Материал: Екологічні аспекти формування талого та дощового поверхневого стоку міста

Екологічні аспекти формування талого та дощового поверхневого стоку міста

ВСТУП

Актуальність теми. Вплив урбанізованих територій на навколишнє середовище являє собою складний процес, що обумовлений великою кількістю чинників, які відрізняються як за своєю природою, так і за закономірностями впливу. Природні й антропогенні ландшафти характеризуються єдністю структури, взаємозалежністю компонентів, тому зміна одних позначається на інших, і загальному стані ландшафтів. У зв’язку з цим, особливої актуальності набувають роботи, спрямовані на створення системи інформативних біоіндикаторів і біомаркерів для адекватної оцінки стану довкілля та моніторингу урбанізованих систем.

Однією з основних причин забруднення водних об’єктів, ґрунтів, міську біоту і людей є надходження вод поверхневого стоку і продуктів змиву під час сніготанення із забудованих селітебних територій. Тому здійснення біоіндикації якості поверхневого стоку дасть змогу швидко виявити присутність токсикантів у довкіллі і вжити певних заходів щодо мінімізації їх шкідливого впливу на людину та навколишнє середовище. Це й обумовлює актуальність обраної теми дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дипломна робота виконана на кафедрі екології та агробіології Черкаського національного університету імені Богдана Хмельницького у межах загальнокафедральної тематики.

Мета дослідження. Метою роботи було оцінити фітотоксичність поверхневого стоку з території м. Черкаси методом біоіндикації.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети було поставлено наступні завдання:

·    з’ясувати вплив урбанізованого ландшафту міста на формування поверхневого стоку;

·    встановити фітотоксичність снігу на території м. Черкаси;

·        встановити фітотоксичність дощової води на території м. Черкаси;

·        провести порівняльний аналіз фітотоксичності талих і дощових вод на території м. Черкаси;

Об’єкт дослідження: процеси формування якості поверхневого стоку на урбанізованих територіях.

Предмет дослідження: реакція рослин-індикаторів на рівень токсичності проб дощових і талих вод.

Методи дослідження: лабораторний - для постановки досліду, математично-статистичний - для оцінки вірогідності отриманих результатів, маршрутний - для обстеження району дослідження, біоіндикаційний - для оцінки стану навколишнього середовища.

Наукова новизна одержаних результатів: уперше на території м. Черкаси проведено біоіндикаційне дослідження фітотоксичності дощових і талих вод.

Практичне значення одержаних результатів: дані, отримані в результаті проведеного дослідження, можуть бути використані при біомоніторингових дослідженнях урбанізованих і техногенно змінених територій.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

.1 Огляд досліджень хімічного складу атмосферних опадів

Атмосферні опади є одним із основних джерел надходження хімічних речовин на поверхню ґрунту. Це - важлива ланка глобального геохімічного циклу. Надходження хімічних речовин з атмосферними опадами не є стабільним у часі і просторі. Ця величина змінюється під впливом цілого комплексу природних і антропогенних факторів.

Перші дослідження хімічного складу атмосферних опадів на території України були проведені на рубежі ХІХ і ХХ століть. Після проведення окремих робіт, в наступні десятиліття хімічний склад опадів на Україні не вивчався.

Після Великої Вітчизняної війни дослідження складу опадів поновилися і представлені роботами Є.С. Бурксера, П.В. Денисова і А.Л. Бугайова [5, 7].

У подальші роки ґрунтовних робіт, які присвячені хімічному складу атмосферних опадів в Україні не було. Окремі відомості з зазначених питань можна знайти в роботах В.Н. Василенка, І.М. Назарова, Ш.Д. Фридмана, В.І. Пелешенка, С.І. Сніжка, М.І. Ромася, Ю.І. Мельничука, В.М. Семерика та В.І. Осадчого [30], оглядах хімічного складу опадів, які щорічно готуються в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті.

Вивчення трансформації хімічного складу атмосферних опадів протягом тривалого проміжку часу в Україні були проведені вперше українським гідрометеорологом С.І. Сніжко [18]. Умови формування хімічного складу атмосферних опадів та власне їх склад, а також рівень антропогенного навантаження на довкілля в окремих регіонах України змінюється з часом [19].

За даними досліджуваної роботи О.О. Косовець-Скавронської та С.І. Сніжко [18] було встановлено, що в межах України протягом багаторічного періоду спостерігається стійке зменшення вмісту розчинених речовин в атмосферних опадах. Також було встановлено нерівномірний характер цього процесу, наводяться джерела походження головних іонів хімічного складу атмосферних опадів, процеси формування хімічного складу атмосферних опадів та огляд основних досліджень, присвячених питанню вивчення хімічного складу атмосферних опадів, які були проведені на території України та за її межами.

Закономірності формування хімічного складу опадів детально вивчалися М.І. Ромасем [36], зокрема було встановлено, що з метеорологічних факторів найбільший вплив на концентрацію хімічних речовин в атмосферних опадах справляє кількість опадів.

Відповідно до принципів Комплексної програми атмосферного моніторингу у хімічному складі атмосферних опадах визначають головні іони, до яких належать SO42-, NО3-, Cl-, НСО3-, NH4+, Са2+, Mg2+, Na+, та К+ та важкі метали. На жаль, у наш час в Україні вміст важких металів у атмосферних опадах не вивчається, тому зосереджена увага лише на головних іонах хімічного складу атмосферних опадів. Варто зазначити, що усі 9 головних іонів хімічного складу атмосферних опадів мають як природне, так і антропогенне походження.

На відміну від України, питанню вивчення хімічного складу атмосферних опадів приділяється значна увага у багатьох країнах світу. Зокрема, у Росії, Фінляндії, Білорусії, Казахстані, Південній та Екваторіальній Африці, США, Канаді, Японії, Індії, Китаї тощо. Дані дослідження були проведені як в індустріально забруднених, так і у відносно чистих районах [18]. Варто зазначити, що у багатьох роботах йде мова про зміну хімічного складу атмосферних опадів. Зменшення вмісту сульфатів (у 85% всіх пунктів) також встановлене протягом 1985-2002 рр. Це зменшення супроводжувалося зростання концентрацій амонію на 58%. У західних і центральних штатах відмічається значне зростання вмісту нітратів, в той час як у північно-східних - його зменшення. Сумарний вміст катіонів (Са2+, Мg2+, K+) зменшився на 40% переважно в центральних і південних штатах, а збільшився - лише на 7%.

Перші систематичні дані про розподіл атмосферних опадів на території Росії описується в роботах А.І. Воєйкова. Велика кількість опублікованих робіт присвячено дослідженню просторово-часових закономірностей розподілу атмосферних опадів у різних регіонах Росії. Кліматичні умови випадання атмосферних опадів на території Далекого Сходу визначаються панівним впливом холодних континентальних повітряних мас взимку і прохолодних океанічних мас влітку [2].

Вагомий внесок у вивчення фізичних процесів формування атмосферних опадів на території Росії внесли Н.П. Шакина та А.Р. Іванова.

Хімічний склад опадів України є подібним до хімічного складу опадів у світі (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 Переважаючі іони у хімічному складі атмосферних опадів в Україні та інших країнах світу

Докладний огляд і аналіз літературних джерел свідчить, що вивченню хімічного складу опадів приділяється значна увага у багатьох країнах світу. На жаль, в останні роки хімічний склад атмосферних опадів на території України та їх роль у гідрохімічному балансі ґрунтовно не аналізувалися. Такі дослідження є вкрай необхідними для встановлення сучасних даних про хімічний склад опадів, адже результати дослідження, які проводяться у багатьох країнах на різних континентах, вказують на зміну у хімічному складі атмосферних опадів [31].

Характеристика фізико-географічного положення метеорологічних станцій є необхідною, адже при інтерпретації даних про хімічний склад опадів важливою є характеристика загальних природних умов району, а також найближчого оточення метеостанцій, наявність промислових підприємств та інших джерел забруднення атмосфери (рис. 1.1.).

а)                                                               б)

Рис. 1.1 Середня зміна відносного вмісту компонентів хімічного складу атмосферних опадів на території України у теплий (а) та холодний (б) сезони року

У цілому, для території України властиво зменшення у хімічному складі опадів іонів [18] переважно антропогенного походження (SO42-, NO3-, Cl-) та збільшення іонів переважно природного походження (Са2+, НСО3-). Варто також зазначити, що зміни у хімічному складі опадів у холодний сезон більш інтенсивні, ніж у теплий.

У результаті проведених досліджень [19] було оцінено надходження 9 головних іонів хімічного складу атмосферних опадів (SO42-, HCO3-, Cl-, NO3-, NH4+, Na+, K+, Са2+, Мg2+) та сумарне надходження хімічних речовин з атмосферними опадами на територію України.

Зокрема, було встановлено, що протягом року модулі надходження хімічних речовин на територію України становлять від 6,65 до 25,9 т/км2, загалом же за рік на територію України надходить від 4,0 до 15,6 млн. т хімічних речовин. Найбільше хімічних речовин надходить на сході України та в Карпатах, а найменше - у східній частині Кримського півострова. Найбільшими показниками надходження характеризуються сульфат-іони та гідрокарбонат-іони, 36% та 25% від сумарного річного надходження відповідно.

Просторовий розподіл надходження компонентів хімічного складу опадів формується в основному двома факторами: кількістю опадів та рівнем забруднення атмосфери, при чому для одних речовин головну роль відіграє перший фактор, а для інших - другий [15].

Надходження сульфатів у теплий сезон визначається, в першу чергу кількістю опадів, а вже потім забрудненням повітря, а у холодний сезон та рік в цілому на величину надходження сульфат-іонів впливають, в першу чергу, антропогенне забруднення, а вже потім кількість опадів. Розподіл гідрокарбонат-іонів визначається головним чином кількістю опадів. Розподіл надходження нітрат-іонів на територію України визначається головним чином розподілом кількості опадів, а роль фактору антропогенного забруднення незначна. Серед усіх аніонів хімічного складу атмосферних опадів, на розподіл іонів хлору найменше впливає рівень забруднення атмосфери і їх розподіл визначається головним чином кількістю опадів.

На розподіл надходження іонів амонію в першу чергу впливає кількість опадів. Можливим також є вплив транскордонного перенесення забруднювальних речовин. Визначальну роль у надходженні іонів натрію відіграє ступінь забруднення повітря, і лише в теплий сезон року кількість опадів та рівень забруднення мають приблизно однаковий вплив на формування модулів надходження цих іонів. У розподілі надходження іонів К+ величина кількості опадів не відіграє майже ніякої ролі. У надходженні іонів Са2+ кількість опадів відіграє головну роль в теплий сезон року, а рівень забруднення атмосфери - у холодний, у річному надходженні ці складові надходження відіграють приблизно однакову роль з незначним переважанням кількості опадів. Розподіл величини надходження іонів магнію у теплий сезон визначається кількістю атмосферних опадів, а в холодний період - рівнем забруднення атмосфери. В цілому для надходження магнію протягом року ці складові діють приблизно однаково [28].

З вище викладеного випливає, що на розподіл сумарного надходження хімічних речовин з атмосферними опадами в теплий сезон року сильніше впливає кількість опадів, а в холодний сезон визначальна роль належить рівню забруднення атмосфери, а отже антропогенній діяльності людини. У сумарному річному надходженні ці два фактори діють приблизно однаково. Варто також зазначити можливий вплив транскордонного перенесення забруднювальних речовин на північному сході України, або вплив локального джерела забруднення [15].

Хімічний склад атмосферних опадів, незважаючи на нестабільність, у цілому відображає характерні риси місцевості і тип її ландшафту.

Атмосферні опади, як продукти конденсації і сублімації водяної пари в атмосфері є важливим кліматичним параметром, що визначає режим зволоження території. Для виникнення атмосферних опадів необхідна наявність вологої повітряної маси, висхідних рухів і ядер конденсації [22].

Незважаючи на те, що опади є складовою частиною гідросфери, умови формування їх властивостей досить суттєво відрізняються від умов, які впливають на формування властивостей поверхневих і підземних вод. Хімічний склад опадів формується, починаючи з моменту утворення найдрібніших крапель в товщі хмари. На цій стадії склад крапель визначається наявністю хімічних компонентів у складі хмар. При проходженні дощової води через шар атмосфери здійснюється розчинення наявних там домішок і її хімічний склад зазнає певних змін. Вимиваючись із атмосфери забруднюючі речовини приводять до виникнення техногенно-трансформованих опадів. А тому атмосферні опади самі по собі починають відігравати роль чинника екологічної небезпеки [43].

1.2 Особливості утворення поверхневого стоку міста

Поверхневий стік включає в себе дощові, снігові і поливомийні стічні води. Він буває організованим і неорганізованим [42]. З літературних джерел відомо, що атмосферні опади забруднюються різними домішками органічного і мінерального характеру ще в процесі випадання на поверхню [31]. Однак основна кількість забруднюючих речовин надходить в атмосферні опади при їх стіканні з поверхні міської території. За даними зарубіжних досліджень накопичення забруднень на поверхні доріг в середньому для міст становить 395 кг на 1 км дороги, причому у промислових районах накопичення вдвічі перевищує середній показник для міста [28]. Характерним для промислових міст є те, що із збільшенням території міста і чисельності його жителів в них невпинно зростає диференціація концентрації забруднення в різних районах забудови. Поряд з невисокими рівнями забруднення в периферійних районах, вона різко збільшується в зонах підприємств та районах з вузькими слабо вентильованими вулицями. У центральних районах навіть за відсутності в них промислових підприємств, як правило, завжди спостерігається підвищена концентрація забруднювачів, що є наслідком перенасичення транспортом адміністративних служб та власників офісів приватних підприємств. На думку [38] зазначені аргументи можуть бути вагомим фактором, що призводить до зміни складу атмосферних опадів на території міст. Води поверхневого стоку вважаються мало регульованими, бо залежать від чисельності населення та площі міської території [30]. Проблема зливових стоків у багатьох містах України не вирішена, тому ці води надходять безпосередньо у водойми і забруднюють їх нафтопродуктами, отрутохімікатами та іншими хімічними речовинами, що змиваються з території міста. За інтенсивністю забруднення зливові води часто наближаються до господарсько-побутових [39].

Формування поверхневого стоку відбувається під впливом комплексу природних (атмосферні опади, випаровування, фільтрація, затримання вологи рослинами) і антропогенних (використання водозбірної території, застосування штучних покриттів, технологія миття штучних покриттів) чинників [42].