Снежный покров городов: что накапливает и как его убрать

Экология
Юлия Печкина
7 Октября, 2021, 12:59
Снежный покров городов: что накапливает и как его убрать
Новый Уренгой. Автор фото Виктор Печенев, GeoPhoto.ru.



Снеговой или снежный покров является индикатором загрязнения окружающей среды. С учётом того, что снеговой покров на территории Арктической зоны России залегает от семи до девяти месяцев в году, при этом накапливая подавляющее количество суммарных годовых загрязнений, такой индикатор загрязнения должен быть признан наиболее показательным.

В связи с увеличением антропогенной нагрузки на территорию, увеличением количества автомобильного транспорта, возрастает давление на окружающее пространство. Загрязнённость снежного покрова отражает степень антропогенного воздействия на окружающую среду. На состояние снежного покрова влияют городские поселения, нефтегазовые комплексы, трансграничный перенос.


Что такое грязный снег

Что же вкладывается в понятие загрязнённость снежного покрова? Состояние накопленного на зиму снежного покрова в зоне влияния города или промышленного центра отличается от состояния снежного покрова вне этой зоны. Загрязнение – это "привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для неё физических, химических или биологических агентов". Загрязнение снежного покрова возникает вследствие естественных причин и под влиянием деятельности человека (антропогенное загрязнение). Реально оценить эти два вида загрязнения не представляется возможным, поэтому обычно антропогенную составляющую загрязнения определяют путём сравнения количественных показателей загрязнения снега в промышленном районе и на фоновых участках, то есть на определённом удалении.

В сфере антропогенного воздействия возможны следующие пути загрязнения снежного покрова:

- ветровой перенос и осаждение из воздуха твёрдых пылевых частиц сажи (механическое загрязнение);

- вымывание осадками и осаждение из атмосферы аэрозольных загрязняющих веществ – взвешенных в газообразной среде твёрдых (дым) и жидких (туман) частиц;

- растворение осадками находящихся в атмосфере газообразных загрязняющих веществ и осаждение их на снежный покров с твёрдыми и жидкими атмосферными осадками (химическое загрязнение);

- газовый обмен между снежным покровом и воздухом в приземном слое атмосферы (химическое загрязнение);

- загрязнение снежного покрова путём посыпания песком и солью (механическое и химическое загрязнения).


Как накапливаются снежные загрязнения

Город является локальным центром интенсивного загрязнения атмосферы и земной поверхности, тепловых аномалий, изменений естественного покрытия поверхности. Влияние города на снежный покров проявляется непосредственно (загрязнение, вытаптывание, перераспределение снега) и косвенными путями, через изменение микроклимата в городской зоне (уменьшение количества поступающей солнечной радиации, повышение температуры поверхности и воздуха, перераспределение осадков, ветра, факторов испарения).

По данным экспертного опроса, наибольшее влияние на формирование химического состава снежного покрова в российской Арктике оказывают местные антропогенные источники поступления загрязнителей и состав атмосферных осадков. Наименьший вклад оказывают дальний перенос и ветровой режим. В то же время исследования по данному вопросу показали, что дальний перенос играет существенную роль в процессе формирования состава снежного покрова, особенно в западном секторе Российской Арктики, и его вклад может быть весьма значительным, как это имело место в марте 2008 года, когда мощными потоками воздуха пыль была перенесена из южных регионов Европы на север и покрыла многие тысячи квадратных километров. Но влияние этого фактора носит непостоянный характер, и сила влияния меняется во времени и пространстве значительно, что, видимо, было принято во внимание экспертами.

Экологические ситуации как совокупность экологических проблем существенно обостряются в северных городах, где общие проблемы усиливаются низкими температурами, дефицитом солнечного сияния, штилевыми антициклональными погодами, сложностью проведения работ по озеленению, низкой самовосстановительной способностью природных систем. 

В последнее время всё более значимой для мониторинга окружающей природной среды становится депонирующая функция снежного покрова -- способность снежного покрова накапливать атмосферные выпадения, в том числе и загрязняющие вещества, переносить их со стоком талых вод в другие компоненты природной среды. Снеговой покров является идеальной депонирующей средой для загрязнителей, распространяющихся воздушным путём. 

Концентрация твёрдых частиц и других загрязнителей в атмосферном воздухе вблизи источников их техногенного поступления зависит от многих факторов:

- характера производства и изменения его технологических параметров;

- эффективности работы очистных устройств;

- расстояния от источника организованных выбросов: для высоких (выше 50 м) и средней высоты (10-50 м) источников максимальная концентрация возникает на некотором расстоянии от них, а затем падает обратно пропорционально квадрату расстояния;

- высота выбросов относительно поверхности земли: чем больше высота труб, тем меньше, при прочих одинаковых условиях, приземная концентрация рассеиваемых веществ;

- тепловых и физических характеристик выбросов: холодные и с грубо дисперсными частицами выбросы рассеиваются хуже;

- турбулентности воздушных течений, создаваемых сочетанием теплового излучения земной поверхности и промышленных или иных источников загрязнения;

- условий температурной стратификации атмосферы: температурные инверсии, когда с высотой над поверхностью земли температура воздуха повышается, резко ухудшают рассеивание, прижимая факел рассеяния к земле;

- направления и скорости ветра: перенос загрязнителей происходит преимущественно в направлении преобладающих ветров. Их максимальные концентрации от высокой и средней высоты источников с нагретыми выбросами в приземном слое атмосферы возникают при определённой, наиболее неблагоприятной для конкретных условий рассеяния, скорости ветра (называемой опасной скоростью); вблизи низких источников (менее 10 м), каковыми являются автотранспорт и другие мелкие источники в городе, концентрация обратно пропорциональна скорости ветра; наиболее неблагоприятны условия штиля, с которыми связано возрастание концентрации на 50-70%;

- ряда других факторов, препятствующих рассеянию загрязнителей и ведущих к их накоплению в атмосфере: туманы, особенности рельефа (замкнутые котловины) развитие фотохимических реакций, длительное отсутствие осадков.

Использование снежного покрова как индикатора связано также и с тем, что отбор проб снежного покров чрезвычайно прост и не требует сложного оборудования по сравнению с отборами проб воды и воздуха. Концентрация загрязняющих веществ в снежном покрове на несколько порядков выше, чем в атмосферном воздухе, а при послойном отборе проб снега можно определить временную динамику загрязнённости снежного покрова. Снежный покров может служить индикатором загрязнения атмосферы сульфатами, нитратами, тяжелыми металлами, хлороорганическими соединениями.


Снег и автомобильный транспорт

Источниками загрязнения снега жилой зоны городов являются продукты жизнедеятельности и хозяйственной деятельности населения, автомобильный транспорт, котельные установки и промышленные предприятия. Основным источником загрязнения атмосферного воздуха является автомобильный транспорт, на долю которого приходится до 80% от общего загрязнения атмосферного воздуха города. При сгорании топлива в двигателях транспортных средств в атмосферу поступает около 280 различных химических соединений. Среди загрязнителей в количественном отношении преобладают оксид углерода и углеводороды. По интенсивности загрязнения снега можно определить массу поллютантов, то есть загрязнителей, поступающих в почвы и поверхностные воды во время снеготаяния. Кроме того, химический состав снежного покрова – удобный индикатор техногенных геохимических аномалий в других компонентах ландшафта. Снег из-за меньшей скорости выпадения и большей площади поверхности снежинок по сравнению с дождевыми каплями загрязняется сильнее, чем жидкие осадки. 

Основными загрязнителями снежного покрова города служат выбросы автомобильного транспорта, промышленности, топливно-энергетического комплекса и антигололедные средства. Повышенное загрязнение снега вдоль дорог вызвано снижением эффективности работы автомобильных двигателей при отрицательных значениях температуры воздуха. Для северных городов это очень актуально, так как водители вынуждены не глушить двигатель автомобиля продолжительное время, а также ставят машины на автозапуск, что приводит к увеличению выбросов выхлопных газов.

В снежном покрове городов интенсивно аккумулируются медь (выбрасывается при стирании тормозных колодок автотранспорта), цинк (образуется при истирании резины) и свинец (применение присадок в топливе АЗС).

Концентрация тяжёлых металлов в снеговой воде (мкг/л) – отношение массы тяжёлых металлов к объёму исследуемой смеси – используется для мониторинга природных сред и выявления ареала распространения загрязняющих веществ, которые представляют наибольшую опасность для здоровья населения, особенно детей. Вовлекаясь в круговорот, они передаются по пищевым цепям, вызывая целый ряд негативных последствий на различных ступенях и в организме человека как конечном звене любой экологической цепи.

Большинство металлов относится к первому и второму классу опасности. Их негативное влияние на человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концентраций, но и в отдалённых последствиях, связанных со способностью многих металлов накапливаться в организме.

Пространственное распределение продуктов выбросов при их распределении в окружающей среде происходит по экспоненциальному закону. Центры наиболее высоких концентраций металлов обычно приурочены к источникам загрязнения. Они фиксируют в виде геохимических аномалий наиболее устойчивые и опасные участки зон воздействия выбросов. Изучение распределения металлов в почве и снежном покрове позволяет выявить источники загрязнения, дифференцировать зоны их влияния по интенсивности воздействия и дальности распространения выбросов. 


Снег как экономический фактор

До недавнего времени Арктика рассматривалась в качестве «эталона чистоты» для сравнения с экосистемами, подвергающимися антропогенному воздействию. Вклад регионов в загрязнение различен. Так, например, предприятия Норильска – мощный источник диоксида серы, способный оказывать влияние на отдаленные территории. Значимый вклад диоксида серы поступает от предприятий Мурманской и Архангельской областей. А вот основной объём выбросов оксидов азота приходится на источники Ямало-Ненецкого автономного округа и Красноярского края.

Тяжёлые металлы в списке приоритетности занимают одно из ведущих положений. В настоящее время интерес к тяжёлым металлам повысился в связи с появлением острых токсических эффектов, вызванных загрязнением в системе «воздух-вода-почва-растение-человек». В кругу различных проблем самостоятельное значение имеет снежный покров, выполняющий в течение длительного времени средообразующую, депонирующую, транспортирующую функции.

Содержание тяжёлых металлов в снеговом покрове на удалении от города снижается в 4-6 раз:

.

Уровни загрязнения снежного покрова на территории города.


Как экономический фактор снежный покров играет важную роль. С ним неизбежно связано снижение экономической эффективности производства из-за необходимости удаления снега и борьбы с обледенением дорог. Последняя производится в основном химическими методами, что обусловливает поступление в водные бассейны и почвы больших масс химических реагентов, создающих в конечных звеньях угрозу для растительности и животного мира.


Уборка снега и её оптимальная организация

Зимнюю уборку магистралей можно сравнить с ликвидацией последствий стихийного бедствия. Сильный снегопад и гололёдные явления способны привести город к кризисному состоянию, когда транспорт не в состоянии проехать к месту назначения.

Значительное влияние загрязнённости убираемого с дорог снега на экологическую обстановку в Нижневартовске при его компактности и повышенной этажности связано с большими удельными площадями дорог. Загрязнение их нефтепродуктами усложняется морозным выветриванием асфальтовых покрытий. Часто повторяющиеся циклы «замораживание – оттаивание» при отсутствии постоянного снежного покрова, намного превышающие морозостойкость покрытия, приводят к его разрушению и выветриванию. Продукты выветривания асфальтовых покрытий в конечном счёте осаждаются на дне водотоков и водоёмов, вызывая загрязнение всей трофической (пищевой) цепи экосистем.

Отличие зимней уборки городских магистралей от уборки дорог за пределами города заключается в отсутствии мест для складирования снега. Современная мощная дорожная техника способна сдвинуть снег к лотковой части дороги и отбросить его на необходимое расстояние за обочину. Однако на городской магистрали сразу за лотковой частью идёт тротуар для прохода пешеходов, а за ним – дома. Поэтому снег с городских магистралей необходимо вывозить, а это дорогостоящий процесс. Затраты на его уборку зависят от количества выпавшего за год снега.

Особое значение приобретает качество городского снега. Формирование загрязнённости снега, убираемого с дорог и тротуаров города, радикально отличается от формирования загрязнённости постоянного снежного покрова за городом. Пылевые загрязнения из-за кратности периода вылёживания снега на дорогах становятся малосущественными, зато на первый план выступают загрязнения от противогололёдных смесей и продуктов разрушения дорожных покрытий.

В процессе зимней уборки магистралей города неминуем вывоз сотен тысяч кубических метров загрязнённого снега и утилизация огромной снежной массы. При решении этой проблемы необходимо учитывать целый ряд экономических и экологических факторов. К экономическим факторам, в первую очередь, относится стоимость перевозки снега, практически определяющая способы его утилизации. Недопустимо создание на газонах сугробов из убранного с дорог снега, поскольку он загрязнён хлоридами, используемыми в качестве противогололедных реагентов, и пагубно действует на зелёные насаждения. Если использовать противогололёдные реагенты на основе мочевины и нитратов, то может быть нанесён существенный урон водным объектам города. Поэтому целесообразно иметь сеть утилизирующих снег сооружений, относительно равномерно распределённых по территории города.

Для решения экологической проблемы утилизации загрязнённого снега с городских улиц необходим комплекс мер:

- проведение системы мониторинга снежного покрова северных городских экосистем;

- введение системы наблюдения за накоплением снежного покрова на улицах города;

- разработка классификации улиц по интенсивности движения, степени загрязнения снега;

- разработка классификации внутридворовых территорий и автомобильных стоянок по пиковой нагрузке и степени загрязнения снега;

- разработка нормативно-правовых документов, регламентирующих обращение с загрязнённым снегом.

Поступление тяжёлых металлов в геосистемы и аккумуляция их в снежном покрове происходит в основном в результате сжигания топлива, сбрасывания сточных вод и деятельности предприятий добывающей промышленности. Содержание элементов в снеге и их выпадения колеблются в широком диапазоне, в зависимости от степени антропогенного влияния. Снежный покров вокруг городов и промышленных центров оказывается загрязнённым аэрозольными продуктами на больших площадях. Площадь аномальных полей концентраций таких ореолов и заключённая в них масса загрязняющих веществ закономерно связаны с величиной выбросов и длительностью периода накопления.

С экологической точки зрения все элементы процесса зимней уборки магистралей города взаимосвязаны и должны рассматриваться как единая, оптимальным образом организованная система. Экологические факторы, влияющие на решение проблемы утилизации вывозимого снега, заключаются в необходимости ликвидации воздействия имеющихся в снеге загрязнений на окружающую среду. 

Кроме того, могут возникнуть ситуации чрезвычайного характера регионального, муниципального или локального уровня -- например, снегопады, большой объём снегоотложений, сильные метели. Для минимизации рисков прогнозирование таких явлений должно быть успешным и заблаговременным.

 

Автор: Юлия Александровна Печкина, научный сотрудник Химико-аналитической лаборатории ГКУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики».

Источники:

1. Козин В.В. Физико-географические факторы пространственно-временной изменчивости снежного покрова нефтегазопромыслового региона: монография / В.В. Козин, Э.А. Кузнецова. – Нижневартовск: изд-во Нижневарт. гос. ун-та, 2015. – 151 с.

2. Прокачева В.Г., Усачев В.Ф. Снежный покров в сфере влияния города. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 176 с.

3. Котова Е.И. Оценка влияния факторов на состав снежного покрова в Российской Арктике // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 10. – С. 158-163; URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37230 (дата обращения: 14.09.2021)

4. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Власов Д.В., Терская Е.В. Геохимия снежного покрова в восточном округе Москвы // Вестник Моск. ун-та. Серия 5. География. 2012. №4. С. 14-24.

5. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. М.: ИМГРЭ, 1990.

6. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА КАК ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ (НА ПРИМЕРЕ Г. БИРОБИДЖАНА) - Современные проблемы науки и образования (сетевое издание) (science-education.ru)

7. Алексеев В.Р. Снежный покров как индикатор кумулятивного загрязнения земель // Лёд и снег. 2013. №1 (121). С. 127-140.

8. Севастьянова Д.В., Исаченко Т.Е., Гук Е.Н. Норильский регион: от природной специфики к практике освоения // Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2014. Вып. 3. С. 82-94.

9. Ветров В.А., Кузовкин В.В., Манзон Д.А. Изменение кислотности снежного покрова и выпадений серы и азота в материковой части Арктической зоны России в 1990-2015 гг. // Вопросы географии. Сб. 142. География полярных регионов. С. 142-163.

10. Зарина Л. М., Гильдин С. М. Геоэкологический практикум: Учебно–методическое пособие. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2011. — 60 с.

11. Лебедев С.В., Агафонова Е.К. Эколого-геохимическая оценка загрязнения окружающей среды по данным мониторинга содержания тяжёлых металлов в почвогрунтах и снежном покрове (на примере Василеостровского района Санкт-Петербурга) // Вестник СПбГУ. Науки о Земле. 2017. Т. 62. Вып. 4. С. 357-369.

12. Василенко В.Н., Артемов И.Е., Беликова Т.В., Успин А.А. Кислотно-щелочные характеристики снежного покрова территории России //Метеорология и гидрология. 2007. №4. С. 100-104.

13. Роговенко Е.С., Блинникова Н.В., Шубин А.А., Бондарева Л.Г. Экологический контроль антропогенного загрязнения снегового покрова одного из промышленных районов г. Красноярска // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. Т. 3. №4. 2010. С. 387-394.

14. Бондаревич Е.А. Оценка техногенного загрязнения городской среды Читы по состоянию снежного покрова // Лёд и снег. 2019. Т.59. №3. С. 389-400.

15 Носова О.В., Каверзин А.В. Мониторинг снежного покрова селитебной зоны города Норильска // Культура. Наука. Производство. №4. 2019.

16. Негробов О.П., Астанин И.К., Стародубцев В.С., Астанина Н.Н. Снежный покров как индикатор состояния атмосферного воздуха в системе социально-гигиенического мониторинга // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2005. №2. С. 149-153.

17. Опыт исследования пограничного слоя атмосферы c использованием квадрокоптеров / М. И. Варенцов, И. А. Репина, А. Ю. Артамонов [и др.] // Фундаментальные и прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий: материалы VI Международной научно-практической конференции, Майкоп, 17–21 мая 2021 года. – Майкоп: Индивидуальный предприниматель Кучеренко Вячеслав Олегович, 2021. – С. 54-59.

18. Прогноз сильных снегопадов на Урале с использованием численных моделей атмосферы / Н. А. Калинин, Е. В. Пищальникова, А. Н. Шихов, А. В. Быков // Географический вестник. – 2019. – № 1(48). – С. 93-106. – DOI 10.17072/2079-7877-2019-1-93-106.

далее в рубрике