Снежный покров является индикатором качества атмосферного воздуха, при этом как объект анализа более стабилен, надежен и объективен вследствие аккумуляции загрязняющих веществ в течение длительного времени [1]. Состав снежного покрова формируется при поступлении с атмосферными осадками твердых частиц, неорганических и органических соединений различных классов опасности; при поглощении снеговым покровом газов, водорастворимых аэрозолей. С талыми снеговыми водами в грунты и водные бассейны поступают химические соединения, причем, трансформируясь под действием природных факторов, они могут представлять большую угрозу для природной среды, чем первичные загрязнители. Оценка загрязнения городского снежного покрова является актуальной эколого-аналитической задачей, так как талые воды могут поступать в водные объекты, используемые для коммунальных нужд.
Основными источниками загрязнения объектов окружающей среды в мегаполисах являются выбросы транспорта, промышленности, энергетики, для снежного покрова – также антигололедные средства [2]. Цель работы – изучение десятилетней динамики загрязнения снежного покрова нефтепродуктами, формальдегидом и нитратами экологически неблагоприятного района г. Воронежа, на территории которого расположены военный аэродром и химически опасное производство; оценка тесноты связи между уровнями загрязнения формальдегидом атмосферного воздуха и снежного покрова.
Снежный покров в Воронежской области появляется в среднем 15 ноября и становится устойчивым в начале декабря, продолжительность его залегания составляет 125–150 дней [3]. В течение года преобладают слабые ветры (2–5 м/с) юго-западного направления. Река Воронеж, в долине которой создано искусственное водохранилище, разделяет город на две части (рис. 1): правобережная часть представляет собой холмистое плато с абсолютными отметками высот от 100 до 160 м, левобережная – сглаженную пологоволнистую поверхность, постепенно переходящую в речную террасу. Открытые водоемы на территории г. Воронежа используются населением для рекреационных целей, предприятиями – для сброса очищенных хозяйственных, производственных и ливневых сточных вод.
Военный аэродром «Балтимор» расположен на правом берегу Воронежского водохранилища, севернее на 400 м от дачного пос. «Сады». С 2012 г. вследствие повышения активности работы аэродрома усилилась техногенная нагрузка не только на пригородные сельскохозяйственные и рекреационные территории, но и на зону жилой застройки Советского района г. Воронежа. Основу Советского района составляет большой Юго-западный микрорайон. В составе района пос. Западный и отдаленные части города – пос. Придонской, Тенистый, Тепличный, Шилово, Малышево.
Негативный вклад в загрязнение окружающей среды исследуемого района вносят также расположенные на его территории ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (ОАО «КБХА»), проводящее испытание ракетных двигателей, работающих в том числе и на авиационном керосине; металлургический комплекс; автотранспортный цех.
Военный аэродром в исследуемом районе г. Воронежа является основным источником таких загрязняющих веществ, как авиационный керосин и продукты его неполного сгорания (в том числе формальдегида). Керосины относят к веществам IV класса опасности с ПДК в воздухе 300 мг/м3; в снежном покрове и поверхностных водах 0,3 мг/дм3 (в пересчете на углерод) [4]. Они характеризуются незначительной испаряемостью, поэтому в воздухе в обычных условиях нет концентраций, вызывающих отравление.
Формальдегид образуется в результате окисления углеводородов при высоких температурах вследствие природных явлений (лесные пожары и др.) и антропогенной деятельности. Формальдегид – канцероген, относится к соединениям I класса опасности, входит в список специфических веществ, характерных для промышленности, транспорта и энергетики каждого города, его содержание подлежит обязательному контролю на федеральном уровне (ПДК в воздухе населенных мест 0,035 мг/м3; в снежном покрове и поверхностных водах 0,05 мг/дм3) [4, 5].
На исследуемой территории были выбраны 12 точек отбора проб атмосферного воздуха и снежного покрова; две точки (11, 12) – поверхностных вод (рис. 1). Отбор проб атмосферного воздуха для контроля содержания формальдегида проводили ежемесячно в два последовательно соединенных сосуда, содержащих поглотительный раствор по ГОСТ 17.2.3.01. Время отбора пробы составляло 20 мин при аспирации с объемным расходом 0,2–0,25 дм3/мин. Всего было проанализировано более 3600 проб атмосферного воздуха.
Пробы снежного покрова отбирали в тех же контрольных точках (1–12) в период длительного снеголежания методом «конверта». Пробы поверхностных вод отбирали в двух точках Воронежского водохранилища в теплый период года ежемесячно в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05-85.
Рис. 1. Точки отбора проб: 1 – комплекс металлургического производства, 2 – промышленные площадки испытательного комплекса ОАО «КБХА», 3 – автотранспортный цех, 4, 5 – дачный пос. «Сады», 6 – Воронежская атомная станция теплоснабжения (недействующая), 7 – пос. Шилово, 8 – пос. Малышево, 9 – пос. Таврово, 10 – пос. Семилукские Выселки, 11, 12 – Воронежское водохранилище (правый и левый берег)
Содержание нефтепродуктов в пробах снега и природной воды определяли в соответствии с МУК 4.1.1013-01 и использованием ИК-спектрофотометра КН-2М. Формальдегид в воздухе и водах анализировали флуориметрическим методом с помощью Флюората 02-4М (МУК 4.1.1272-03 и МУК 4.1.1265-03). Работы по измерению концентраций токсикантов выполнены на базе ФГБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии № 97 ФМБА России».
Формальдегид в атмосферном воздухе
Содержание формальдегида в 2008 г. и 2012 г. во всех пробах атмосферного воздуха было меньше установленного норматива. В 2007 и 2009 гг. на территории промплощадки испытательного комплекса (точка 2) отмечено превышение его ПДК в 1,2 раза. Максимальная концентрация составила 0,042 мг/м3.
Наибольшее количество отклонений от норматива зафиксировано в 2010 г., когда в атмосфере трех контрольных точек 1–3 было установлено повышение содержания токсиканта до 1,2 ПДК. В 2011 г. превышение ПДК составило 1,1 раза в одной пробе в точке 2. Среднегодовые концентрации формальдегида в период с 2007 по 2014 г. во всех точках отбора проб не превышали 0,3 ПДК.
С 2014 г. наблюдается увеличение содержания формальдегида в воздухе контрольных точек 1–5, 8, 11. При этом на территории дачного пос. «Сады» (точки 4, 5) зафиксировано превышение ПДК в 1,1–1,8 раза; на территории металлургического и испытательного комплексов ОАО «КБХА», а также на территории автотранспортного цеха (точки 1–3) – в 1,1–1,3 раза. Максимальная концентрация формальдегида была определена в 2016 г. в пос. «Сады» (точка 5), она составляла 0,064 мг/м3. Повышенные значения концентраций формальдегида в атмосферном воздухе изученной территории приходятся на летний период, что согласуется с ранее полученными данными [6].
Рис. 2. Изменение концентрации нефтепродуктов (1) и формальдегида (2) в снежном покрове в 2007–2016 гг.
Формальдегид и нефтепродукты в снежном покрове
Содержание формальдегида в снежном покрове в период с 2007по 2014 г. не превышало ПДК и составляло в среднем для всех изученных точек отбора проб 0,028 ± 0,007 мг/дм3. Впервые концентрация формальдегида в снежном покрове превысила норму в 2015 г. в точках 1 и 2 и составила соответственно 1,1 и 1,2 ПДК. В 2016 г. повышенному загрязнению формальдегидом подверглись территории поселков Таврово, Семилукские Выселки, Шилово. На территории дачного пос. «Сады» концентрация формальдегида в снежном покрове не превышала 0,033 ± 0,007 мг/дм3. Максимальное значение концентрации формальдегида в снежном покрове (1,3 ПДК) определено в 2016 г. на промышленной площадке испытательного комплекса ОАО «КБХА».
Содержание нефтепродуктов в снежном покрове исследованной территории на протяжении десяти лет изменялось неравномерно и разнонаправленно. Превышение ПДК отмечалось во всех изученных точках начиная с 2008 г. До 2011 г. постоянное и высокое содержание нефтепродуктов в снежном покрове было характерно для территорий металлургического (3,0–10,4 ПДК) и испытательного (0,8–4,2 ПДК) комплексов ОАО «КБХА». В 2012–2013 гг. наибольшее загрязнение снежного покрова нефтепродуктами зафиксировано на территории пос. «Сады» и испытательного комплекса в точках 4 и 2 (2,1 и 3,2 ПДК соответственно). С 2014 г. наиболее загрязненными нефтепродуктами территориями также были дачный пос. «Сады» (3,4–7,2 ПДК); металлургический комплекс (3,5–6,8 ПДК); промышленные площадки испытательного комплекса (3,6–6,1 ПДК). Минимальные концентрации НП в снежном покрове (0,2–2 ПДК) в 2016 г. зафиксированы в поселках Семилукские Выселки, Малышево, Таврово, а также на берегах Воронежского водохранилища в точках 11 и 12.
Нормированные графики динамики изменения концентрации нефтепродуктов и формальдегида в снежном покрове за десятилетний период времени для характерных точек исследованного района представлены на рис. 2.
Высокая теснота связи (R = 0,88) между содержанием керосина и формальдегида в снежном покрове зафиксирована на территории испытательного комплекса, что закономерно в условиях испытания двигателей ракет, работающих на авиационном керосине.
Формальдегид и нефтепродукты в поверхностных водах
До 2014 г. концентрация формальдегида в поверхностных водах Воронежского водохранилища была ниже чувствительности метода определения (< 0,025). В дальнейшем отмечается незначительное повышение концентрации формальдегида, максимальная (0,038±0,008 мг/дм3) зафиксирована в 2014 г. в точке 11 на левом берегу водохранилища.
Повышение концентрации нефтепродуктов в поверхностных водах (точки 11, 12) отмечается с 2013 г., однако до 2016 г. она не превышала ПДК. Максимальное содержание нефтепродуктов определено в контрольной точке 12, оно соответствовало 1,2 ПДК.
Установление корреляции между содержанием токсикантов в атмосферном воздухе и снежном покрове
Для изучения взаимосвязи между содержанием токсикантов в атмосферном воздухе и снежном покрове образцы воздуха и снега отбирались одновременно на территории испытательного комплекса (точка 2). По результатам лабораторных исследований построены графики изменения содержания формальдегида и нефтепродуктов в разных средах (рис. 3). Установлена достаточно высокая теснота связи между содержанием формальдегида в воздухе и снежном покрове (коэффициент корреляции R = 0,79). Аналогичные зависимости получены для нефтепродуктов (R = 0,84).
Выводы
1. Установлена высокая теснота связи между содержанием формальдегида и нефтепродуктов на территории испытательного комплекса ОАО КБХ, а также между содержанием формальдегида и нефтепродуктов в воздухе и снежном покрове после проведения испытаний ракетоносителей. Воздушное загрязнение носит мгновенный характер и может быстро изменяться в зависимости от интенсивности эмиссии токсикантов в атмосферу и разбавления загрязнения чистым воздухом. Снеговые загрязнения, накапливаясь в течение существования снежного покрова, являются среднесрочными, поэтому позволяют выявлять устойчивую динамику влияния источника загрязнения на окружающую среду. Последующие накопления нефтепродуктов в почвогрунтах эту динамику сглаживают [7].
Рис. 3. Динамика изменения концентрации формальдегида в снежном покрове (1) и атмосферном воздухе (2)
2. Корреляция между содержанием формальдегида и нефтепродуктов в других изученных точках отсутствует. Это говорит о том, что рассеяние токсикантов от источников загрязнения носит случайный характер, поэтому зону влияния источников эмиссии целесообразно устанавливать по уровню загрязнения снежного покрова.