Взаимодействие человеческого общества и природной среды, чрезвычайно сложное и многогранное вообще, еще более усложняется в условиях большого города. Наиболее серьезные изменения в состоянии природной среды происходят прежде всего здесь. И это закономерно, так как именно в городах особенно высока степень концентрации промышленности и транспорта — тех отраслей человеческой деятельности, которые сопровождаются вредными выбросами в окружающую человека среду.
Воздушный и водный бассейны как города, так и его пригородов загрязняются промышленными выбросами, отходами сгорания топлива электростанций, выхлопными газами автомобилей, в различной степени очищенными промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, ядохимикатами, твердыми отбросами.
Проблема чистого воздуха и чистой воды в таком, как Ленинград, многомиллионном городе—-одна из самых сложных проблем современности.
9.1. Антропогенное воздействие на воздушный бассейн
Среди загрязняющих атмосферу города веществ основными являются окислы серы и азота, окись углерода, содержащиеся в выбросах теплоэлектростанций, промышленных и отопительных котельных города, химических предприятий, заводов цветной металлургии. Двуокись серы образуется при сжигании ископаемого топлива и при плавке руд, содержащих серу; Количество поступающего в воздух сернистого ангидрида при сгорании топлива зависит от его вида и качества. Так, высококачественные кузнецкие угли содержат всего 0,4% серы, кизеловские — 5 %, эстонские сланцы — 1,5 %, мазуты — от 0,5 до 3,5 %.
Основными источниками загрязнения атмосферы города окислами азота являются тепловые электростанции, выбросы которых составляют более 70 % общего количества окислов азота, выбрасываемых всеми предприятиями города, заводы химической и нефтехимической промышленности.
Значительный вклад в загрязнение городского воздуха окислами азота вносит автотранспорт. Содержание окислов азота в выхлопных газах автомобилей резко возрастает при движении с повышенной скоростью и особенно при ускорении движения.
Помимо газовых загрязнений в выбросах промышленности содержится большое количество взвешенных твердых частиц; они определяют запыленность в городе приземного слоя воздуха.
Степень загрязнения городского воздуха вредными веществами зависит от высоты источников загрязнения, параметров выброса, режима работы предприятий, эффективности имеющихся газоочистных сооружений, качества используемого топлива и др. Большую роль в изменении уровня загрязнения играют метеорологические условия.
В Ленинграде контроль за состоянием загрязнения воздуха проводится с 1968 г. На основе данных наблюдении были рассчитаны нормированные значения средних и максимальных концентраций примесей для шести постов наблюдения, расположенных в разных районах города. Нормирование выполнено по отношению к значению концентраций примесей на опорном посту при метеостанции Ленинград, ИЦП (табл. 100).
Из таблицы видно, что вредными примесями наиболее загрязнен воздух над центральным районом города. Средние концентрации пыли здесь в три раза, двуокиси азота в полтора- два раза, а сернистого газа в 1,3... 1,6 раза больше, чем на опорном пункте. В этом же районе зарегистрированы и максимальные концентрации пыли, что обусловлено более плотной застройкой жилых кварталов, расположением здесь основных магистралей с интенсивным движением транспорта. Такому распределению загрязняющих веществ способствует также формирование в центральной части города так называемого «острова тепла», в результате чего создается циркуляция, направленная от окраин к центру, особенно заметная при слабых ветрах.
Средний уровень загрязнения сернистым газом во всех районах города выше, чем на опорном пункте, расположенном в северо-западной части города.
Годовой ход уровня загрязнения воздуха города можно проследить по графикам (рис. 46), построенным на основании данных наблюдений за период 1973— 1977 гг. На рисунке представлены средние месячные значения концентраций, нормированные по отношению к средним годовым концентрациям (qмес/qгод)
Из-за большого числа факторов, определяющих содержание вредных примесей в воздухе, не всегда удается достаточно полно выявить причины изменения уровня загрязнения воздуха в течение года.
Наиболее четко прослеживается годовой ход загрязнения воздушного бассейна Ленинграда сернистым газом — максимум в холодный период, минимум в теплый. Снижение уровня содержания в воздухе данной примеси в теплый период связано с уменьшением количества жидкого и твердого топлива, сжигаемого теплоэнергетическими предприятиями в связи с окончанием отопителыного сезона.
Наибольшая запыленность воздуха наблюдается весной. Это объясняется тем, что отопительный сезон еще не кончился и к выбросам пыли от энергетических объектов, которые по-прежнему велики, добавляется пыль, поднимающаяся с высыхающих после схода снега оголенных поверхностей почвы.
Загрязнение воздуха окнсыо углерода связано в основном с выбросами теплоэнергетических предприятий и автотранспорта. Уменьшение выбросов ТЭЦ и котельных в летний период сопровождается увеличением выбросов автотранспортом, так как количество автомашин летом резко возрастает; в холодный период наблюдается обратный процесс.
Таким образом, чередованием интенсивности работы источников выбросов окиси углерода и объясняется сглаженный годовой ход содержания окиси углерода.
Различные метеорологические условия по-разному влияют на уровень загрязнения воздуха вредными примесями. В зависимости от условии погоды концентрации вредных веществ в воздухе могут изменяться в десятки и даже сотни раз.
Так, например, при интенсивном турбулентном перемешивании слоев воздуха выбросы от высоких источников загрязняют приземный воздушный слой и в то же время создаются условия, способствующие рассеиванию примесей от низких источников и таким образом очищению нижних слоев воздуха.
Основными метеорологическими параметрами, оказывающими влияние на рассеяние примесей, являются скорость и направление ветра, вертикальное распределение температуры воздуха (стратификация), туманы, осадки.
Зависимость, установленная между концентрацией примесей и скоростью ветра, дает два максимума: при скоростях ветрах 0 ... 1 и 3 ... 6 м/с. Максимум при ветре 0 ... 1 м/с можно объяснить выбросами от низких источников, при ветре 3 ... 6 м/с — от- высоких источников. Д ля Ленинграда наибольшая повторяемость неблагоприятных скоростей ветра наблюдается в зимний период.
Наряду с ветром важнейшей характеристикой, определяющей условия распространения примесей, является вертикальное распределение температуры воздуха. Наличие слоев температурных инверсий (слоев, в которых температура с высотой растет) препятствует вертикальному перемешиванию воздуха. При этом ограничивается объем воздуха, в который поступают примеси, содержащиеся в различных выбросах, и загрязнение усиливается. Инверсии могут начинаться непосредственно у подстилающей поверхности (приземные инверсии) или с некоторой высоты (приподнятые инверсии) . Влияние инверсий на концентрацию выбросов зависит от характера источника выбросов, вида инверсии, скорости ветра. При наличии приземных инверсий обычно создаются условия, неблагоприятные для рассеяния примесей от низких и неорганизованных источников. Приподнятые инверсии способствуют формированию повышенных уровней загрязнения воздуха вредными примесями от высоких источников
На рис. 47 представлены повторяемости приземных и приподнятых инверсий в течение года, вычисленные по данным аэрологической станции Воейково за 10 лет (с 1959 по 1968 г.). Общее число наблюдений за этот период составило 14 568, нз них 11 376 случаев с инверсиями (78 %).
Приземные инверсии составляют 36 % всех наблюдений (почти половину всех случаев инверсий). Мощность приземных инверсий колеблется от нескольких десятков метров до 2 км. Наибольшая мощность приземных инверсий наблюдается в зимнее время при «слиянии» инверсий оседания с радиационными приземными инверсиями. В этих случаях мощность приземных инверсий может достигать 2,5 км и более.
Приземные инверсии образуются, как правило, в ночные часы, когда велико радиационное выхолаживание подстилающей поверхности и нижних слоев воздуха, и разрушаются днем. Поэтому хорошо заметен суточный ход повторяемости приземных инверсий с максимумом ночыо и утром и минимумом во второй половине дня. В зимние месяцы дневной прогрев невелик и суточный ход инверсий выражен слабее, чем летом
Таким образом, летом в утренние часы метеорологические условия могут способствовать повышению уровня загрязнения воздуха от низких и неорганизованных источников.
Приподнятые инверсии встречаются несколько чаще, чем приземные (45 % общего количества наблюдений). Годовой ход повторяемости приподнятых инверсий противоположен ходу повторяемости приземных инверсий; чаще всего они наблюдаются в холодное^ время года. Нижняя граница приподнятых инверсий в холодный сезон располагается преимущественно на высотах 0,26... 1,0 км, в теплый период — в слое 1,01... 2,0 км.
Суточный ход приподнятых инверсий такж е прослеживается довольно четко. В любое время года наибольшая повторяемость приподнятых инверсий наблюдается в утренние и дневные часы. , Скорость ветра также увеличивается днем, поэтому воздух может быть наиболее загрязнен выбросами от высоких источников в дневные часы суток.
Уровень загрязнения воздуха зависит также от наличия различных метеорологических явлений. Наиболее существенно влияние туманов и осадков.
При образовании туманов увеличивается опасность загрязнения воздуха. По данным А. М. Царева [91], повышение уровня загрязнения воздушного бассейна города фенолом при туманах наблюдается в 62 % случаев, сернистым газом — в 79 % случаев, двуокисью азота — в 71% случаев. Влияние туманов на концентрацию и распределение примесей в воздухе весьма сложно. При туманах происходит качественное изменение состава примесей. Растворение в каплях тумана наиболее распространенного загрязнителя воздуха — сернистого газа — приводит к образованию аэрозоля сернистой кислоты и к частичному окислению его в более токсичную серную кислоту. В каждом случае играют роль и другие дополнительные факторы, такие, как величина выбросов, направление и скорость ветра, наличие инверсий температуры, их продолжительность и интенсивность.
При выпадении осадков, наоборот, наблюдаются условия благоприятные для очищения воздуха от большинства вредных примесей. Обычно после выпадения осадков в течение нескольких часов сохраняется относительно пониженное содержание примесей в воздухе.
Наиболее высокие уровни загрязнения формируются при сочетании штилевых условий с туманами и инверсиями. По данным А.М. Царева [91]. в Ленинграде большинство туманов (95%) наблюдаются при штиле и скорости ветра до 2 м/с, а 50% случаев туманов приходится на дни с приподнятыми или приземными инверсиями.
Сочетание приземных инверсий со слабыми ветрами, способствующее повышению уровня загрязнения, в среднем за год встречается в Ленинграде в 6 ... 8% случаев (табл. 101).
Благоприятными условиями для формирования высоких уровней загрязнения являются сочетания приподнятых инверсий со скоростью ветра 5 ... 6 м/с. Эти условия встречаются в среднем в 10% случаев, в отдельные месяцы до 14% (табл. 102).
При возникновении неблагоприятной метеорологической обстановки в городе может создаваться опасность сильного загрязнения воздуха в его жилых районах. В связи с этим в Ленинграде начиная с 1975 г. около 50 наиболее крупных предприятий обеспечивается прогнозами метеоусловий, опасных для загрязнения воздуха. На этих предприятиях в период действия прогноза проводятся мероприятия, направленные на сокращение выбросов в атмосферу, по специально составленным и согласованным с Госкомгидрометом и Санитарно-эпидемиологи- ческой службой города планам.
Прогнозирование загрязнения воздуха в городе основывается на использовании зависимостей между уровнем концентраций вредных веществ и метеорологическими явлениями. Для выявления таких зависимостей рассчитывалась обобщенная характеристика загрязнения в целом по городу — параметр Р, показывающий, какая часть из измеренных за день концентраций превышает среднюю за сезон величину более чем в полтора раза. Эта величина в меньшей степени зависит от режима выбросов и в основном определяется метеорологическими условиями.
Д ля анализа влияния синоптических процессов на уровень загрязнения атмосферного воздуха были выбраны даты, в которые Ленинградское бюро погоды передавало штормовые предупреждения предприятиям Ленинграда, являющимся наиболее крупными загрязнителями воздушного бассейна города. Использовались данные с 1975 по 1977 г.
Для анализируемых случаев был рассчитан суммарный параметр Р по четырем рассматриваемым примесям вместе в целом по городу. Были выбраны 42 случая с относительно высоким уровнем загрязнения (Р > 0 ,2 0 ). Они, в свою очередь, были объединены по синоптическим ситуациям, которые создали условия, способствующие формированию повышенного загрязнения атмосферы.
Из табл. 103 видно, что высокий уровень загрязнения воздуха в большинстве случаев (33 из 42) имел место при антициклонической ситуации — центральные и периферийные части -антициклонов и осп гребней.
Результаты анализа подтвердили сделанный ранее вывод о слабом уровне загрязнения воздуха в циклонах и ложбинах. приведенных данных следует, что только в девяти случаях из 42 высокий уровень загрязнения воздуха наблюдался при циклонической ситуации.
9.2. Антропогенное воздействие на водный бассейн
Исторический парадокс в использовании вод человеком состоит в том, что человек, основывая свои поселения на берегах водоемов, для того чтобы иметь чистую воду для хозяйственных нужд одновременно на протяжении долгих лет сбрасывает в водоемы различные отходы, сознательно делая их приемником сточных вод, считая, что вода унесет все. Поэтому к настоящему времени загрязнение вод получило широкое распространение.
Одним из главных загрязнителей водной среды является нефть и нефтепродукты, которые характеризуются сложным составом и состоят из большого количества разнообразных углеводородных соединений (каждое из которых может рассматриваться как самостоятельный токсикант).
Значительное загрязнение водной среды происходит при транспортировке нефти судами. Считается, что около 30 % нефтепродуктов попадает в воду при танкерных перевозках. Определенное количество нефтепродуктов, несмотря на принимаемые меры, вносится всеми другими судами.
Учитывая, что Нева является достаточно интенсивной транспортной магистралью, сказанное выше имеет немалое значение при оценке и проведении природоохранных мероприятий в бассейне р. Невы.
Источниками поступления в воды нефтепродуктов могут быть также различные предприятия нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также автотранспорт,, в процессе эксплуатации которого часть нефтепродуктов проливается, а затем попадает в реки. Значительное количество углеводородов поступает в воду вместе с атмосферными осадками. По оценкам специалистов, количество нефтепродуктов* поступающих в воду от автотранспорта, может доходить до 60 % загрязнения от всех источников, расположенных на суше.
Попадание нефти и нефтепродуктов в водную среду оказывает существенное воздействие практически на все ее характеристики
Как известно, коэффициент натяжения нефтяной пленки в 3 ... 4 раза меньше коэффициента поверхностного натяжения чистой воды, коэффициент теплопроводности предельных углеводородов почти на два порядка, а теплоемкость нефтепродуктов в 1,5... 2,5 раза выше, чем воды, газопроводность мономо- лекулярного слоя нефтяной пленки составляет 50 % чистого- газопропускания. Эти цифры свидетельствуют о многом. В результате нефтяного загрязнения меняется величина поступления радиации, проникновения света, тепловой баланс, испарение, волнение, перемешивание и т. д. В условиях, когда 10 % площади города составляет водная поверхность, загрязненность вод нефтепродуктами не может не оказывать влияния на климатические особенности всего региона. Нужно также отметить, что загрязнение нефтью оказывает значительный вред водным организмам.
Среди разнообразных продуктов, поступающих в виде сбросов в водоемы, особое место занимают синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности, траспорте и коммунально-бытовом хозяйстве. Это происходит в связи с высокими технико-экономическими показателями СПАВ. Воздействие их на водные объекты имеет весьма различные последствия. Это, в первую очередь, нарушение кислородного режима, затем отравление жизни в водоемах, изменение свойств воды и др.
Специфическими свойствами среди веществ, загрязняющих воду, особенно выделяются тяжелые металлы. Их рассеяние происходит в результате неполного использования сырья, отходов и прямых потерь производства. Влияние тяжелых металлов на живые организмы определяется их высокой токсичностью и способностью к аккумуляции.
Расширение применения в сельскохозяйственных районах бассейна Невы различных химических веществ, предназначенных для защиты растений, а также минеральных удобрении, неусвоенные остатки которых попадают в воду, способствует росту загрязненности речных вод. Такая вода наносит зачастую непоправимый ущерб природной среде, с которой соприкасается, и сама является малопригодной или совсем непригодной для использования человеком.
В первые же годы Советской власти была введена государственная собственность на воду, которая открыла широкие возможности для всех последующих мероприятий по плановому и комплексному использованию и охране вод.
Совет Министров СССР в 1960 г. принял постановление «О мерах по упорядочению использования и усилению охраны водных ресурсов».
В целях последовательного н планового разрешения наиболее актуальных проблем водного хозяйства ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли за последние годы целый ряд постановлений, имеющих большое значение в деле охраны водной среды.
Одним из таких постановлений является постановление, принятое в июле 1976 г. Советом Министров СССР, «О мерах по усилению охраны от загрязнения бассейна Балтийского моря»
Решением Исполкома Ленгорсовета утвержден график строительства в Ленинграде основных городских очистных сооружений и канализационных сооружений и сетей. Начата разработка первой за всю историю города схемы технического водоснабжения и канализации промышленных предприятий Ленинграда.
В течение последних лет построено и введено в эксплуатацию значительное количество очистных сооружений как в городе, так и на промышленных предприятиях. Многие предприятия города уже сейчас имеют оборотные схемы водоснабжения. Постоянно наращиваются строительные мощности по созданию очистных сооружений.
Принимаемые меры должны обеспечить выполнение Постановления СМ СССР — прекратить сброс неочищенных сточных вод в бассейн Балтийского моря.
На реке Неве, в рукавах ее дельты, на акватории Невской губы ленинградские гидрологи регулярно по единой программе отбирают пробы воды для проведения их анализа в лабораториях. Отбор проб выполняется на 25 створах на реке и на 22 станциях в Невской губе. Создание такой единой программы наблюдений позволяет оценивать общее состояние водоемов и определять тенденцию содержания загрязняющих веществ.
Количество определяемых в каждой точке химических характеристик превышает два десятка. Несомненно, что дальнейшее увеличение числа определямых загрязняющих веществ связано со значительными сложностями и нет основания ожидать, что, определяя только химические характеристики вод, можно решить все задачи контроля за состоянием водоемов. Поэтому начаты наблюдения, которые могут давать интегральные оценки состояния водоема — это гидробиологические методы индикации загрязнения.
Современные средства автоматики и телемеханики, развитие приборостроения в области создания автоматических, химических анализаторов позволяют на более высоком уровне подойти к решению задачи непрерывного контроля загрязненности вод.
В 1977 г. Исполком Ленгорсовета принял решение о создании в Ленинграде автоматизированной системы контроля качества воды. Эта система предполагает создание сети автоматических станций контроля качества воды, расположенных на Неве, в рукавах ее дельты и в Невской губе. Станции по каналам связи будут передавать информацию на диспетчерский пункт, оборудованный ЭВМ. Сюда же будут поступать данные от передвижных лабораторий и стационарной гидрохимической лаборатории. В настоящее время ведется проектирование и строительство элементов системы.
Проектируется также автоматизированная система контроля чистоты воздушного бассейна. В ближайшей перспективе будет создана единая автоматизированная система контроля состояния воздушного и водного бассейнов нашего города.
В соответствии с комплексным планом экономического и социального развития Ленинграда и Ленинградской области осуществляется широкая программа мероприятий по охране окружающей среды, дальнейшему благоустройству города, созданию наилучших условий для труда, быта и отдыха ленинградцев. Важной составной частью этой программы является оздоровление воздушного и водного бассейнов Ленинграда, которое успешно претворяется в жизнь.