Тема 5 Техногенное воздействие на окружающую среду

Тема 5 Техногенное воздействие
на окружающую среду
Общие представления о техногенезе
Человечество в процессе своей хозяйственной
деятельности
выступает
как
мощный
геохимический
фактор,
изменяющий
и
направляющий
миграцию
огромных
масс
химических элементов. Эту геохимическую сторону
человеческой деятельности академик А.Е. Ферсман
назвал техногенезом, анализируя его с общих
методологических позиций геохимии, выясняя
зависимость использования элементов от их
положения в периодической системе, размеров
атомов и ионов, кларков. В настоящее время
концепция техногенеза успешно разрабатывается
на базе геохимии окружающей среды
Техногенез включает совокупность следующих
геохимических
процессов:
1)
извлечение
химических элементов из природной среды
(литосферы, атмосферы, гидросферы) и их
концентрацию; 2) перегруппировку химических
элементов, изменение химического состава
соединений, в которые эти элементы входят, а
также создание новых химических веществ; 3)
рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в
окружающей среде.
Источники техногенного воздействия и
связанные с ними техногенные потоки
Все многообразие техногенных источников можно
сгруппировать следующим образом: 1) наземный и воздушный
транспорт; 2) добыча и переработка полезных ископаемых; 3)
промышленное производство разных отраслей индустриальной
деятельности; 4) сельскохозяйственное производство; 5)
строительство инженерных объектов разного назначения
(городских и сельских поселений); 6) коммунально-бытовое
хозяйство. Из этих источников в ландшафты поступают сотни
различных по составу и свойствам веществ, в том числе
кислоты, щелочи, соли, продукты сжигания угля, нефть и
продукты ее переработки, пестициды, моющие средства,
фенолы, аэрозоли, пыль, радионуклиды, окислы серы, азота,
углеводороды, металлы, пластмассы, зола, ил, песок и др.
Все виды источников содержат довольно
широкую группу загрязняющих веществ, тем
не менее, каждому из них присуще вполне
определенное
сочетание
химических
элементов
(геохимические
ассоциации).
Важно отметить, что в реальных условиях
техногенное воздействие на окружающую
среду
осуществляется
из
нескольких
источников, следовательно, оно является
комплексным по составу загрязняющих
веществ и мощным
по негативным
последствиям этого воздействия.
Важно отметить, что добываемые из недр и
рассеиваемые промышленными предприятиями
количества металла прямо пропорциональны его
кларку. Обратив внимание на зависимость размера
добычи металла от кларка, А.И. Перельман ввел
понятие
технофильности
элемента
(Т).
Показателем ее является отношение массы
ежегодной добычи элемента (Д) к его кларку в
земной коре (К), т.е. Т=Д/К. Чем больше величина Т,
тем интенсивнее потребность человечества в том
или ином химическом элементе, тем больше
степень вовлечения его в техногенез
Наиболее высокую глобальную технофильность
имеет С. Она высока также у Fe, Al, Pb, Zn, Cr, Cu, Sn,
Mo, Hg. Наименее технофильны Y, Ga, Cs, Th. Размах
величин
технофильности
элементов
составляет
миллионы раз (от 1,1 х10 11 у С до 1х103 у Y), в то время
как контрасты кларков — миллиарды (n 101 — n -10 и
менее).
Следовательно,
техногенез
ведет
к
уменьшению геохимической контрастности ноосферы
(по сравнению с биосферой и земной корой). Эта
направленность
геохимической
деятельности
человечества была выявлена одним из крупнейших
отечественных геохимиков А.И. Перельманом и может
быть названа закономерностью А.И. Перельмана.
Поступающие из различных источников техногенные
вещества формируют техногенные потоки, представляющие
собой миграционные геохимические системы, каждая их
которых является одновременно
транспортирующей и
вмещающей
средой.
В
зависимости
от
способа
транспортировки элементов из всей совокупности известных
техногенных потоков можно выделить: а) собственно
техногенные и б) наложенные (ассимилированные). В первом
случае миграция элементов осуществляется при транспортных
перевозках (автомобильных, авиационных, железнодорожных)
сырья, готовой продукции или отходов, при внесении в почву
минеральных удобрений. Следовательно, эти потоки являются
техногенными как по генезису перемещаемых продуктов, так и
способу (средству) перемещения.
Наложенные потоки формируются из
веществ, поступивших из техногенных
источников в окружающую среду, которые
затем
ассимилируются
природными
геохимическими потоками, т.е водными и
воздушными,
а
также
путем
биологического поглощения элементов
растительностью и далее по цепям питания
живых организмов (трофическая цепь
распространения).
Наложенные техногенные потоки в свою очередь могут быть
подразделены на первичные и трансформированные. К первичным
техногенным потокам могут быть отнесены отвалы рудников и хвосты
обогащения руд, вскрышные и вмещающие породы в районах угледобычи,
шахтные воды, промышленные стоки, пыль, различные аэрозоли,
вырабатываемые в процессе производственной деятельности, выхлопные
газы автотранспорта, а также летучие органические соединения, выделяемые
культурными растениями (фитонциды, эфирные масла).
Попадая в окружающую среду и вовлекаясь в природные циклы
миграции, первичные техногенные потоки могут претерпеть существенные
преобразования в результате взаимодействия техногенных веществ с
вмещающей их природной системой. Например, отвалы добычи и
обогащения колчеданно-полиметаллических руд в условиях дневной
поверхности начинают испытывать интенсивные воздействия агентов
химического и микробиологического выветривания, воздействие водных
систем. При этом дождевые и талые воды, стекая по поверхности отвалов и
просачиваясь сквозь их толщу, обогащаются геохимически активными
продуктами выветривания пород, входящих в состав отвалов, а также
механическими взвесями и коллоидами. Происходит трансформация
слабоминерализованных атмосферных вод в химически активные
многокомпонентные техногенные потоки. Так образуются
трансформированные техногенные геохимические потоки.
Геохимическая характеристика техногенных
миграционных потоков
Для сравнения различных продуктов
техногенеза по их значению в геохимическом
воздействии на окружающую среду целесообразно
использовать суммарный коэффициент
ноосферной концентрации (Ck), предложенный
Н.Ф.Глазовским. Он рассчитывается по формуле Cк =
∑Кк х n (где Кк – величина отношения содержания
компонентов в данном продукте к кларкам этих
компонентов в ноосфере (биосфере), n – число
аномальных элементов) и показывает, насколько
увеличено содержание элементов в том или ином
продукте в сравнении с окружающей средой.
Суммарные коэффициенты ноосферной концентрации
в некоторых продуктах (по Н.Ф.Глазовскому)
Продукт
Ск для элементов с кларками
биосферы 10-2
Ск для элементов с кларками
биосферы 10-3
Итого
Уголь
220
1500
1720
Нефть
200
20
220
Газ
190
510
700
50-700
до 1300
50-2000
Компост
40
2140
280
Осадки сточных вод
50
Навоз
10
не отр.
не отр.
Сельскохозяйственная
продукция
60
150
210
Древесина
20
80
100
10-100
100-700
100-800
2-5
5-500
2-500
Минеральные удобрения
Пластовые воды
месторождений
Дренажные воды
нефтяных
Типоморфные элементы примеси фосфорных удобрений
Коэффициенты концентрации относительного кларка
Виды продукции
50-25
25-10
10-5
до 5
-
-
As, Ce, La, F
Y, Sn
Аммофос из апатита
-
-
As, Ce, La, F
Y, Sr
Аммофос
из
-
As, F
Cd, Sn
Y, Pb
Двойной суперфосфат
из фосфорита
-
-
Y, Cd, Sr, Cd, Sn
Nb
As
F
Cd, Pb, Sn, Sr
Y, La, Ce, Zn
Нитроаммофос
из
апатита
фосфорита
Фосфоритовая
из фосфорита
мука
Содержание химических элементов в осадках сточных вод
гальванического производства
Содержания, %
Элемент
максимальные
преобладающие
средние
Кадмий
16,8
0,01-1
0,1
Висмут
0,16
-
0,003
Олово
9,5
0,1-1
0,4
Медь
38,6
0,1-10
1,3
Хром
18,4
0,1-10
1,6
Цинк
15,2
0,1-10
1,2
Свинец
19,2
0,1-1
0,2
Серебро
0,08
0,00001-0,0008
0,0008
Никель
6
0,01-1
0,3
Ассоциации химических элементов в пыли
молибден-вольфрамового горно-обогатительного комбината
Коэффициенты концентрации относительного кларка
Источник выбросов пыли
Более 1000
1000-100
100-10
Карьер
Bi
As, Sb, Mo, Sn
W, Pb, Zn, Cu, Ag
Шахта
Bi, Sb
W, Mo, As
Sn, Ag, Pb
Цех дробления руд
Bi - Sb
W, Mo, Pb, As
Sn, Ag, Cu
- редкометальных
концентратов
Bi, Sb, As
W, Mo, Pb
Ag, Zn, Sn, Cu
- сульфидных концентратов
Bi, As, Cd, Ag, Sb
W, Mo, Pb
Cu, Zn
Участок сушки и загрузки:
Типы техногенного воздействия и его
количественная оценка
Для оценки токсичного воздействия химических
элементов и их соединений на живые организмы в
результате техногенеза используется величина отношения
показателя технофильности элемента к его биофильности,
выраженная в виде коэффициента деструкционной
активности:
Д=Т/Б
Чем больше технофильность и чем меньше
биофильность, тем элемент опаснее для живых
организмов
Деструктивная активность элементов техногенеза
Элементы*
Глобальный показатель деструкционной активности (Д)
Ртуть
n x 105 - 104
Кадмий, фтор
n x 103
Сурьма, мышьяк, свинец, уран
n x 107
Селен, бериллий, барий, олово
n x 10
Реальная
и
потенциальная
опасность
отрицательных
последствий
техногенного
воздействия на природную среду требует
разработки
количественных
критериев
интенсивности такого воздействия. В настоящее
время в практике ландшафтно-геохимических
исследований широко применяется разработанный
Н.Ф.Глазовским
модуль
техногенного
геохимического давления (Дм), представляющий
собой отношение количества вещества ежегодно
мобилизуемого в техногенные геохимические
потоки (М) к площади изучаемого района (S): Дм =
M/S.
Распределение элементов по модулям техногенного
давления
Дм кг/км2 в год
Элементы
500 – 1000
Na, Cl, Ca, Fe
200 – 500
S
100 – 200
N, K
50 – 100
Al
20 – 50
P
10 – 20
Ti, Mn
1 – 10
B, K, Mg, Cu, Zn, Zr, Ba, Pb
0,1 – 1
V, Cr, Ni, As, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I, U
0,01 – 0,1
Be, Se, Co, Ga, Ge, Se, Bi
0,001 – 0,01
Li, Ag, W, Au, Hg, Tl
0,0001 – 0,001
Cs
Индикаторы техногенного воздействия на
окружающую среду
Понятие «индикатор» обычно связывают с физическим
явлением, химическим веществом или организмом, наличие,
количество или перемена состояния которых указывают на характер
или изменение свойств окружающей среды. Из определения этого
понятия вытекает и основное' требование, предъявляемое к
природным индикаторам техногенного воздействия - способность
фиксировать информацию о таком воздействии и сохранять ее в
«памяти» с минимальными изменениями до момента специальных
исследований.
К числу индикаторов техногенного воздействия относятся так
называемые депонирующие среды - почва, снежный и ледниковый
покровы, торф, донные отложения, поверхностные воды (озерные,
речные, дождевые), т.е. объекты природной среды, где происходит
аккумуляция веществ, поступающих из техногенных потоков.
В последние годы немало внимания уделяется биологическим
индикаторам техногенного воздействия
Содержание цинка и кадмия в почвах в районах предприятий
цветной металлургии, в г/т
Ист Хелен (шт. Монтана, США)
Анака (Япония)
Глубина,
1,8 км
3,6 км
7,2 км
Глубина,
0,9 км
см
от завода
от завода
от завода
см
от завода
Zn
Cd
Zn
Cd
Zn
Cd
Zn
Cd
0 – 0,25
1090
68
238
17
48
4
0–2
1674
31
5 – 10
990
30
175
7
30
2
5
1584
44
15 - 25
210
3
84
2
3
1
10
1312
32
Устойчивость ландшафтов к техногенезу
Под устойчивостью подразумевают способность
ландшафтов с одной стороны противостоять
техногенным воздействиям, сохраняя нормальное
функционирование, а с другой – восстанавливать
нарушенные этим воздействием свойства
ландшафтов, возвращая их к исходному или
близкому к исходному состоянию. Во втором случае
речь идет о способности природной среды к
самоочищению, которое сопровождается выносом
продуктов техногенеза и рассеянием их за
пределами непосредственно загрязненной
территории, либо переводом загрязняющих веществ
в инертные формы.
Устойчивость ландшафтов к техногенезу
1 – характер техногенного воздействия (его
интенсивность и динамика)
1.1 – постоянный
1.1.1 – с кумулятивным эффектом
1.1.2 – без кумулятивного эффекта
1.1.3 – с постоянным модулем давления
1.1.4 – с изменяющимся модулем давления
1.2 – периодический
1.2.1- нерегулярный
1.2.2 – регулярный
1.3 -- ниже предела устойчивости природной системы
1.4 – выше порога устойчивости природной системы
1.4.1 – с необратимыми нарушениями в природной среде
1.4.2 – с обратимыми нарушениями в природной среде
2 – свойства среды и природные факторы (климат, рельеф и
др.)
2.1 -- возможность интенсивного самоочищения среды
2.2 -- возможность интенсивной трансформации продуктов
техногенеза
2.3 -- возможность локализации продуктов техногенеза
3 – совместимость по геохимическим параметрам
техногенных потоков и депонирующих сред
3.1 -- совместимые
3.2 -- несовместимые
Таким образом, из приведенного материала видно,
что условия самоочищения и опасность загрязнения
окружающей среды токсичными веществами техногенного
происхождения в различных ландшафтных зонах
существенно различны и в общем случае подчинены
географическим закономерностям. Данное обстоятельство
позволяет осуществлять ландшафтно-геохимическое
районирование территорий с целью прогноза ответных
реакций природных систем на техногенное воздействие. В
основе такого районирования лежит выделение так
называемых технобиогеом, то есть природных
ландшафтно-геохимических систем, сходных по степени
устойчивости к техногенезу и характеру ответных
реакций на определенного рода загрязнения.
Нормирование техногенного воздействия на
ландшафт
С позиций геохимии ландшафта под критической
нагрузкой понимают максимальное количество
поступающих на единицу площади ландшафта
загрязняющих веществ (например, тяжелых металлов),
которое не вызывает необратимых вредных изменений в
его биогеохимической структуре и характере
функционирования в течение длительного времени.
Санитарно-гигиеническое нормирование
В его основе лежит использование предельно
допустимых концентраций (ПДК),
ориентировочно безопасных уровней
воздействия (ОБУВ), максимально допустимых
уровней (МДУ), допустимых остаточных количеств
(ДОК), предельно-допустимых уровней (ПДУ) и
др. В нашей стране наиболее апробированной
для оценки степени загрязненности окружающей
природной среды является система предельно
допустимых концентраций.
Под ПДК понимается «экологический норматив,
максимальная концентрация загрязняющего химического
вещества в компонентах ландшафта, которая при
повседневном влиянии в течении длительного времени
не вызывает негативных воздействий на организм
человека или другого рецептора (Толковый словарь по
охране природы, 1995, с.99). В зависимости от объекта
загрязнения различают ПДК загрязняющего вещества в
атмосферном воздухе, в воде, в почве.
Предельно допустимые концентрации вредных
веществ в атмосферном воздухе фиксируются в двух
значениях; максимально разовые (ПДКм.р.) и
среднесуточные (ПДКс.с). Первые из них определяют
предел кратковременного (20-30 минутного) воздействия
вещества на организм человека, вторые — допустимую
степень загрязнения воздуха в течение длительного
периода (от суток до года). Максимально разовая
величина ПДК не должна допускать неприятных
рефлекторных реакций человеческого организма
(насморк, ощущение запаха и др.), а среднесуточная токсичного, канцерогенного, мутагенного воздействия.
В атмосферном воздухе регламентируется содержание
определенных химических элементов и их соединений.
Реально же в нем может присутствовать одновременно
несколько токсичных веществ, суммарная концентрация
которых должна удовлетворять следующему условию:
ΣСi / ПДКi < 1
Иначе говоря, если сумма долей обнаруженных
концентраций, отнесенная к их ПДК, не превышает
единицы, то степень загрязнения атмосферного воздуха
считается допустимой с точки зрения гигиенического
нормирования.
Состояние атмосферного воздуха, загрязненного несколькими веществами,
оценивается также с помощью комплексного индекса загрязнения атмосферы (КИЗА),
который равен сумме нормированных по ПДК средних содержаний различных веществ:
n
КИЗА = ∑ Ji,
I=1
где Ji- индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) отдельной i-ой примесью; n- количество
приоритетных примесей, учитываемых в комплексном индексе загрязнения. Ji
определяется выражением
ai
Ji = (qср.г /ПДКсс),
где αi - константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 соответственно для
примесей 1 - 4 классов опасности; ПДКсс - среднесуточная предельно допустимая
концентрация i-й примеси; qср.г. – среднегодовая концентрация i-ой примеси.
Комплексный индекс загрязнения служит интегральной характеристикой степени
загрязнения атмосферного воздуха. Рассчитанный для одинакового количества
примесей, он позволяет давать сравнительную оценку
Критерии оценки состояния загрязнения атмосферы по комплексному
индексу (КИЗА)
Показат
ель
Экологическое состояние атмосферы
Н
КИЗА
<5
Р
5-8
К
8 - 15
Б
> 15
Антропогенное воздействие на водные объекты ландшафта
нормируется в зависимости от категории водопользования –
хозяйственно-питьевой, культурно-бытовой и
рыбохозяйственной. Вода считается чистой, если ее состав и
свойства ни по одному из показателей не выходят за пределы
установленных нормативов, а содержание загрязняющих
веществ не превышает ПДК. При наличии в воде нескольких
загрязняющих веществ сумма отношений их концентраций к
соответствующим ПДК не должна превышать единицы.
Среди интегральных показателей наиболее информативны индексы
загрязненности воды, в частности комбинаторный индекс, предлагаемый
сотрудниками Гидрохимического института. Принцип его определения
заключается в следующем. Для каждого ингредиента на основе реальных его
концентраций рассчитываются баллы кратности превышения ПДК (К) и
повторяемости случаев превышения (Н;), а также общий оценочный балл – Вi:
K = Ci /ПДКi
Hi = Nпдк / Ni
i
Bi = Ki х Hi
где С i- концентрация в воде i-ro ингредиента; ПДКi; — предельно допустимая
концентрация i-ro ингредиента; NПДК i - число случаев превышения ПДК i-ro
ингредиента; Ni - общее число определений i-ro ингредиента в воде.
Комбинаторный индекс загрязненности определяется путем сложения
общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов:
Jk = ∑ Bi
По величине Jk устанавливается степень загрязненности воды в
соответствии с классификацией.
При комплексной оценке водных объектов необходимо
учитывать загрязнение не только воды, но и донных
отложений. Для этого используют методику,
разработанную в ИМГРЭ и предусматривающую
определение суммарного показателя загрязнения Zc:
n
• Zc = ∑ Kc – (n – 1),
•
I=1
• где Kc - коэффициент концентрации элемента, т.е.
величина превышения его содержания в пробе донных
отложений над фоном. Степень загрязнения донных
осадков по величине Zc устанавливается в соответствии с
разработанной шкалой.
•
•
•
•
•
•
Принципы нормирования химических загрязнений почвы несколько отличаются от
принятого для атмосферного воздуха и природных вод. Связано это с тем, что
поступление вредных веществ в организм человека и животных непосредственно из
почвы происходит в исключительных случаях и в небольших количествах. Они
поступают в организм через другие субстраты, контактирующие с почвой — воду,
воздух, растения. Поэтому при определении ПДК загрязняющих веществ в почве
учитывают следующие показатели вредности:
транслокационный, характеризующий способность перехода вещества из пахотного
слоя почвы в растения и накопления в зеленой массе и плодах в количестве, не
превышающем ПДК для данного вещества в пищевых продуктах;
миграционный водный, характеризующий способность перехода вещества из почвы в
поверхностные и грунтовые воды в количестве, при котором не происходит
превышения его ПДК для водных объектов;
миграционный воздушный, характеризующий способность перехода вещества из
почвы в атмосферный воздух в количестве, при котором не происходит превышения его
ПДК в атмосферном воздухе;
общесанитарный, характеризующий влияние вещества на самоочищающую
способность почвы и почвенный микробиоценоз в количествах, не изменяющих
указанные процессы.
Опасность загрязнения почвы тем выше, чем больше фактическое
содержание контролируемых веществ в почве превышает ПДК, чем выше класс
опасности этих веществ и чем ниже буферные свойства почв.
На практике оценка опасности уровня загрязнения почв
химическими веществами проводится дифференцированно для
населенных пунктов и территорий сельскохозяйственного
использования. Для оценки уровня техногенного загрязнения почв
населенных пунктов используется суммарный показатель
загрязнения, рассчитываемый по формуле:
Zc = ΣKc – (n –1),
где К с - коэффициент концентрации, равный отношению реального
содержания элемента в почве к его фоновому значению (К с = С / Сф ),
n - число учитываемых элементов.
Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементов по
показателю Zc осуществляется по специальной шкале, градации
которой установлены на основе изучения состояния здоровья
населения, проживающего на территории с различным уровнем
загрязнения почв.
Техногенез и здоровье человека
По мере накопления данных о химическом составе
почв, природных вод выяснилось, что возникновение
целого ряда заболеваний связано с недостатком или
избытком в компонентах природной среды
микроэлементов. Такие заболевания получили название
эндемических, а районы их распрост ранения именуются
биогеохимическими провинциями.