Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды предприятиями промышленности и транспортными средствами, вызывающее деградацию среды обитания и наносящее ущерб Введение ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды предприятиями промышленности и транспортными средствами, вызывающее деградацию среды обитания и наносящее ущерб здоровью населения, остается наиболее острой экологической проблемой, имеющей приоритетное социальное и экономическое значение. Ужесточение государственного контроля за состоянием окружающей среды связано с ратификацией ряда международных соглашений и участием в долгосрочных программах, предусматривающих интенсивное использование одного из наиболее экологически чистых видов транспорта -железнодорожного (Алексеенко, 2000, 2003; Государственный доклад ..., 2003; Касимов, 2000). В связи с этим, большое значение приобретают исследования, направленные на оценку и минимизацию экологических рисков, обусловленных факторами воздействия различных видов транспорта, выявление роли каждого из них. Познание закономерностей и особенностей воздействия химических факторов на прижелезнодорожные территории является, несомненно, актуальной проблемой для прогноза будущего состояния почвы и окружающей среды в целом. Цель исследования. Основной целью работы являлась экогеохимическая оценка воздействия железнодорожного транспорта при длительном функционировании (около 140 лет) и наиболее крупных его узлов на экосистемы прилегающих территорий в условиях Воронежской области и изучение особенностей пространственного распространения поллютантов. В рамках поставленной цели были выполнены следующие задачи. 1. Исследовано влияние железнодорожного транспорта на содержание двух групп загрязнителей: тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди, цинка, хрома, никеля, марганца) и углеводородов (бензола, нефтепродуктов) в почвах и растениях. 5 2. Изучены изменения в природных экосистемах, происходящих под воздействием железнодорожного транспорта, и выявлены взаимосвязи аккумуляции загрязняющих веществ в различных средах. 3. Сформированы базы данных по загрязнению различных участков Юго-Восточной железной дороги (в пределах г. Воронежа по пяти разбросанным по территории города участкам узла и г. Лиски с компактно расположенным узлом в условиях равнинного рельефа). 4. На примере северо-западной части города Лиски и железнодорожного узла созданы карты-схемы валового содержания загрязняющих веществ в почве прилегающих территорий. 5. Определена роль железной дороги в формировании флоры придорожных пространств. 6. Предложены практические меры для снижения экологического риска от железнодорожного транспорта. . Объекты исследования. Объектами исследования служили территории железнодорожных узлов г.г. Воронеж и Лиски, с прилегающими линейными участками железных дорог, в пределах которых в качестве предмета исследования изучались депонирующие среды прилегающих к железной дороге территорий. Научная новизна работы определяется тем, что впервые дана эколого-геохимическая оценка степени воздействия крупных участков Юго-Восточной железной дороги. Получены данные об особенностях накопления загрязняющих веществ на прилегающих территориях. Созданы экогеохимические карты содержания загрязняющих веществ в почвенном покрове Лискинского железнодорожного узла и прилегающих территорий города Лиски. Установлены корреляционные зависимости распределения тяжелых металлов и углеводородов в депонирующих средах. Впервые проведено совместное флористическое и геохимическое исследование растительности прижелезнодорожных территорий. 6 Практическая значимость работы. Экогеохимические карты содержания загрязняющих веществ в почвенном покрове Лискинского железнодорожного узла и части города Лиски, а также картосхема суммарного показателя загрязнения, используются для оценки воздействия и при выполнении природоохранных мероприятий на обследованных территориях Юго-Восточной железной дороги. Комплексная диагностика состояния окружающей среды на различных участках Юго-Восточной железной дороги выявила ряд информативных показателей, по которым целесообразно проводить мониторинговые наблюдения. Совместный анализ загрязнения атмосферы с почвенным и растительным покровом железнодорожных ландшафтов позволил определить корреляционные связи между содержаниями загрязняющих веществ в различных средах. Дана количественная характеристика определенных металлов в растениях, с выделением наиболее чувствительных групп. Исследования состояния почвенного покрова были включены в план мониторинговых наблюдений на территории Воронежской области. Материалы исследований вошли в доклады: «О состоянии и использовании минерально-сырьевых, водных, лесных ресурсов, состоянии и охране окружающей среды Воронежской области» за 2001 и 2002 годы. Положения, выносимые на защиту. 1. Экогеохимическое влияние крупных железнодорожных узлов на прилегающую территорию происходит под действием ряда разных химических факторов, что позволяет ранжировать территории с учетом особенностей их хозяйственного использования. 2. Продолжительность работы железнодорожных участков и узлов, наряду с интенсивностью транспортных потоков являются основными факторами, формирующими экогеохимические аномалии на железнодорожном транспорте. 7 3. Влияние крупных железнодорожных узлов и прилегающих к ним участков распространяется за пределы зоны отчуждения, установленной существующими нормативами, превышая их в 1,5 — 2 раза. 4. Особенности инженерного устройства дорожного полотна и накопление поллютантов в прижелезнодорожном пространстве приводят к формированию мезофитной флоры и изменениям в растительных сообществах, связанных с постепенной заменой видов естественных сообществ в сторону нитрофилов. Организация и методика исследований. Основу диссертации составляют результаты собственных исследований, проведенных автором на Юго-Восточной железной дороге в период с 1999 по 2004 гг. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и представлены на И(Х) съезде Русского ботанического общества «Проблемы ботаники на рубеже XX-XXI веков», г. Санкт-Петербург; на международной научной конференции «География, общество, окружающая среда: развитие географии в странах Центральной и Восточной Европы», г. Калининград; на V региональной научно-технической конференции «Вопросы региональной экологии», г. Тамбов; на V Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2003», г. Санкт-Петербург; на научной конференции «Благополучная среда обитания - залог здоровья населения», г. Воронеж; на международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв», г. Москва; на международной научной конференции «Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция», г. Воронеж; на ежегодных отчетных научных сессиях ВГУ. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 6 глав, заключение, выводы и приложение. Текстовая часть работы содержит 177 страниц машинописного текста, включая 35 таблиц, 50 рисунков. Список литературы включает 212 источников, в том числе 14 иностранных. 8 Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н., проф., А.И. Федоровой, д.г.н., проф. В.И. Федотову, д.г.н., проф. С.А. Куролапу, д.г.н. Григорьевской А.Я., руководителю ВФ ФГУ «СИАК по ЦР» СМ. Сысоеву, коллективу ВФ ФГУ «СИАК по ЦР», студентам и преподавателям кафедры геоэкологии и мониторинга окружающей среды за обстоятельный анализ работы. ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ ПРОСТРАНСТВА Железнодорожный транспорт, в его современном понимании, зародился вначале XIX века и для многих стран, стал основным видом транспорта, оказав огромное влияние на развитие цивилизации. Не стала исключением и Россия: появление железной дороги было предопределено всем ходом исторического развития страны (интересы развития внутренней и внешней торговли, военно-стратегические соображения, экономика страны в целом). Железная дорога в настоящее время является одним из наиболее перспективных и развитых видов транспорта во всем мире. На современном этапе, железнодорожный транспорт - одна из стабильных отраслей материального производства, что объясняется надежностью и экономической выгодой. Транспортные магистрали железных дорог не изменялись с момента их строительства, а лишь дополнялись новыми участками и техническими новшествами. Большие перемены происходили с подвижным составом, который изменялся вместе с техническим прогрессом, переходя на новые современные виды топлива и материалы. Тем не менее, в различных странах в первой половине XX столетия, замедлился темп роста сети, а с 50-х годов общая протяженность железных дорог Мира постепенно начала уменьшаться, что связано с сокращением темпов роста перевозок, более быстрым развитием автомобильного, трубопроводного и воздушного транспорта. Сокращение территорий занимаемых железной дорогой заставляет по-новому рассматривать последствия воздействий транспорта на занимаемые пространства (рис. 1Л.). Согласно разработанной пятилетней экологической программы, на железнодорожном транспорте осуществляются мероприятия направленные на снижение негативного воздействия на окружающую среду. Несмотря на это, неизменными остаются основные факторы загрязнения прижелезнодорожных территорий. 10 Рис. 1.1. Участок Юго-Восточной железной дороги (ст. Подклетная) через два года после демонтажа дорожного полотна. 11 1.1Железнодорожный транспорт как источник электромагнитного излучения. Железнодорожный транспорт занимает ведущее место как загрязнитель окружающей среды электромагнитным излучением (ЭМИ). Электромагнитные поля (ЭМП) возникают в присутствии электрического тока электрифицированных линий железных дорог. Электромагнитное поле определяется как электростатическими взаимодействиями, возникающими между заряженными частицами, так и магнитной составляющей ЭМП. Обе составляющие ЭМП (электростатическая и магнитная) различаются и по степени биологической активности и по устойчивости во внешней среде: электрические поля почти полностью блокируются естественными преградами (особенностями рельефа местности, деревьями, постройками), в то время как магнитные поля способны проникать через них. (Гичев, 1999). Применительно к человеку электрические поля задерживаются поверхностными тканями, однако при уровне ЭМИ в 100 мВт/с*м и выше выявлено отрицательное влияние на здоровье персонала железной дороги (Маслов, 1995). Ишемическая болезнь сердца у машинистов электролокомотивов регистрируется, начиная с 20 - 29 лет, и встречается в 2 раза чаще, чем у машинистов пригородных электропоездов (Анализ..., 1995). Обследование населения одного из районов г. Новосибирска выявило более высокое распространение гипертонической болезни среди населения, постоянно проживающего в домах, расположенных на расстоянии менее 100 м от линий электропередач (Экологические..., 1996). По характеру биологического воздействия источники ЭМИ разделяются на две группы. К первой относятся источники крайне низких и сверхнизких частот. Под их воздействием происходит нарушение электрофизических процессов в центральной нервной и сердечно-сосудистых системах, функции щитовидной железы и систем гипофиза. Ко второй группе относятся источники ЭМИ радиочастотного и микроволнового диапазонов. При нахождении людей и животных под таким полем в теле возникают тепловые разряды. 12 Один из ключевых эффектов воздействия ЭМП заключается в изменении (в большую сторону) внутриклеточной концентрации ионов кальция, что уже используется в медицине для ускоренного заживления костных переломов. Однако в условиях постоянного воздействия ЭМП возможно неконтролируемое накопление кальция во всех органах и тканях. Группа исследователей в Великобритании, высказала предположение о способности высоковольтных систем «притягивать» радоновый аэрозоль (Boulton, 1996; Henshaw, 1996; Toburen, 1996). В этом случае радон может воздействовать на людей через дыхательные пути и легкие. Это очень опасно, учитывая канцерогенные свойства радона. К сожалению, до сих пор не установлены предельно допустимые уровни (ПДУ) экспозиции ЭМП, а существующие нормативы не учитывают вероятные отдаленные последствия длительных воздействий малых доз ЭМИ, обладающих кумулятивным биологическим эффектом. В виду активного расширения области применения ЭМИ, проблема электромагнитных полей становится одной из важнейших экологических задач современности. Всемирная организация здравоохранения включила вопрос о снижении электромагнитного загрязнения среды обитания человека в число приоритетных задач на ближайшие пять лет. 1.2. Шумовое воздействие железнодорожного транспорта Любой вид транспорта является! источником нежелательных звуков, создающих акустический дискомфорт. На уровень шума наибольше влияние оказывают следующие факторы: интенсивность, скорость и состав транспортного потока, тип двигателя, тип и качество дорожного покрытия, а также планировочные решения, включающие наличие зеленых насаждений и ограждения. Воздействие шума на живые организмы отличается степенью его 13 восприятия. Показателями шумового воздействия являются интенсивность, высота звуков и продолжительность воздействия. Интенсивность характеризует величину звукового давления, которое оказывают звуковые волны на барабанную* перепонку уха человека, и измеряется в децибелах (дБА). Персонал транспортных предприятий, непосредственно занятый в перевозочном процессе и ремонте подвижного состава, работает в условиях повышенной интенсивности шума. Значение шума, возникающего при движении транспортных средств, которому подвергаются водители * и пассажиры, а также люди оказавшиеся в зоне воздействия движущегося транспорта представлены в таблице 1.1. Таблица 1.1. Интенсивность шума от основных транспортных средств t Транспортные средства Интенсивность шума, дБА Легковой автомобиль 70-80 Автобус 80-85 Грузовой автомобиль- 80-90 Поезд метрополитена 90-95 Железнодорожный состав (в 7 м от колеи) 95-100 Железнодорожный состав (у колес) 125-130 Реактивный самолет на взлете 130-160' Как видно-из таблицы 1.1 железнодорожный транспорт характеризуется? высокими уровнями шумового воздействия, уступая* лишь авиационному транспорту. Строительство аэропортов осуществляется на некотором удалении от населенных пунктов, в то время как железнодорожные магистрали проходят напрямую через жилые массивы. Второй показатель воздействия шума - высота звука, который определяется частотой колебаний среды и измеряется в герцах (Гц). Значительное физиологическое воздействие на организм человека оказывают неслышимые инфразвуки, источников которых много на транспорте — 14 компрессорные установки, тормозные системы поездов, тяговые электродвигатели, дизели и т.д. Порог переносимости инфразвука - 140 - 155 дБА. При длительном действии такого инфразвука в организме развиваются психофизиологические отклонения от нормы, которые носят устойчивый характер. В транспортных процессах инфразвуку сопутствуют высокочастотные звуки акустического диапазона. Основной вклад в шумовой фон больших городов дают уличное движение и перехчещение железнодорожных составов. Так при движении поезда высота звуков обычно составляет 500 -800 Гц. Важным показателем шумового воздействия является его продолжительность. Длительное шумовое воздействие рассматривается как один из факторов, вызывающих повышенную* заболеваемость. Рост городов сопровождается ускоренным > развитием транспорта - автомобильного, городского, железнодорожного, воздушного. Вредное шумовое влияние усиливается под действием вибрации, загазованности и* других видов воздействия. Эффективным методом борьбы с шумовым загрязнением является создание защитных лесополос, а также строительство непроницаемых ограждений.' Эти* меры существенно сокращают и химическое воздействие подвижного состава на окружающую среду 1.3. Химические факторы воздействия железнодорожного транспорта Для- жизни и здоровья людей, постоянно проживающих в непосредственной близости к дороге, не менее значимыми являются факторы химического воздействия железнодорожного транспорта. Они отличаются наличием компонентов накапливающихся в окружающей среде, а, следовательно, способных оказывать продолжительное воздействие. Определение приоритетных загрязняющих химических веществ для железнодорожного транспорта проводится согласно ГОСТ 17.4.1.02.-83 15 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения», а также по данным ежегодных мониторинговых исследований ВФ ФГУ «СИЛК по ЦР» за промышленными объектами на территории Воронежской области. В группу компонентов подлежащих контролю входят углеводороды, нефтепродукты и наиболее опасные элементы 1 - 3 класса опасности: свинец, кадмий, медь, никель, цинк, хром, марганец. В целом по химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на человека загрязняющие вещества принято разделять на восемь групп. В первую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. Ко второй группе относят монооксид углерода (угарный газ). Он является продуктом* неполного сгорания нефтяных видов топлива; не имеет цвет и запах, легче воздуха, обладает выраженным отравляющим действием. В состав третьей группы.входят оксиды азота, главным образом, оксид азота и диоксид азота, которые в контакте с влагой образуют азотную и азотистую кислоты. Четвертая группа - самая многочисленная по составу, включает углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), циклопарафины (нафтеновые) и ароматические (бензойные), всего около 160f компонентов. Одной из отличительных черт для. всех углеводородов этой группы является канцерогенность. Особую опасность вызывает ароматический углеводород бенз-(а)-пирен,. Пятая группа состоит из альдегидов органических соединений, оказывающих токсичное действие на человека. Шестая группа включает сажу и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателя, масла, нагар) способные адсорбировать на себе другие более вредные компоненты (бенз-(а)-пирен). Седьмая группа состоит из сернистых соединений: сернистый ангидрид, сероводород. Избыток этих соединений объясняется наличием серы в составе 16 серосодержащих аминокислот белков исходного сырья - нефти, угле, древесине. Ее наличие усиливает токсичность отработанных газов дизелей, а при концентрации серы свыше 0,01 % возможно отравление организма. Компонентами восьмой группы являются свинец и его соединения, а также тяжелые металлы исходного сырья. Наиболее изучено воздействие и поведение веществ первых семи групп загрязняющих веществ, которые подлежат контролю в атмосферных выбросах железнодорожного транспорта. 1.3.1. Железнодорожный транспорт - источник углеводородов. Наиболее опасным и дискомфортным воздействиям транспорта на человека принято считать загрязнение углеводородами. Несмотря на развитие техники и технологий, отличительной чертой современной цивилизации остается использование углеводородного топлива как энергоносителя. С момента зарождения железных дорог основным видом топлива был уголь (Сотников, 1993). При его сгорании в окружающую среду выбрасывалось большое количество загрязняющих веществ, в том числе угольная зола, содержащая большое количество тяжелые металлов и углеводороды. Составить точное представление о составе и количестве загрязнителей сложно. Это связано с большим разнообразием месторождений ископаемого топлива. Однако известно, что при любых режимах горения в атмосферу выбрасывается наиболее распространенное канцерогенное вещество 3,4 - бенз(а)пирен. Он относится к «долгоживущим» полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), т.е. углеводородам, состоящим из двух и более ароматических колец, которые медленно проникают через мембраны, накапливаются в организме и стимулируют образование злокачественных опухолей В результате научно-технической революции произошли существенные изменения в техническом оснащении железной дороги. Изменения коснулись, главным образом, подвижного и тягового состава, что отразилось на 17 качественных и количественных характеристиках выбросов загрязняющих веществ. После 1965 года в результате перевода транспорта на жидкое топливо и электрическую тягу, перечень загрязняющих веществ дополнился целым рядом компонентов. Появление электровозов позволило обеспечить более надежную и экологически чистую работу транспорта на прогонных участках. Но это не сократило загрязнение на маневровых территориях, где в качестве тяговых локомотивов часто используются тепловозы с дизельными силовыми установками. Режим работы маневровых локомотивов менее стабилен по сравнению с «поездными», поэтому и выделение токсичных веществ у них в несколько раз больше. Одна секция тепловоза выбрасывает в атмосферу за час работы 28 кг оксида углерода, 17,5 кг оксидов, азота, до 2 кг сажи (Государственный:..., 1997). Не случайно самый высокий уровень загрязнения воздушной среды характерен для железнодорожных станций и прилегающих к ним пространств, и напрямую зависит от количества работающих локомотивов. При работе тепловозов в атмосферу выделяются отработавшие газы, по составу аналогичные выхлопам автомобильных дизелей (Павлова, 2000; Еланский, 2002). Главную роль в формировании техногенных потоков углеводородов на железнодорожном транспорте играют транспортировка, хранение и использование нефтепродуктов. Сжигание 1 тонны нефтепродуктов приводит к выделению 0,25 кг углеводородов, а при сжигании 1 тонны угля - 0,16 кг. Наименьшее количество углеводородов (0,48 кг/млн м3) выделяется при использовании природного газа (Скурлатов, 1994). Различные по составу и свойствам углеводороды проникают во все компоненты природного комплекса: испаряются в атмосферу, мигрируют с поверхностными и подземными водотоками, депонируются в почвах и донных отложениях. Происходит это в ходе многочисленных утечек, аварий, сбросов загрязненных вод на всех стадиях использования углеводородного сырья. Углеводороды и нефтепродукты исследуются в дождевых, талых и сточных водах, поступающих на очистку от различных производств и служб