донных отложений, можно говорить о уровне загрязнения рекреационных зон, при котором превышения значений Cu, Zn, As, Se, Cd, Hg Pb, Fe является нормальным фоном для мегаполиса. Однако для достоверной оценки фоновых значений (кларкового числа) необходимо проводить дополнительные изыскания на схожих условиях.

Библиографический список

1. Эльбекян К.С., Ходжаян А.Б., ГевандоваМ.Г. Неблагоприятное воздействие на организм тяжелых металлов как экологического фактора // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11. № 1 (6). С. 1197—1199.

2. Улицы Москвы. Старые и новые названия : топонимический словарь-справочник. М. : Наука, техника, образование, 2003. 336 с.

3. КоробкоМ.Ю. Москва усадебная : путеводитель. М., 2005. С. 175—208.

4. Коробко М.Ю. Московский Версаль: Кузьминки-Люблино. М., 2001. 126 с.

5. Порецкий Н.А. Село Влахернское. М., 1913 репринт. М., 2000. С. 5—9.

6. Muhammad Aqeel Ashrafb Mohd. Jamil Maah and Ismail Bin Yusoff. Study of Water Quality and Heavy Metals in Soil & Water of Ex-Mining Area Bestari Jaya, Peninsular Malaysia. International Journal of Basic & Applied Sciences IJBAS-IJENS Vol. 10, no. 03.

7. Wedepohl K.H. Geochemie. 1967 (Sammiung Göschen, Bd 1224-1224a/1224b). 220 p.

8. Taylor S.R. (1964). Abundance of chemical elements in the continental crust; a new table // Geochimica et Cosmochimica Acta 28(8): 1,273-1,285. doi: 10.1016/0016-7037(64)90129-2. Pp. 414—422.

9. Виноградов А.П. Закономерности распределения химических элементов в земной коре // Геохимия. 1956. № 1. С. 6—52.

10. Виноградов А. П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555—571.

Поступила в редакцию в июне 2013 г.

Об авторах: Сорокин Александр Валерьевич — аспирант кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Б. Семёновская, д. 38, 8(495) 223-05-23 доб. 13-84, alex_sorokin@list.ru;

Сотникова Елена Васильевна — кандидат химических наук, доцент кафедры экологической безопасности автомобильного транспорта, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Б. Семёновская, д. 38, 8(495) 223-05-23 доб. 13-84, ev.sotnikova@ yandex.ru.

Для цитирования: Сорокин А.В., Сотникова Е.В. Воздействие техносферы на загрязнение водоемов рекреационных зон мегаполиса // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 123—130.

A.V. Sorokin, E.V. Sotnikova

EFFECT PRODUCED BY THE TECHNOSPHERE ON THE POLLUTION OF WATER BODIES IN RECREATION AREAS OF A MEGALOPOLIS

This article contains a quantitative analysis of the content of heavy metals in soils, waters and sediments of the Verkhniy Kuz'minskiy pond in Moscow. This pond, coupled with other water bodies of the recreation area, represent a historical monument included into the UNESCO registrar. It is common practice to consider heavy metals and toxic elements as target research components. In most cases, these substances serve as the markers of the human activity. Besides, iron was also included into the list of target research components due to the possibility of the ferrocene admixture in the fuel. This decision was also substantiated by the data obtained on the basis of the analysis of samples of soil, water and benthal deposits of the Bol'shoy Troparevskiy Pond in Moscow. The quantitative analysis performed according to GOST 17.4.02—83 (State Standard 17.4.02—83) included elements of the ICP-MS technique. The variations factor was calculated for the heavy metals content in the soil, water and benthal deposits. Highly concentrated elements were found there. A comparison with the prior data on the content of the above components in the Bol'shoy Troparevskiy Pond was performed to identify patterns of distribution and accumulation of the components under research.

Key words: heavy metals, soil, benthal deposits, coefficient of variations, ICP-MS.

References

1. El'bekyan K.S., Khodzhayan A.B., Gevandova M.G. Neblagopriyatnoe vozdeystvie na organizm tyazhelykh metallov kak ekologicheskogo faktora [Adverse Effect of Heavy Metals on the Human Organism as an Ecological Factor]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN [News of Samara Centre for Research of the Russian Academy of Sciences]. 2009, vol. 11, no. 1(6), pp. 1197—1199.

2. Ulitsy Moskvy. Starye i novye nazvaniya: toponimicheskiy slovar'-spravochnik [Streets of Moscow. Old and New Names. Toponymical Reference Book]. Moscow, Nauka, Tekhnika, Obrazovanie Publ., 2003.

3. Korobko M.Yu. Moskva usadebnaya: putevoditel' [Guide to Moscow Mansions]. Moscow, 2005.

4. Korobko M.Yu. Moskovskiy Versal': Kuz'minki-Lyublino [Moscow Versailles: Kuz'minki-Lyublino]. Moscow, 2001, 126 p.

5. Poretskiy N.A. Selo Vlakhernskoe [Vlakhernskoe Village]. Moscow, 1913; reprinted in Moscow, 2000.

6. Ashrafb M.A., Maah M.J. and Yusoff I.B. Study of Water Quality and Heavy Metals in Soil & Water of Ex-Mining Area Bestari Jaya, Peninsular Malaysia. International Journal of Basic & Applied Sciences IJBAS-IJENS. Vol. 10, no. 03.

7. Wedepohl K.H. Geochemie. Sammiung Göschen, Bd 1224-1224a/1224b, 1967. 220 p.

8. Taylor S.R. Abundance of Chemical Elements in the Continental Crust; a New Table. Geochimica et Cosmochimica Acta 28(8): 1,273-1,285. doi: 10.1016/0016-7037(64)90129-2. 1964. Pp. 414—422.

9. Vinogradov A.P. Zakonomernosti raspredeleniya khimicheskikh elementov v zemnoy kore [Regularities of Distribution of Chemical Elements in the Earth Crust]. Geokhimiya [Geochemistry]. 1956, no. 1, pp. 6—52.

10. Vinogradov A. P. Srednie soderzhaniya khimicheskikh elementov v glavnykh tipakh izverzhennykh gornykh porod zemnoy kory [Average Content of Chemical Elements in Major Types of Erupted Rock in the Earth Crust]. Geokhimiya [Geochemistry]. 1962, no. 7, pp. 555—571.

About the authors: Sorokin Aleksandr Valer'evich — postgraduate student, Department of Environmental Safety of Motor Transport, Moscow State University of Machine Building (MAMI), 38 B. Semenovskaya st., Moscow, 107023, Russian Federation; alex_so-rokin@list.ru; +7 (495) 223-05-23, ext. 1384;

Sotnikova Elena Vasil'evna — Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Environmental Safety of Motor Transport, Moscow State University of Machine Building (MAMI), 38 B. Semenovskaya st., Moscow, 107023, Russian Federation; ev.sotnikova@yandex.ru; +7 (495) 223-05-23, ext. 1384.

For citation: Sorokin A.V., Sotnikova E.V. Vozdeystvie tekhnosfery na zagryaznenie vo-doemov rekreatsionnykh zon megapolisa [Effect Produced by the Technosphere on the Pollution of Water Bodies in Recreation Areas of a Megalopolis]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 123—130.