ВЗАИМОСВЯЗЬ  НАКОПЛЕНИЯ  ТЯЖЕЛЫХ  МЕТАЛЛОВ  В  ДОННЫХ  ОТЛОЖЕНИЯХ  И  ПОЧВЕ  ПРИ  ПРОВЕДЕНИИ  ОЦЕНКИ  ЗАГРЯЗНЕННОСТИ  РЕКРЕАЦИОННЫХ  ЗОН  АВТОТРАНСПОРТОМ

Сорокин  Александр  Валерьевич

аспирант,  кафедры  экологической  безопасности  автомобильного  транспорта

Московского  государственного  машиностроительного  университета  (МАМИ),  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

Сотникова  Елена  Васильевна

канд.  хим.  наук,  доцент,  кафедры  экологической  безопасности  автомобильного  транспорта  Московского  государственного  машиностроительного  университета  (МАМИ),  РФ,  г.  Москва

E-mail:  ev.sotnikova@yandex.ru

CORRELATION  BETWEEN  HEAVY  METALS  CONCENTRATION  IN  SOIL  AND  SEDIMENTS  AT  EVALUATION  TRAFFIC  POLLUTION  OF  RECREATIONAL  AREAS

Sorokin  Alexander

graduate  student,  department  of  environmental  safety  of  road  transport

Moscow  State  Technical  University  “MAMI”,  Russia,  Moscow

Sotnikova  Elena

candidate  of  Chemical  Sciences,  assistant  professor  of  Moscow  State  Technical  University  “MAMI”,  Russia,  Moscow

АННОТАЦИЯ

Проведен  количественный  анализ  загрязнения  почв  и  донных  отложений  прудов,  находящихся  в  зоне  с  повышенной  автотранспортной  нагрузкой,  тяжелыми  металлами.  Рассчитаны  коэффициенты  вариации,  средние  квадратичные  отклонения,  Кларки  концентраций,  критерий  Фишера,  приведены  уравнение  линейной  регрессии.  Выявлены  компоненты  с  концентрациями,  превышающими  фоновые.  Установлено  влияние  автотранспортных  потоков  на  изменение  фоновых  концентраций  тяжелых  металлов  в  почве  и  донных  отложениях  водоемов  рекреационных  зон.

ABSTRACT

A  quantitative  analysis  of  the  heavy  metals  pollution  in  soil  and  sediments  of  several  lakes  located  in  high  traffic  area  was  performed  in  this  work.  The  coefficient’s  of  variations,  standard  deviation,  Clarke  of  concentration,  Fisher  criteria,  equation  of  linear  regression  calculated  and  describes  in  this  work.  Elements,  which  have  high  concentrations  and  components  which  exceeded  background  concentrations  values  were  identified.  The  influence  of  road  traffic  flows  on  the  background  concentrations  for  heavy  metals  in  soils  and  sediments  of  water  bodies’  recreational  areas  was  determined.

Ключевые  слова:   тяжелые  металлы;  почва;  донные  отложения;  коэффициент  вариации;  критерий  Фишера.

Keywords:   heavy  metals;  soil;  sediments;  coefficients  of  variations;  Fisher  criteria.

Автотранспорт  является  причиной  загрязнения  придорожных  территорий  медью,  цинком,  свинцом  и  другими  химическими  элементами,  которые,  благодаря  выветриванию,  эррозии  почв  и  другим  процессам  массопереноса,  оказывают  серьёзное  негативное  влияние  на  окружающую  среду.  Особенно  данное  воздействие  ощутимо  в  рекреационных  зонах  мегаполисов.  Тяжелые  металлы  —  группа  химических  элементов,  с  атомной  массой  более  40-50,  обладают  высокой  токсичностью  для  живых  организмов  в  относительно  низких  концентрациях,  способны  к  биоаккумуляции  и  биомагнификации.  По  степени  опасности  химические  элементы  разделены  на  три  класса  (ГОСТ  17.4.1.02-83):

As,  Cd,  Hg,  Se,  Pb,  Zn,  F.  (вещества  высоко  опасные)

B,  Co,  Ni,  Mo,  Cu,  Sb,  Cr.  (вещества  умеренно  опасные)

Ba,  V,  W,  Mn,  Sr.  (вещества  малоопасные)

Наиболее  высокие  отношения  Кларков  к  их  реальным  концентрациям  (КК),  в  загрязненных  почвах  городов  России  имеют:  кадмий,  свинец,  цинк  и  медь,  а  наиболее  контрастные  локальные  техногенные  аномалии  —  никель,  кадмий,  цинк,  медь  и  ртуть.  За  длительное  время  использования  этилированного  бензина,  в  биосферу  мегаполисов  было  выброшено  колоссальное  количество  продуктов  его  распада,  а  с  учетом  длительного  времени  полураспада  последних,  актуальность  проблемы  их  накопления  в  биосфере  не  подлежит  сомнению.  Особенно  интересны  проблемы  геохимической  миграции  и  депонирования  загрязнителей  в  природных  телах  рекреационных  зон  мегаполиса.

Целями  данной  работы  являлись  оценка  загрязненности  рекреацонных  зон  и  выявление  зависимости  между  концентрациями  тяжелых  металлов  в  донных  отложениях  и  почве  Герценского  и  Большого  Тропаревского  прудов,  расположенных  в  г.  Москве. 

Герценский  пруд  на  570  м  вытянут  в  западном  и  юго-западном  направлениях,  повторяя  поворот  р.  Журавенки,  на  которой  он  создан.  Ширина  пруда  около  50  м,  площадь  3  га,  длина  береговой  линии  1260  погонных  метров.  Берега  естественные,  местами  крутые.  Осуществлен  сток  в  колодец,  глубиной  около  4  м  и  далее  в  подземный  коллектор  р.  Журавенки.  На  востоке  в  пруд  впадают  Попов  ручей  и  бывший  сток  с  пруда  Дунай,  выходящие  из  подземных  коллекторов  близ  самого  берега  [1].

Большой  Тропаревский  пруд  привлек  к  себе  внимание  не  только  из-за  своего  положения  относительно  оживленных  автомагистралей,  но  и  из-за  мутности  воды,  т.  к.  считается,  что  в  водных  потоках  многие  химические  элементы  мигрируют  преимущественно  во  взвешенной  форме.  Площадь  зеркала  Пруда  —  2,7  га;  длина  линии  регулирования  —  около  1200  погонных  метров;  ширина  —  65  м;  длина  —  420  м.  Уровень  водной  поверхности  пруда  находится  на  абсолютной  отметке  200,7  м.  Максимальная  глубина  пруда  составляет  8,2  м  —  в  районе  русла  речки  Очаковка;  средняя  глубина  пруда  —  3,13  м.

При  проведении  исследования,  на  территориях  рекреационных  зон,  были  отобраны  образцы  почвы  и  донных  отложений  по  ГОСТ  17.4.3.01-83,  ГОСТ  17.4.4.02-84,  ГОСТ  17.1.5.01-80.  Береговую  линию  водоёмов,  равномерно  разделяли  на  пробные  площадки  по  0,5—1  га,  каждая,  в  зависимости  от  территориальных  особенностей.  За  объединенную  пробу  почвы  принимали  две  точечные,  отобранные  с  каждой  площадки,  которые,  в  свою  очередь  состояли  из  проб  с  глубиной  отбора  0—5  см  и  5—20  см  Отобранные  пробы  были  проанализированы  методом  масс-спектрометрии  с  индуктивно  связанной  плазмой. 

Была  произведена  математическая  обработка  результатов,  включившая  в  себя  расчет  коэффициентов  вариации  (не  более  33  %),  среднее  квадратичное  отклонение,  доверительный  интервал,  критерий  Фишера,  значения  Кларков  концентраций  (КК).  Для  описания  зависимости  концентраций  тяжелых  металлов  было  решено  использовать  линейную  регрессию,  т.к.  имело  место  предположение  о  линейной  зависимости  данных.

Кларки  концентрации  рассчитывались  как  отношения  логарифмов  концентраций  металлов  в  исследуемой  среде  к  фоновому  значению  для  почв,  установленному  усреднением  данных  для  дерново-подзолистых  суглинистых  и  глинистых  почв  [4],  Ведеполю  (1967),  Виноградову  (1962,  1957)  [2],  [3],  [5].  Полученные  значения  концентраций  были  расположены  в  порядке  возрастания,  что  позволило  судить  о  преобладании  в  рассматриваемых  средах  таких  элементов  как:  Ba,  Zn,  Mn,  Fe.

Таблица  1.

Значения  КК  и  CV   для  почвы  и  донных  отложений  Герценского  пруда

Г.П.  —  Герценский  пруд; 

Б.Т.П.  —  Большой  торопаревский  пруд

В  результате  проведенных  исследований  удалось  рассчитать  математические  модели  зависимости  концентраций  тяжелых  металлов  в  донных  отложениях  от  их  концентраций  в  почве.  Данные  зависимости  могут  быть  выражены  следующими  уравнениями  линейной  регрессии:  (1,  2)

Таблица  2.

Расположение  элементов  по  возрастанию  их  концентрации

*п  —  почва, 

*д  —  донные  отложения. 

БТП  —  Большой  Тропаревский  пруд, 

ГП  —  Герценский  пруд

где:    —  Искомая  концентрация  металла  в  донных  отложениях;

  —  Фактическая  концентрация  того  же  металла  в  почве.

Полученные  уравнения  линейной  регрессии  для  Герценского  и  Большого  Тропаревского  прудов  прошли  проверку  надежности  статистическими  методами.  Согласно  шкале  Чеддока  связь  между  рассматриваемыми  признаками  весьма  высокая,  т.к.  выборочный  линейный  коэффициент  корреляции  (r_xy)  равен  0,99  для  обеих  систем.  При  этом  коэффициент  детерминации  (R²),  показывающий  долю  вариации  результативного  признака,  объясненную  вариацией  факторного  признака,  равен  0,989  и  0,987,  соответственно,  что  означает  высокую  точность  подбора  уравнений  линейной  регрессии.  Проверка  значимости  моделей  регрессии  с  использованием  F-критерия  Фишера,  показала,  что  найденные  оценки  уравнений  регрессии  статистически  надежны,  поскольку  F>F_Табл;  кроме  того  F_р>4F_Т,  а  их  отношения  равны  92,44  и  75,07,  соответственно,  поэтому  данные  уравнения  линейной  регрессии  могут  быть  использованы  для  прогнозирования.

Рисунок  1.  Зависимость  содержания  тяжелых  металлов  в  донных  отложениях  Герценского  пруда  от  их  концентраций  в  почве  с  доверительными  интервалами.  Где  lgK [Me]П  —  логарифм  концентрации  тяжелых  металлов  в  почве;  lgK[Me]Д.О.  —  в  донных  отложениях

Поскольку  значения  концентраций  Tl  в  почве  не  использовались  для  построения  моделей,  данными  значениями  можно  проверить  работоспособность  последних.  Так,  подставив  в  уравнение  1,  значение  lgK[Tl]П,  равное  1,912,  получили  значение  концентрации  lgK[Tl]Д.О.,  равное  1,975  (94,58  мкг/кг),  входящее  в  расчитанные  доверительные  интервалы  от  1,92—2,16.  при  этом  фактическое  содержание  Tl  в  донных  отложениях  Герценского  пруда  составляет  89,97  мкг/кг.  В  случае  с  уравнением  2  полученное  значение  равно  91,85  мкг/кг,  при  фактическом  содержании  85,77  мкг/кг.

В  результате  проведенной  работы  установлены  превышения  фоновых  концентраций  исследуемых  элементов:  Cu,  Zn,  As,  Se,  Cd,  Pb  (Герценский  пруд),  как  в  почве,  так  и  в  донных  отложениях.  Поэтому,  при  проведении  мониторинговых  работ  в  данных  рекреационных  зонах  следует  уделить  особое  внимание  данным  элементам.  Полученные  уравнения  линейной  регрессии  можно  использовать  для  предварительной  оценки  концентраций  тяжелых  металлов  в  донных  отложениях,  когда  проводить  дополнительные  исследования  не  представляется  возможным.  В  результате  проведенной  работы,  можно  говорить  о  несомненном  влиянии  транспортных  потоков  на  изменение  фоновых  значения  тяжелых  металлов  и  БП,  в  виде  их  повышения,  на  территориях  рекреационных  зон  мегаполиса. 

Список  литературы:

1.Агеева  Р.А.,  Александров  Ю.Н.,  Бондарук  Г.П.,  и  др.  Улицы  Москвы.  Старые  и  новые  названия:  М.  издательский  центр  «Наука,  техника,  образование»,  2003.  —  336  с.

2.Виноградов  А.П.  Закономерности  распределения  химических  элементов  в  земной  коре:  Геохимия.  —  1956,  —  №  1.  —  С.  6—52.

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

4.СП  11-102-97  Свод  правил  «Инженерно-экологические  изыскания  для  строительства».  М.,  2008.

5.Wedepohl  K.H.  Geochemie.:  1967  Sammiung  Göschen.  —  220  p.