Материалы для обучения учащихся экологическим и химическим исследованиям на примере работы "МОНИТОРИНГ"
методическая разработка по химии (5, 6 класс)

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СНЕЖНОГО ПОКРОВА В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Примак О.В.

ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный университет,

г. Оренбург

В последнее время в качестве интегрального показателя загрязненности атмосферы в зимний период для территорий, которые характеризуются наличием устойчивого снежного покрова в течение длительного времени, предлагается использовать снег [1, 2].

Сезонный снежный покров преобладает в зимнем ландшафте в течение 5 месяцев. Снег обладает высокой сорбционной способностью и является индикатором загрязнения атмосферного воздуха, вод, почв и растительности. Главным достоинством мониторинга снежного покрова является простота отбора проб и легкость измерения загрязняющих веществ [3].

Изучение влияния городской среды на снежный покров осуществлялось в период с 2010 по 2012 гг. Исследования проводились на территории парков г. Оренбурга. Все парки расположены в контрастных условиях городской среды: в разных районах города с различной техногенной нагрузкой и составом загрязнителей. В качестве фона был выбран степной участок в непосредственной близости с лесополосой, расположенный вне влияния городской среды в 20 км западнее г. Оренбурга.

На территории каждого парка и фонового участка закладывали по 5 учетных площадок, на каждой из них измеряли высоту снега и в не менее чем 5-кратной повторности отбирали его образцы.

Снег отбирали на всю глубину используя крены. Образцы взвешивали и рассчитывали плотность снега и его запасы. При комнатной температуре снег растапливали, а снеговую воду анализировали по следующим показателям: рН и содержание сухого остатка.

Снежный покров обладает пространственной и временной изменчивостью. Накопление снега в течение зимнего периода зависит от рельефа местности, метеорологических условий, древесных насаждений. Исследований, посвященных характеру и особенностям залеганию снежного покрова на городских территориях, почти не проводилось.

Изучение высоты снежного покрова показало значительное варьирование данного показателя. Так высота снежного покрова в 2010 году на участках исследования варьировала от 19 до 29 см, в 2011 от 11 до 29 см, а в 2012 от 12 до 28 см.

В городских условиях с плотной застройкой снег не выносится за пределы открытого участка и поэтому можно принять, что условия поступления и накопления снега на городских территориях наиболее близки к лесным [4].

В связи с тем, что образцы снега отбирали в конце зимы, он значительно уплотнился. Неравномерное уплотнение снега, связанное с зимними оттепелями и активной техногенной нагрузкой, объясняет отсутствие прямой зависимости запасов влаги от высоты снежного покрова.

Наибольшие запасы влаги (за 2010-2012 гг.) содержал снег парка 50-летия СССР (92 мм), наименьшие запасы - парк Тополя 47,7 мм. Значение показателя на контрольном участке составило 89,1 мм. Превышение фонового показателя наблюдалось на территории четырех парков: им. Перовского, им. 50-летия СССР, им. В. И. Ленина и им. 50-летия ВЛКСМ.

По показателю запасов воды в снежном покрове все участки исследования образуют следующий ряд: ……

В условиях техногенеза снег выступает не только как депо поллютантов, но и как природный компонент геосистем, обладающий способностью диагностировать антропогенные изменения в ландшафтах.

Содержание поллютантов в нем на 2-3 порядка выше по сравнению с атмосферным воздухом, что обусловлено, во-первых, влажной седиментацией загрязнений в момент формирования кристалликов в воздухе и выпадения их на землю и, во-вторых, процессом сухого осаждения загрязняющих веществ из атмосферы. Благодаря такому естественному процессу концентрирования содержание загрязняющих веществ можно определять относительно простыми методами с высокой степенью достоверности. Всего лишь одна проба по всей толщине снежного покрова дает объективные и представительные данные о загрязнении за весь зимний период: от образования устойчивого зимнего покрова до момента отбора пробы в начале процесса снеготаяния [5].

До весеннего миграционного цикла загрязняющие вещества оказываются законсервированными в снежном покрове. В период весеннего половодья эти вещества поступают в природные среды, в основном воду и почву, загрязняя их. Следовательно, химический анализ снега позволит предсказать состав будущих мигрантов в различных природных объектах городских ландшафтов. Снег как объект мониторинга незаменим при установлении источников загрязнения, а также при определении области влияния этих загрязнений [6].

О природе и объеме веществ, поступающих с аэральным переносом в снеговой покров, можно судить по значению реакции среды талой воды и содержанию сухого остатка.

Снежный покров в изучаемых парках отличался по показателям рН, которые в период исследований варьировали в интервале 6,9 – 7,8 (от нейтральной до щелочной), с показателем 6,5 на фоновом участке (нейтральная). Это свидетельствует о высоком содержании щелочных компонентов в атмосфере, по сравнению с прилегающими к городу территориями. В целом за 2010-2012 годы исследования четко обозначилась динамика увеличения значения рН талой воды.

По показателю рН снеговой воды все участки исследования можно расположить в следующей последовательности: ……… Отметим, что повышение значения этого показателя обусловлено поступлением в атмосферу щелочных продуктов, среди которых важное место, как правило, занимают пылевидные загрязнители с ТЭЦ и продукты разрушения железобетонных конструкций и зданий.

О величине загрязнения снега можно косвенно судить по значению сухого остатка талой воды.

Самым низким показателем содержания сухого остатка характеризовался снежный ……. Тогда как в талой воде контрольного участка эта величина составила 41,01 мг/л. В парках города эта величина значительно варьировала от 21,5 до 61,5 мг/л.

По величине сухого остатка талой воды участки исследования образуют следующий ряд: …………

Проведенный корреляционный анализ данных рН снеговой воды и содержания сухого остатка выявил наличие достоверной корреляционной связи

Максимальные значения показателей рН и сухого остатка наблюдалось ……. что свидетельствует о наибольшем поступлении в снежный покров этих парков пылевидных загрязнителей и продуктов разрушения железобетонных конструкций и зданий, которые приводят к одновременному повышению значений этих параметров. Данный факт объясняется их расположением в исторической части города, где процесс разрушения обветшалых зданий сменяется их реконструкцией.

Таким образом, снежный покров является чутким индикатором антропогенного воздействия и отражает особенности экологического состояния атмосферного воздуха.

Список литературы :

1. Тентюков, М.П. Особенности формирования загрязнения снежного покрова: морозное конденсирование техногенных эмиссий (на примере районов нефтедобычи в большеземельской тундре) / М.П. Тентюков // Криосфера Земли, 2007. - Т. 11. - №4. - С. 31-41.
2. Коркина, С.В. Исследование выбросов подвижного состава железнодорожного транспорта по интенсивности загрязнения снежного покрова / С.В. Коркина, Я.В. Акименко, В.М. Руцкий, П.П. Пурыгин // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. Второй спецвыпуск, 2003. - С. 127-134.
3. Даукаев P.A., Сулейманов P.A. Мониторинг загрязнения снежного покрова Уфы // Гигиена и санитария, 2008. - № 5. - С. 26 - 28.
4. Инновации в области мониторинга окружающей среды / Валетдинов А.Р., Валетдинов Р.К.,  Валетдинов Ф.Р., Горшкова А.Т., Шлычков А.П.// Материалы III научной конференции «Промышленная экология и безопасность», Казань. - 2008. - С. 26-30.
5. Белозерцева, И.А. Воздействие техногенных выбросов на почвенный покров Верхнего Приангарья: На примере зоны влияния Иркутского алюминиевого завода. Диссер. На соис. ст. к.г.н., спец-ть  - 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. – Иркутск. - 2000.-161 с.
6. Шумилова, М.А. Исследование загрязненности снежного покрова на примере города Ижевска / М.А. Шумилова, Петров В.Г., Садиуллина О.В. // Вестник Удмуртского университета. - 2012.  - № 4-2. - С. 83-89.

Литературный обзор

Одной из экологических проблем современности является загрязнение атмосферы выбросами предприятий, заводов. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. тонн твердых примесей (сажа, пыль) , 700 млн. т. угарного газа, 150 млн. т. оксидов азота. В сумме получается более 1 млрд. т. вредных веществ. В зависимости от источника загрязнения изменяется  состав снега.

Атмосферный воздух городов содержит очень большое количество загрязняющих веществ. Этот факт общеизвестный. Зимой это загрязнение больше, т. к. на полную мощность работают котельные, дым из их труб виден издалека. При этом загрязнение распространяется на очень большое расстояние от источника загрязнения, в зависимости от направления ветра. Часть взвешенных в воздухе веществ оседает на Землю вместе с осадками, например в виде снега. Источник снежного покрова – снежинки. Они образуются в холодных слоях тропосферы при конденсации влаги на носящихся в воздухе пылинках, частичках солей, спорах и пыльце растений и других компонентах, находящихся в атмосфере, в том числе и вредных. Поэтому анализ снежного покрова является одним из компонентов определения степени загрязнения атмосферы. Система контроля снежного покрова является частью общей системы мониторинга трансграничного и дальнего переноса загрязняющих веществ. Осадки являются эффективным фактором вымывания различных веществ из воздуха. При этом процессы влажного и сухого выпадения могут привести к изменению химического состава почв, вод рек и водоемов. Снежный покров – надежный индикатор в частности такого важного параметра, как атмосферная нагрузка на природные экосистемы. [4]

В нашем регионе экологическая обстановка такова.

Основными организованными источниками загрязнения атмосферы являются трубы печей и факелы. По данным государственной статистической отчетности 2-ТП (воздух), в 2012 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на территории округа составили 2 429,49 тыс. т, в том числе: – твердых ЗВ – 119,091 тыс. т (на долю которых приходится 4,9%); – газообразных и жидких ЗВ – 2 310,401 тыс. т (составляющих 95,1% от всего объема). В 2011 году при объеме выбросов 2 353,007 тыс. т на долю твердых ЗВ  пришлось 4,95% (116,514 тыс. т), а газообразных и жидких ЗВ – 95,05%   (2 236,493 тыс. т).  В целом за последние 5 лет на долю твердых ЗВ приходится около 5-6%  годовых выбросов, газообразных и жидких – около 94-95%. Среди газообразных  основную массу составляет оксид углерода – около 44-52% от общего объема выбросов в атмосферу, летучие органические соединения составляют около 21- 30%, углеводороды (без ЛОС) – около 14-24%, оксиды азота – около 3-6%, диоксид серы – около 0,1-0,3%.

На долю уловленных и обезвреженных загрязняющих веществ стабильно приходится 0,3-0,4% от общего количества отходящих от всех стационарных источников выбросов.

За период 2008-2012 гг. наблюдается тенденция увеличения объемов выбросов от стационарных источников. Так, с 2008 г. годовой объем выбросов увеличился с 2 294,23 тыс. т до 2 429,49 млн. т в 2012 г. В 2011 году увеличение выбросов на 135,64 тыс. т. произошло за счет основных источников загрязняющих веществ, расположенных в Нижневартовском районе, на долю которых приходится 41,6% от всего объема выбросов по округу; в 2012 году – в Ханты-Мансийском (345,82 тыс. т) и Нефтеюганском (81,87 тыс. т) районах.

По видам экономической деятельности наибольший вклад в общий объем выбросов загрязняющих веществ вносит раздел «добыча полезных ископаемых»,  на долю которого за период 2008-2012 гг. приходится 70-82% выбросов, далее следует раздел «транспорт и связь» – 10-24%. При этом на фоне тенденции снижения объема выбросов от добывающей промышленности растет доля вклада от транспорта и связи.

Разделы «обрабатывающие производства» (главным образом по подразделу «производство кокса и нефтепродуктов»), а также «производство и распределение электроэнергии, газа и воды» вносят соответственно 0,7-3% и 2-4% загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников на территории автономного округа [1].

Качество атмосферного воздуха в городах округа

Загрязнение атмосферного воздуха в 2012 г. в городах Ханты-Мансийского автономного округа – Югры в основном характеризуется повышенными значениями концентраций формальдегида и фенола. В 2012 г. было зафиксировано превышение максимально-разовой ПДК формальдегида в г. Радужном, г. Нижневартовске, пгт. Березово соответственно в 3,1; 2,4 и 1,3 раза. В январе 2012 года был зарегистрирован случай высокого загрязнения воздуха г. Белоярском формальдегидом, превышение максимально-разовой ПДК составило 12,7 раз. В городах Ханты-Мансийск, Нефтеюганск, Сургут максимальные из разовых концентраций формальдегида ниже ПДК. Средние за год концентрации формальдегида превышали ПДК в таких населенных пунктах, как г. Белоярский, г. Радужный, пгт. Берёзово. Зафиксировано, что средние в 2012 г. концентрации формальдегида в этих городах были превышены соответственно в 10,0; 5,2; 4,6 раза. В городах Нефтеюганск и Ханты-Мансийск средние за год концентрации формальдегида превысили ПДК в 3,0 раза. В городах Нижневартовск и Сургут среднегодовые концентрации формальдегида превысили ПДК в 3,4 раза.  Если прослеживать тенденцию изменения средних концентраций формальдегида в городах Ханты-Мансийского автономного округа – Югры за период 2008-2012 гг., то можно отметить, что в пгт. Березово значения концентраций снизились, а в г. Радужном, г. Белоярском, г. Нефтеюганске, г. Сургуте, г. Нижневартовске и г. Ханты-Мансийске – возросли. [1]

В г. Нефтеюганске средняя за год концентрация диоксида азота составила 1,1 ПДК, максимальная концентрация – 1,3 ПДК.  Если прослеживать тенденцию изменения средних концентраций диоксида азота за период 2008-2012 гг., то можно отметить, что в г. Нефтеюганске значения этих концентраций возросли.

Талые воды (полученные при анализе проб снежного покрова) на участках распределенного фонда недр в 2012 г., как и в предшествующие годы, были маломинерализованными. Обязательным на месторождениях автономного округа является определение в пробах снежного покрова сульфатов и хлоридов, учитывая их значение для индикации процессов техногенеза. Содержание хлоридов и сульфатов было на весьма низком уровне и составляло, как правило, менее  5 мг/дм3.  Ввиду отсутствия ПДК для снежного покрова, концентрация загрязняющих веществ в нем оценивалась с предельно допустимыми концентрациями для водных объектов рыбохозяйственного значения. В 2012 году средние концентрации загрязняющих веществ относительно ПДК распределились на 2 группы:  не превышающие предельно допустимые нормы – ионы аммония, нитраты, сульфаты, хлориды, никель, железо, хром и свинец; соответствующие установленным нормативам – углеводороды, фенолы, цинк, марганец. Оценка степени трансформации состава снежного покрова выполнена путем сопоставления результатов мониторинга в пунктах с различной функциональной нагрузкой: фоновых (отражающих состав снега вне зоны прямого воздействия объектов нефтедобычи с относительно незагрязненным атмосферным воздухом), подфакельных наблюдений (расположенных вблизи источников атмосферных эмиссий загрязняющих веществ) и контрольных (на участках вблизи техногенных объектов) [1].

Талые воды (полученные из проб снежного покрова) в 2012 г. имели преимущественно слабокислую реакцию. Подкисление снега наиболее отчетливо проявлялось на участках подфакельных наблюдений. Среднее значение pH составило в подфакельных пунктах мониторинга 5,44 единиц pH, в то время как на условно-фоновых – 5,75 единиц.

Согласно данным  Ханты-Мансийского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (филиала федерального бюджетного учреждения «Обь-Иртышское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды») степень загрязнения природных вод в Нефтеюганске 4,01-4,38 УКИВЗ – грязная. В населенном пункте г.Нефтеюганск превышений ПДК в атмосферном воздухе зимой-весной 2014 года не наблюдалось [2].  В автономном округе ведется Мониторинг снеговых выпадений. Пункты наблюдения - контрольные и фоновые локального мониторинга (в границах лицензионных участков недр). Кол-во пунктов наблюдения -870. контролируемых параметров – 13 [3].  Изучив данную литературу, мы пришли к выводу, что общее состояние загрязнения воздуха в округе и в городе в целом известно, наблюдения ведутся, но на наши вопросы ответов мы не получили. Значит, будем работать сами.

Наше исследование  состоит из 4 этапов:

• Подготовительный – разметка мест для взятия проб, подготовка снега.
• Характеристика физических свойств талой воды каждой пробы.
• Характеристика химических свойств талой воды каждой пробы на содержание различных загрязнителей (ионов).
• Повторные исследования с последующим сравнением данных.

Ход исследования.

Методика работы на 1 этапе.

Для проведения работы были выявлены некоторые особенности здания школы. Фасад основного здания  выходит на оживленную автодорогу по улице Ленина.  Дополнительный (новый) корпус располагается перпендикулярно. Одной стороной он выходит на дом №12 5 микрорайона, другой – на школьный стадион. Пробы снега было решено брать со всех сторон школьного здания. Точки для отбора проб снега были выбраны:

Проба №1 –

Проба №2 –

Проба №3 –

Проба №4 –  

Проба №5–

Проба №6–

Проба №7–  

Проба №8–

Проба №9–

Отбор проб снега проводился  пластмассовым стаканом емкостью 150мл.  В месте отбора пробы стакан вертикально врезали в толщу снега до конца. Если стакан не полный, повторяли процедуру радом до полного набора емкости снегом (с уплотнением). Каждый стакан отмечали, нумеровали и оставляли в помещении для таяния. Через час пробы готовы к проведению анализа.

Методика работы на 2 этапе.

Цель работы на данном этапе – физические свойства снега- органолептическое определение прозрачности, цвета, запаха, наличие осадка.

Органолептические свойства - это свойства объектов внешней среды, которые выявляются и оцениваются с помощью органов чувств [4]. Мы определяли цвет талой воды, запах талой воды и силу запаха.

Порядок выполнения:

1.  Цвет. Это один из показателей состояния воды. Для определения цвета воды берётся стеклянный цилиндр и лист белой бумаги. В сосуд наливается исследуемая вода и на белом фоне определяется цвет воды (голубоватый, отсутствие цвета, серый, коричневый и т. д.).  В норме талая вода должна быть бесцветной, наличие цвета показывает, что вода загрязнена какими-либо примесями.

2.  Прозрачность. Для определения прозрачности проба талой воды наливается в стеклянный цилиндр, диаметром 3 см и высотой 30 см и через этот цилиндр просматривается печатный шрифт на листе бумаги. Регулируя высоту воды в цилиндре определяется, через какой слой воды хорошо виден шрифт. Для контроля делается проба с дистиллированной водой. Исследуемая вода может быть прозрачной, слабо мутной, сильно мутной. Перед исследованием воду необходимо взболтать. Прозрачность зависит от количества взвешенных частиц в воде и определяется высотой столба воды в цилиндре в сантиметрах, через которую начинают читаться буквы.

3.  Запах. Для определения запаха талая вода наливается в коническую колбу (объём 250 мл), колба закрывается пробкой, встряхивается, затем колба открывается и быстро определяется характер запаха. Интенсивность запаха оценивается по пятибалльной системе: 0 – нет запаха; 1 – очень слабый; 2 – слабый; 3 – заметный; 4 – отчётливый; 5 – очень сильный.

4.  Осадок. Наличие осадка определяется суточным отстаиванием воды. Если осадок образуется, то он может быть хлопьевидным, плотным, в виде песка, глинистым, похожим на землю, кристаллическим и т. д.  10мл каждого образца отфильтровали, высушили фильтры, сравнили визуально количество грязи на них. Попробовали взвесить, но не смогли определить массу грязи, т.к. весы не аналитические, нельзя определить тысячные доли грамма.

Методика работы на 3 этапе.

Определение химических показателей снега. Порядок выполнения:

Определение кислотности талой воды (рН). Оксиды неметаллов, содержащиеся в атмосфере, такие как оксиды серы, азота, углекислый газ, соединяясь с водой, образуют кислоты. Поэтому выпадающие осадки часто бывают кислотными. Они губительно действуют на все живое.

Одинаковые порции лежалого снега (с подоконников) растопили, отмерили по 2 мл. С помощью индикаторной бумаги определили кислотность снега в каждой пробе. Кислотность определили по цветовой шкале. Она оказалась равна 6. Повторно анализ делали с раствором универсального индикатора. Он тоже дал такой же результат: рН=6. Опыт повторили с каждой пробой. Результат тот же: рН=6.

Для химического анализа на содержание иона хлора к пробе добавляли раствор нитрата серебра. По помутнению и выпадению осадка определяли его наличие.

Для определения ионов железа добавляли раствор роданида калия (если есть железо - раствор краснеет).

Для определения сульфата в снеге к пробе добавляли раствор хлорида бария. По помутнению и выпадению осадка определяли его наличие.

Результаты эксперимента

Выводы:

Наша гражданская позиция: Т.к. содержание примесей в снежном покрове наибольшее около автодорог, то необходимо отделять жилую зону от них с помощью активного озеленения микрорайонов. В этом году мы приняли активное участие в благоустройстве и озеленении территории школы и своих домов. Наиболее перспективными озеленителями в микрорайонах являются кустарники. Мы планируем весной продолжить благоустройство территории школы, высаживая по периметру кустарниковые растения.

Практическая значимость:  Ежедневно на каждой перемене мы открываем форточки и окна для проветривания. Теперь мы знаем, что на всех этажах выше первого воздух, поступающий с улицы, одинаков.  Примесей и загрязнений в воздухе нашего города мало, в основном на первом этаже и накапливаются в течение зимы.  Талая и дождевая вода содержит меньше различных ионов, чем водопроводная, значит при дополнительной фильтрации или отстаивании, ею можно пользоваться для полива комнатных растений и рассады, особенно если брать снег подальше от дороги.

Литература

1. ДОКЛАД «Об экологической ситуации в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре в 2012 году http://www.ecology.admhmao.ru/wps/wcm/connect/4af1e60b-e99d-4048-82f3-d3691aba12aa/%D0%94%D0%9E%D0%9A%D0%9B%D0%90%D0%94+2012.pdf?MOD=AJPERES&CACHEID=4af1e60b-e99d-4048-82f3-d3691aba12aa
2. Ханты-Мансийский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды  http://www.ugrameteo.ru/him.php
3. Экологический портал Югры  http://www.ecougra.ru/
4.  Алексеев, С. В. и другие. Практикум по экологии. [Текст] / С. В. Алексеев, М.: АО МДС. 1996. – 150 с.
5. Ашихмина, Т. Я. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие. [Текст] / Т. Я. Ашихмина. М.: Агар. 2000. – 385 с.
6. Попова, Т. А. Экология в школе. Мониторинг природной среды. методическое пособие [Текст] / Т. А. Попова М,: Творческий центр. 2005. – 105 с.