Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов

Глава 5. Оценка и прогноз загрязнения почв солевыми компонентами в зоне влияния транспортных магистралей.

5.1. Модель солевого загрязнения почв. Солевое загрязнение компонентов окружающей среды является следствием применения на автодорогах для борьбы с зимней скользкостью противогололедных реагентов (преимущественно хлоридов).

В результате снегоуборочных работ, с дорожными стоками и при воздушно-капельном переносе солей происходит их поступление в окружающую среду. Весной часть солей, аккумулированных в снеге, удаляется с талым стоком; оставшаяся часть идет на засоление почв. В теплый период года, по мере промывания атмосферными осадками, уровень засоления снижается, достигая минимума к началу осени.

Уравнение баланса солей в почвах придорожной полосы (почвенном объеме V=Sh) имеет вид:

где Q_o, Q_n - запасы солей в почвах придорожной полосы после снеготаяния в начале и конце расчетного периода n (лет); - вымывание в течение теплого периода года; ΔQ^w - доля от количества солей, аккумулированных в снежном покрове за зимний период Q^сн, ежегодно идущая на загрязнение почв.

Для практических вычислений приведенное уравнение может быть представлено рекуррентной формулой с временным шагом Δt, равным году:

Запасы солей в снежном покрове в придорожной полосе зависят от объемов внесения реагентов на дорожное полотно за зимний период и могут быть оценены по результатам снеговых съемок. Оценка вымывания атмосферными осадками производится на основе опробования почв в начале и конце теплого периода: ΔQ^w = Q - Q', где Q' - запасы солей в почвах в конце теплого периода.

Значение коэффициента a определяется по результатам годичных исследований, в ходе которых оценивают запасы в почвах на момент после снеготаяния в текущем и следующем году, величину вымывания для текущего года и запасы солей в снежном покрове следующего года: a = (Q_t+1 - Q_t + ΔQ_t^w) / Q_t+1^сн.

Поскольку растворимые соли практически не взаимодействуют с почвами при снеготаянии и выносятся с пропорционально количеству воды, участвующей в стоке (Василенко и др., 1985), a = 1 - ƒ_T, где ƒ_T - коэффициент стока талых вод.

Прогноз солевого загрязнения осуществляется для заданных значений нагрузок, характеризующих запасы солей в снежном покрове (Q_t^сн = Q_расч^сн).

Основной задачей, без решения которой прогноз невозможен, является оценка вымывания солей атмосферными осадками для t-го года ΔQ_t^w, являющейся функцией от количества осадков в теплый период p_t и исходных запасов солей Q_t в почвах: ΔQ_t^w = ƒ(p_t, Q_t). При условии p_t = const в течение расчетного периода ΔQ_t^w = ƒ(Q_t) = q^wQ_t, где q^w - потери (в долях) солей за теплый период.

В этом случае исходное уравнение для расчетов прогнозируемых запасов солей в почвах может быть представлено в виде: Q_t+1 = (1 - q^w)Q_t + aQ_расч^сн.

При условии, что запасы солей в снежном покрове Q_расч^сн = q^wQ_o/a уровень солевого загрязнения в течение прогнозного периода сохранится, при Q_расч^сн > q^wQ_o/a будет наблюдаться рост солевого загрязнения, а при Q_расч^сн < q^wQ_o/a - его уменьшение. Предельным значением для Q_t является величина запасов Q_lim:

5.2. Оценка и прогноз солевого загрязнения почв в НП <Лосиный остров>.

Расчеты солевого загрязнения были проведены для почв на территории парка, прилегающих к участку МКАД. Выбор элементов (Na и Cl) обоснован составом реагентов на момент начала исследований в 1999 г. (техническая соль NaCl).

Поступление солевых компонентов с дорожного полотна на прилегающую территорию оценивалось по данным снеговых съемок (2000, 2003, 2006 гг.). Установлено, что интенсивность выпадений Na и Cl резко падает при удалении от автомагистрали: при аппроксимации нагрузок солевых компонентов функцией вида P(x) = b / x^a, где х - расстояние от МКАД, значения показателя степени a→1.

По данным снеговых съемок были проведены расчеты нагрузок солевых компонентов и оценены запасы загрязнителей в снежном покрове (Т=140 сут) в придорожной полосе (по 500 м с каждой стороны от МКАД (табл. 7)).

Таблица 7. Поступление солевых компонентов (Na, Cl) с выпадениями около МКАД
Зимний сезон	Na			Cl
	PNa,кг/км2сут	PNa/PФNa*	Qсн,т/км2	PCl,кг/км2сут	PCl/PФCl*	Qсн,т/км2
1999-00	18,5	43,0	2,5	29,4	17,3	3,9
2002-03	2,5	5,8	0,29	15,6	9,2	1,9
2005-06	5,6	13,0	0,72	28,5	16,8	3,8
* PФNa = 0,43 кг/км2сут, PФCl = 1,7 кг/км2сут, по данным ИМГРЭ (р-н оз. Глубокое, 2000 г.)

Дифференциация нагрузок по годам обусловлена различиями в объемах реагентов, внесенных на дорожное полотно, и в большей степени характерна для Na.

Норма расхода технической соли составляла 50 г/м² полотна на один цикл обработки - около 19 г/м² Na и 29 г/м² Cl (Временная инструкция..., 1997). В зимний сезон 1999-2000 гг. при однократной обработке на 1 км полотна МКАД (пять полос со стандартной технической шириной 7 м) поступало около 1,75 т технической соли (0,65 т Na и 1,0 т Cl). За зимний период на 1 км МКАД могло быть внесено до 50 т Na и 80 т Cl (из расчета 80 обработок, согласно Руководству (2003)).

После смены состава реагентов в 2001-02 гг. (переход на использование ХКМ (хлористого кальция модифицированного - 32%-го водного раствора CaCl₂), а также гранулированные Na-Ca хлоридные смеси) внесение Na на дорожное полотно резко сократилось, а Cl осталось примерно на том же уровне (около 28 г/м² Cl на цикл обработки). Снижение расхода реагентов (на 30-40%) могло быть достигнуто за счет точного дозирования в сочетании с оптимизацией уборки снега.

Содержание дорог в условиях более низких температур и обильных осадков требует больших объемов реагентов. Вероятно, поэтому поступление солей в малоснежный зимний период 2002-03 гг. (61% от нормы осадков, по данным (http://meteo.infospace.ru)) оказалось заметно ниже, чем в 2005-06 гг., когда количество осадков было близко к норме (93%), при схожих температурных режимах.

Сопоставление запасов солей в снежном покрове с их вносимым, согласно нормам, количеством показывает, что воздушным путем с покрытия МКАД удаляется около 5-8% реагентов, которые при таянии снега частично аккумулируются в почвах.

В результате снижения поступления Na и Cl с дорожного полотна на фоне их вымывания из почв осадками в теплый период года произошло сокращение масштабов солевого загрязнения почв около МКАД (уменьшение ширины аномалий и концентраций в них элементов) (рис.7). Расчеты запасов солей в почвах (в полосе по 500 м с каждой стороны от дороги), основанные на результатах их систематического опробования, позволили установить, что за период с 1999 по 2005 гг. масштабы солевого загрязнения сократились по Na - в 3,1 раз, по Cl - в 1,5 раз.

Вымывание солевых компонентов из почв осадками в теплый период года оценивалось по данным опробования почв по профилю 2 с мая по сентябрь 2001 г. По результатам подсчетов запасов Na и Cl в почвах было установлено, что потери солей, прямо коррелирующие с количеством осадков за предшествующий период (r=0,96 при r_5%=0,88), составили за сезон около 40% от их запасов на начало теплого периода (q^w =0,4 при количестве осадков, близком к норме). Наибольший вынос наблюдался в течение мая-июня (около 80% от суммы потерь при 53% осадков) (рис.8).

В основу расчетов доли Na и Cl, идущей на аккумуляцию в почвы при таянии снега, были положены оценки запасов солей в снежном покрове 1999-00 гг. и почвах (1999-01 гг.). Поступление в зимний период 2000-01 гг. было учтено по данным за 1999-00 гг. с поправками на большее количество осадков (302 и 239 мм за ноябрь-март) при сопоставимых значениях средних температур (-3,3^oС и -3,2^oС). Сведения об осадках за май-сентябрь 1999 и 2000 гг. (253 мм - 71% от нормы и 454 мм - 127% от нормы) были использованы для пропорционального изменения значения q^w.

Полученные результаты свидетельствуют, что на аккумуляцию в почвы идет 40-50% от общего количества солей, временно депонированных снежным покровом (a=0,45). С талым стоком удаляется 50-60% загрязнителей, что соответствует значению ƒ_T, определенному прямыми измерениями для бассейна р.Ички.

На основе полученных оценок входных функций и параметров модели были проведены расчеты запасов солей в почвах на период 2002-05 гг. и их сопоставление с фактическими данными. При расчетах нагрузки за 2001-02, 2003-04 гг. принимались равными оцененным нагрузкам 2002-03 гг., а нагрузки 2004-05 гг. - нагрузкам 2005-06 гг. (в силу сходных интегральных климатических характеристик). Поправки на вымывание вводились по количеству осадков, выпавших за теплый период t-ого года.

Результаты пошагового моделирования динамики солевого загрязнения почв приведены в табл. 8. Сравнение расчетных данных с фактическими свидетельствует о том, что отклонения от последних не превышают 12%.

Таблица 8. Расчеты запасов легкорастворимых солей в почвах придорожной полосы
Элемент	t → t+1	Qt, т/км2	pt, % нормы	qw	aQt+1сн, т/км2	Qt+1, т/км2	Qt+1факт, т/км2	Qt+1/Qt+1факт
Na	2001→2002	3,50	103	0,4	0,13	2,23	2,16	1,03
	2002→2003	2,23	52	0,2	0,13	1,92	1,90	1,01
	2003→2004	1,92	114	0,4	0,13	1,28	-	-
	2004→2005	1,28	127	0,5	0,32	0,96	1,09	0,88
Cl	2001→2002	5,24	103	0,4	0,86	4,00	4,01	1,01
	2002→2003	4,00	52	0,2	0,86	4,06	4,00	1,05
	2003→2004	4,06	114	0,4	0,86	3,30	-	-
	2004→2005	3,30	127	0,5	1,71	3,36	3,38	0,95

Сходимость расчетных и фактических данных по запасам солей в почвах позволяет использовать балансовую модель для прогноза солевого загрязнения при заданных Q_расч^сн и условии q^w = const = 0,4 в течение всего прогнозного периода.

Были рассмотрены два варианта прогноза:

1. Q_расч^сн равны 0,72 т/км² для Na и 3,8 т/км² для Cl (нагрузки 2005/2006 гг.).

2. Q_расч^сн равны 0,29 т/км² для Na и 1,9 т/км² для Cl (нагрузки 2002/2003 гг.).

В случае начала расчетов с 2005 г. Q_o = Q₂₀₀₅ (1,09 т/км² для Na, 3,38 т/км² для Cl). При условии равенства запасов в снежном покрове по Na - 0,97 т/км², по Cl - 3,0 т/км² масштабы солевого загрязнения почв будут сохраняться

В 1-ом варианте прогноза запасы Na в снежном покрове меньше, а Cl - больше указанных, в течение прогнозного периода будет наблюдаться отрицательная динамика загрязнения почв придорожной полосы Na и положительная - Cl (рис.9). Значения Q_lim составят 0,81 т/км² для Na и 4,28 т/км² для Cl, что соответствует С_Na - 22 г/т (К_c=1,3) и С_Cl - 51 г/т (К_c=2,3). Во 2-ом варианте для обоих солевых компонентов будет наблюдаться снижение запасов в почвах - до 0,33 т/км² по Na и 2,14 т/км² по Cl, что соответствует содержаниям С_Na - 19 г/т (К_c=1,1) и С_Cl - 36 г/т (К_c=1,6).