Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис) (РНФ)НИР

Integrated technology for environment assessment of Moscow megacity based on chemical analysis of microparticle composition in the "atmosphere - snow - road dust - soil - surface water" system (Megacity)

Соисполнители НИР

МГУ имени М.В.Ломоносова Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 13 апреля 2023 г.-31 декабря 2023 г. Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис)
Результаты этапа: 1-3. Разработаны технологии оценки аэрозольной нагрузки на базе стационарного Аэрозольного комплекса МГУ, оборудованного современной системой отбора в стандартах GAW и инструментами высококачественного мониторинга. Ведутся непрерывные измерения углерода и продуктов сжигания топлив транспортными и промышленными системами (черного углерода), химического состава аэрозолей (элементов, водорастворимых ионов, ПАУ), а также числа частиц с распределением по размерам в субмикронном и микронном диапазонах. Проведены измерительные кампании с отбором суточных проб для определения вкладов источников загрязнения атмосферы и недельных проб для оценки варьируемости массовой концентрации ПАУ. Создана база данных 2018-2022 гг. сезонных и круглогодичных циклов для компонентов химического состава микрочастиц РМ10. Впервые проведен цикл исследований и апробирована рецепторная модель количественного анализа вкладов источников загрязнения в массовую концентрацию частиц РМ10. 4. В 2023 г. на МО МГУ отобраны пробы атмосферных осадков для каждого случая дождя, снегопада или смешанных осадков. Проанализировано сезонное распределение изотопного состава осадков за 2017–2019 гг. Для осадков Москвы и воды в р. Яуза выявлена сезонность изменения изотопного состава. В воде р. Яузы она связана с источниками питания и сезонными изменениями их вклада в сток реки. Сравнение изотопного состава слоёв снега с атмосферными осадками на территории МО МГУ зимой 2018/2019 гг. показало, что обогащение тяжелыми изотопами слоёв снега находилось в пределах 0–3,5 ‰ при средних значениях 1,3–2,5 ‰. Это указывает на пост-депозиционное изменение изотопного состава снега при его контакте с атмосферой. 5. Исследования состава глинистых минералов во фракции <1 мкм и кластогенных минералов во фракциях 1000-250, 250-50, 50-10 и 10-1 мкм в гумусовых горизонтах фоновых почв Смоленско-Московской возвышенности показали, что для фракции <1 мкм содержание минеральных фаз убывает в ряду: смешанослойные образования, иллит > каолинит > хлориты. Крупные фракции представлены кварцем, калиевыми полевыми шпатами, плагиоклазами, слюдами, магнезиально-железистым хлоритом и каолинитом. Кварц концентрируется в песчаных фракциях, максимальное содержание калиевых полевых шпатов отмечено во фракциях 250-50 и 50-10 мкм, а слюд и хлоритов – во фракции 10-1 мкм. В крупных фракциях кварц выступает в роли главного деконцентратора макро- и микроэлементов, другие минералы выступают в роли фаз-концентраторов. Изменчивость в содержании этих минералов влияет на пространственное распределение микроэлементов. Плагиоклазы обнаруживют тесную положительную связь с Al, Ca, Na, К и Тi, слюды – с Al, Mg, Li, Cs, Be, Ga, Zn, Sc, Tl, Pb, Ta, Rb, V, Co, плагиоклазы – с Ba, Sr, Th, U, Rb, Y, Nb, Tl, Sc, хлорит с Mg, Li, Сs, Ga, Be, Pb, каолинит с Li, Cs, калиевые полевые шпаты с Hf, Zr. 6. Выполнены натурные исследования уровней загрязнения и пространственной дифференциации пылевых выпадений внутри уличного каньона в ЮВАО Московского мегаполиса. Разработана и апробирована методика отбора проб пыли на разных высотных уровнях каньонов. Получен репрезентативный набор проб пылевых выпадений и их фракции РМ10 на разных высотах по обе стороны каньона и смешанных проб почв, дорожной пыли и их фракции РМ10. В ВАО Москвы проанализированы свойства почв, уровни накопления и пространственное распределение широкого спектра микроэлементов. Приоритетными поллютантами являются Cd, Zn, W. На 40% площади округа загрязнение почв относится к высокому, опасному и чрезвычайно опасному уровням, ПДК сильно превышены по Zn и Cd. Для оценки влияния железнодорожного транспорта на загрязнение окружающей среды Москвы выбраны два участка – на Ленинградском направлении Октябрьской железной дороги и Киевском направлении Московской железной дороги. Составлена картосхема ключевых участков, на которых запланирован отбор проб почв и дорожной пыли. 7. Сезонные наблюдения за составом почвенных растворов и биологической активностью (БА) почв проведены на двух ключевых участках ЗАО: в зоне влияния МКАД и в районе МГУ. БА определялась по целлюлозолитической активности (ЦА) и биологическому потреблению кислорода (БПК). Выявлена корреляционная связь между БПК и ЦА в почвах парка и почвах лесных сообществ на участке «МКАД» и ее отсутствие вблизи дорог на участке «МГУ». Изменение уровня БА может быть вызвано поступлением в придорожные почвы трудноразлагаемых техногенных углеводородов. В зоне влияния транспорта почвы характеризуются ростом рН в 1,2-1,5 раза. Минерализация растворов в почвах газонов вблизи автомагистралей на участке МГУ по сравнению с фоном увеличивается в 4,5 раза, а на участке МКАД в 8-10 раз. РФА-анализ выявил увеличение содержания в придорожных почвах Са, Cu, Zn, S, Fe, Sr, Pb. 8. Анализ социально-демографических характеристик населения г. Москвы показал, что детское население в возрасте до 14 лет тяготеет к периферийным районам города. Территориальные различия в уровне образования практически отсутствуют, но выражены в экономическом статусе населения. Воздействие автотранспорта на места проживания населения выше в центре города. Для расчета рисков от загрязнения почв на детских площадках определены параметры адаптированной модели US EPA, включая потенциальную среднесуточную дозу частиц почвы и пыли; концентрацию в них загрязняющих веществ и норму их поступления; частоту и продолжительность воздействия. Проведено опробование почв на 97 площадках, которые находятся в буферной зоне автомагистралей и в парках. 9. Развернута сеть из 8 станций мониторинга стока воды и наносов на рр. Сетуни и Чертановке с контрастными условиями на водосборах. Разработаны технологии отбора интегральных проб воды и взвеси для анализа потоков химических элементов в реках, получен непрерывный ряд наблюдений в различные фазы водного режима. Выявлены различия между реками по условиям прохождения коротких паводков. Сеть мониторинга оснащается датчиками концентрации взвешенных веществ. Вынос химических веществ с водосбора оценивается датчиками Analite NEP-495 и In-Situ Aqua Troll 600. На основе полученных данных проведена настройка 5 моделей машинного обучения для прогноза стока наносов с разрешением 30 мин. и 1 сут. Наилучшие результаты показала рекуррентная нейросеть LSTM RNN для прогноза мутности воды. По результатам обзора методов оценки экологического риска для поверхностных вод обосновано совместное использование для Москвы методов оценки загрязненности воды, речной взвеси и донных отложений с расчетом экологического риска на основе метода Хакансона. Их апробация будет выполнена по данным мониторинга 2019-2023 гг. в бассейне р.Сетуни. 10. Оценка размещения промышленных предприятий показала, что их закрытие сочеталось с тенденцией реиндустриализации за счет производства мебели, электротехники, холодильного оборудования. Создана карта размещения промышленности, на которой 3/4 предприятий находятся за пределами промзон, что говорит об их дезинтеграции. Промышленность Москвы становится более разнообразной. Периферийные промзоны у МКАД сократили занятость на 45%, несмотря на близость источников тепла и энергии. Пояс промзон в центре уже не существует. Немного меньше снижалось производство в промзонах машиностроительной специализации, сформировавшихся вдоль железных дорог. Наиболее устойчивыми оказались промзоны в периферийном поясе вдоль магистралей. 11. Динамика загрязнения мегаполиса определялась спадом производства и потребления топлива в период эпидемии и ростом в последние годы, когда потребление газа выросло на 20% при сокращении мазута и угля. Выбросы от ТЭЦ сократились на 30-40% в 2019-2020 гг. и на 10-20% в 2021-2022 гг. Сейчас объем выбросов изменяется из-за снижения расхода топлива за счет оптимизации загрузки оборудования и снижения собственных нужд ТЭЦ. Объем выбросов от них стабилен, но нарастает децентрализация теплоснабжения, контрасты между муниципальными районами снижаются. Промышленная структура загрязнения максимально упростилась, но увеличение разнообразия стационарных непромышленных источников нередко вызывает расширение спектра загрязняющих веществ.
2 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис)
Результаты этапа: 1. Проведенные кампании по отбору проб в стандартах РМ10 и РМ2.5 и анализ характеристик аэрозолей в широком диапазоне размеров в длительных суточных и сезонных измерениях позволили обобщить результаты исследований и оценить вклады источников аэрозольного загрязнения. Получены суточные, недельные, сезонные и годовые тренды счетных и массовых концентраций частиц, концентраций органического и черного углерода, водорастворимых ионов, полициклических ароматических и алимфатических углеводородов, минеральных компонентов пылевого и почвенного происхождения, металлов и металлоидов. Технология оценки вкладов источников загрязнения атмосферы позволила впервые определить основные факторы: городская пыль (26%), дорожное движение (23%), промышленное производство (20%), сжигание биомассы (12%), вторичные аэрозоли (12%) и противогололедная соль (7%) с сезонными трендами, значительно различающимися в холодный сезон и теплый весенний период интенсивного пыления почв и селькохозяйственных палов. 2. Выполнен сравнительный анализ фракционирования элементов в гумусовых горизонтах фоновых почв двух регионов. Показано, что фоновые почвы Москвы отличаются от незагрязненных почв юго-западного Крыма (дерново-карбонатных, коричневых, коричневых красноцветных) более контрастным распределением макро- и микроэлементов по фракциям PM250−1000; PM50-250; PM10-50; PM10-50; PM1-10 , PM1, однако типы распределения схожи: микроэлементы, как правило, накапливаются в илистой PM1 и пылеватой PM1-10 фракциях. Тип почв оказал максимальное влияние на гранулометрическое фракционирование K, Al, Fe, Ca, а также Mo, Zr, и контрастность распределения As, Zn, Ni, Mo, Fe, Li, Bi. 3. Разработана методика комплексной оценки аэрозольного загрязнения внутри уличного каньона, апробированная в модельном каньоне ЖК Люблинский парк в разные сезоны года. Приоритетными поллютантами пылевых выпадений и их микрочастиц PM10 на всех высотных уровнях являются Sn, Zn, Sb, Bi, Cd, Cu; во фракции PM10 концентрации большинства элементов увеличиваются в 1,5-3 раза. Результаты исследования почв детских площадок показали наибольшее загрязнение в ЮВАО и ЦАО с интенсивным накоплением Sb, Pb, Cu, Zn и Cd. Минимальные показатели суммарного неканцерогенного риска (HI) отмечены в Северном, Северо-Восточном и Западном округах Москвы, наибольший суммарный индекс канцерогенной опасности (TR) соответствует Юго-Восточному и Восточному округам. Установлена линейная зависимость HI и TR от близости к крупным автомагистралям. Исследование дорожной пыли ВАО показало интенсивное накопление Sb, Zn, Cd, W; во фракциях PM1 и PM1-10 к этим элементам добавляются Pb, Mo, Cu, Sn, Bi, As. В 2011-21 гг. проявился нисходящий тренд в накоплении всех ТММ. К приоритетным поллютантам в пыли Ленинградского и Ярославского вокзалов относятся Sn, Cu, Sb, Pb, Cd, Zn, Mo, W. Пыль транспортной железнодорожной зоны лидирует по уровню содержания ТММ и ПАУ по сравнению с прилегающими к ней автотранспортной, селитебной и рекреационной зонами. 4. Определена интенсивность трансформации органических веществ в городских почвах, находящихся под влиянием автотранспорта. Биологическая активность оценена по двум показателям: целлюлозолитической активности (ЦА) и биологическому потреблению кислорода (БПК). Анализ изменчивости ЦА и БПК городских почв не выявил зависимости от интенсивности движения или особенностей положения участка. В урбаноземах отмечена слабая корреляция между БПК и содержанием доступных для окисления гуминовых и фульвокислот. Показано, что ЦА является более информативной характеристикой при оценке интенсивности разложения органических веществ, чем показатель БПК, который является лабильным параметром, отражающим функционирование почвенного микробиоценоза на момент отбора пробы. 5. Выполнен сравнительный анализ условий формирования потоков микрочастиц на водосборах р. Сетунь и р. Чертановка. Установлены пьезометрические логгеры уровня воды на станциях мониторинга в бассейне Чертановки. Для получения связей между уровнями и расходами воды проведен цикл регулярных измерений расходов воды. Разработана технология отбора интегральных проб воды и взвеси для анализа потоков химических элементов на модельных водосборах. Режим потоков взвеси при прохождении паводков проанализирован в ходе экспериментов на р. Сетунь, которые выявили непродолжительные периоды увеличения мутности и крупности взвеси, вероятно, связанные со шлейфами точечных сбросов сточных вод. Предложен комплексный индекс загрязненности водной среды, расчет которого для городской р. Сетунь показал наибольший вклад в загрязненность воды нефтепродуктов, Cu и Pb, тогда как для взвешенных веществ и донных отложений большее влияние оказывают Cu, W и Mo. 6. Для атмосферных осадков Москвы в 2017–19 гг. установлена четко выраженная сезонность с корреляцией среднемесячных значений δ18О осадков и температур воздуха 0,35‰/°С. При обобщении данных за 2014–21 гг. впервые получен 8-летний ряд, включающий каждый эпизод выпадения осадков, рассчитаны вариации среднемесячных и суточных значений δ18О, δ2Н и дейтериевого эксцесса. Для снежного покрова зимой 2023-24 гг. выявлена корреляция изотопного состава снежного покрова и выпадающего снега, которая нарушается к концу зимнего сезона под воздействием изотопно тяжелых дождей; в весеннее время выявлена гомогенизация изотопного состава снега по глубине. Для р.Яузы в черте г.Москвы установлена сезонность изотопного состава кислорода (δ18О) воды в течение 2019-21 гг., которая соответствует сезонности изотопного состава осадков. Выпадение обильных дождей приводит к быстрому изменению изотопного состава воды реки на 1-2‰, что связано с высокой долей поверхностного стока. 7. Снижение загрязнения в Москве имеет центр-периферийный градиент и происходит в районах, где трансформация улично-дорожной сети сочетается с развитием системы общественного транспорта. В последние годы увеличилась равномерность загрязнения от автотранспорта, несмотря на усиление концентрации зарегистрированных в центре автомобилей. Этому способствуют административные решения по сокращению интенсивности движения транспорта в центральных районах города. Напротив, на локальном уровне выявлено появление локальных максимумов плотности выбросов от автотранспорта. Крупномасштабный анализ изменения объемов эмиссии от автотранспорта на основе натурных наблюдений в районе Очаково-Матвеевское показал, что позитивные изменения в динамике загрязнения в связи с дорожным строительством ограничены. Новые магистрали улучшают характер движения, снижают интенсивность заторов, но одновременно создают новые ареалы загрязнения на подъездах к магистрали.
3 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис)
Результаты этапа: 1) Разработаны методы анализа, расширена база данных сезонных измерений многокомпонентного состава аэрозолей с включением 16-ти приоритетных ПАУ и 12-ти алканов. Количественная оценка источников в частицах РМ10 методом PMF выявила новые факторы загрязнения атмосферы Москвы: «петрогенный ПАУ» и «биогенный алканов», ак также «дорожная пыль алканов» на основе маркеров профиля алканов и элементов невыхлопных эмиссий. Изучены причины сезонных загрязнений атмосферы продуктами сжигания биомасс, определяемые их использованием для отопления домов в Московском регионе в холодный и сельскохозяйственными и лесными пожарами в теплый сезоны года. 3) Анализ гранулометрического фракционирования редкоземельных элементов (РЗЭ) показал, что фоновые дерново-подзолистые и дерновые почвы центра Европейской России характеризуются в основном слабоконтрастным и однотипным распределением РЗЭ по фракциям PM250−1000, PM50-250, PM10-50, PM1-10, PM1-10, PM1. Основными концентрирующими фазами являются миграционно активные фракции PM1 и PM1-10, для которых характерны однообразные и пологие спектры c небольшим избытком легких по отношению к средним и особенно тяжелым РЗЭ. 4) Моделирование атмосферного переноса и осаждения микрочастиц PM10 в уличном каньоне выполнено с помощью вычислительной технологии, сочетающей эйлерову и лагранжеву модели и адаптированной для городской застройки. Сравнение вертикальных профилей выпадений с натурными данными в ЖК «Люблинский парк» показало отсутствие зависимости их количества осажденных частиц от высоты. По натурным данным 2023-2024 гг. охарактеризовано распределение количества взвеси, ее фракции РМ10 и содержания 20 металлов (ММ) по высоте и сторонам каньона. На территории Ярославского направления Московской железной дороги выделены 4 группы ММ с разными уровнями накопления в пыли, среди которых лидирует группа Sn, Cu, Sb, Pb, Cd, Zn, Mo. Пыль железных дорог отличается высоким и опасным уровнем загрязнения ММ по сравнению с прилегающими автотранспортной, селитебной и рекреационной зонами. Неравномерность загрязнения территории проявляется в аномальных уровнях ММ в пыли вблизи депо Москва-2, Москва-3 и мест отстоя поездов. 5) Лабораторное моделирование загрязнения придорожных почв углеводородами и засолении выявило значимое снижение их биологической активности. Подвижность большинства элементов с ростом загрязнения возрастала в ряду парки-скверы-автодороги-донные отложения-стоки. Наибольшая подвижность выявлена у As, Pr, La, Li, Sb, Sn, Hf, Zr, Pb и Ta, доля подвижных форм снижалась только у Mn, Ni, Be и Sc. Высокие концентрации и разнообразие химических элементов в составе твердой фазы снега и талой воды связаны с воздействием противогололедных смесей, присадок к топливу и тормозных систем. Содержание элементов в почвенных растворах увеличивается в ряду: городские скверы < лес у МКАД < перекрестки автомагистралей < проспекты < МКАД. Сравнение состава почвенных растворов с ПДК в воде показало их высокую эффективность для оценки био- и гидропротекторных функций городских почв. 6) Для оценки экологических рисков, связанных с загрязнением почв и пылевых выпадений на территории МГУ и прилегающих районов, определено содержание потенциально токсичных элементов (ПТЭ) и рассчитаны канцерогенные и неканцерогенные риски для разных путей их поступления в организм. Ведущим путем является пероральный. Для взрослых неканцерогенный риск низкий, для детей он возрастает до среднего. Канцерогенные риски варьируют от низких до средних, основной вклад вносит As. Повышенные уровни риска отмечены в районах плотной застройки и вдоль автомагистралей. В ВАО Москвы суммарный неканцерогенный индекс опасности ПТЭ для взрослых соответствует низкому уровню, для детей он увеличивается до среднего. Риск развития рака при воздействии As, Co, Pb, Cd и Ni обусловлен пероральным поступлением и кожным контактом. Для детей он высокий, с основным вкладом As и Co. 7) В промышленности города тенденция деиндустриализации сменилась на реиндустриализацию, а упрощение отраслевой структуры – на увеличение диверсификации структуры машиностроения (МС). Процессы дезинтеграции преобладают над полной ликвидацией, главные факторы реновации промзон (ПЗ) – их расположение, специализация и наличие ТЭЦ, тенденция смещения на периферию сменилась рассредоточением. Сопряженный анализ изменения структуры промышленного производства и выбросов выявил 4 сценария: экстенсивный (ТЭЦ, 1-2 крупных пищевых предприятия); депрессивный (ТЭЦ, крупное МС-предприятие); деградации со специализацией на химии и нефтехимии и сбалансированный с эффектом декаплинга (ПЗ с ТЭЦ в срединном поясе и высокотехнологичным МС). Отраслевая специализация и средний размер предприятия стали главными факторами наличия эффекта декаплинга в развитии ПЗ. 9) Основными источниками поступления взвеси в городские реки Московского мегаполиса являются береговые уступы, а эрозия – основным фактором формирования потоков микрочастиц. При этом вклад микрочастиц в формирование потоков взвеси максимален в маловодные периоды. При районировании бассейна реки Москвы по уровню экологического риска с учетом загрязненности микрочастиц выделяется участок выше города с низким уровнем экологического риска и повышением степени риска до средней ниже города. 10) Исследования внутри- и межгодовой динамики изотопного состава (δ18O, δ2H и dexc) атмосферных осадков в Москве за 2014-2021 гг. и в воде р.Яуза за 2019-2021 гг. в черте мегаполиса показали корреляцию изотопного состава (δ18O) осадков Москвы и температуры воздуха (Tв) для периода 2014-2021 гг., соотношение δ18O–Tв составило 0,4‰/°C. Соотношение параметров δ2H-δ18O в осадках Москвы близко к восточно-европейским станциям. В течение зимнего периода 2023/2024 гг. изотопные параметры снежного покрова соответствовали параметрам всех атмосферных осадков, выпавших за период наблюдений, что обусловлено преобладанием осадков в виде снега и редкими короткими оттепелями.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен