CC BY
51
--------------------------------- © А.А. Быков, Е.Л. Счастливцев,
С.Г. Пушкин, 2009
УДК 551.551.61
А.А. Быков, Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ НАСЕЛЕНИЯГ.КЕМЕРОВА С КОМПЛЕКСНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ РАЗОВОГО И ГОДОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
На основе данных о выбросах промышленных предприятий и основных автомагистралей получены модельные оценки комплексных показателей разового и среднегодового загрязнения атмосферы различных районов города Кемерова. Проведено сопоставление данных величин с опубликованными показателями заболеваемости населения этих районов.
Ключевые слова: загрязнение городской атмосферы, модеди распространени-япримесей, заболеваемость населения.
Город Кемерово является крупным промышленным центром Кузбасса, в котором расположены объекты химической, энергетической, металлургической, угольной промышленности и стройиндустрии. После некоторого спада 90-х годов с начала нынешнего века вплоть до конца 2008 года наблюдался рост промышленного производства. Кроме того, благоприятная экономическая обстановка и рост доходов населения вызвали значительное увеличение интенсивности транспортных потоков. В результате выбросы источников загрязнения атмосферы (ИЗА) промышленности и автотранспорта, и, следовательно, загрязнения воздуха (АВ) возросли. Как инструментальные замеры так и расчетные оценки [1] показывают, что по ряду загрязняющих веществ (ЗВ) уровень загрязнения приземного слоя атмосферы в городе существенно превосходит допустимые нормы. Общеизвестно, что превышение нормативного уровня загрязнение атмосферы негативно сказывается на здоровье городского населения.
Основными нормативами чистоты атмосферы, лимитирующими загрязнение являются предельно допустимые концентрации (ПДК) для населенных мест, которые подразделяются на среднесуточные (ПДКс - длительных периодов воздействия) и максимальноразовые (ПДКр - 20-ти минутного осреднения) [2]. Такие ПДК отражают критерии качества воздуха для человека (гигиенические). В
документах [3,4] при определении допустимых выбросов промышленных ИЗА в атмосферу, наряду с гигиеническими, предусмотрен учет ПДК для растительности, животного мира, сельхозугодий и т.д. (экологические) с выбором в качестве определяющей наиболее жесткой величины. Однако пока утвержденные какими-либо нормативными документами экологические ПДК отсутствуют [4], а оценка уровня антропогенного воздействия на атмосферу ведется с ориентацией только на гигиенические ПДК (т.е. на здоровье человека).
ПДКс имеет цель предупреждение хронического воздействия ЗВ при длительном вдыхании. Концентрация ЗВ в пределах ПДКс не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно продолжительном вдыхании [2]. Поэтому и гигиенистами и специалистами по атмосферной диффузии отмечается, что ПДКс, несмотря на название, можно использовать для таких времен осреднения, как год или сезон. Список ПДКс дополняют максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДКр), при установлении которых учитывается рефлекторное воздействие. В случае отсутствия какого-либо ПДК используется уравнение ПДКр=10ПДКс. Для ряда ЗВ, по которым пока не определены нормативы ПДК, расчетным путем установлены ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ), используемые в качестве ПДКр. На сегодняшний день в перечне [5] около 3000 веществ имеющих какой-либо норматив допустимого загрязнения атмосферы. В нашей стране в качестве основной размерности для ПДК принят мг/м3.
Наличие ПДК, регламентирующих как длительное, так и кратковременное воздействие ЗВ на здоровье человека, свидетельствует, что показателями загрязнения атмосферы населенных мест должны являться концентрации, согласованные с ПДКс и ПДКр по времени осреднения. Таким образом, названными показателями будут среднегодовая Сг и разовая Ср концентрации, периодами осреднения которых являются год и 20 минут соответственно.
В настоящее время, согласно [2, 6], считается, что чистота ВБ населенных мест для некоторого ЗВ соответствует нормативной, если на границах санитарно-защитных зон предприятий и в пределах жилой зоны выполняется неравенство См < mПДКр (1)
где См - максимальная суммарная концентрация данного ЗВ; m = 0.8 для особо охраняемых территорий и т = 1.0 в остальных случаях. К особо охраняемым территориям относятся места массового отдыха населения (подробно см. [7]) и территории размещения лечебно-профилактических учреждений длительного пребывания больных и центров реабилитации. В качестве См берется вычисленная по [6] суммарная от всех источников концентрация, достигающаяся при характерных для данной местности неблагоприятных метеорологических условиях. При этом параметры выбросов ИЗА рассматриваемого ЗВ относятся к условиям работы предприятий при полной нагрузке.
В документах по решению управленческих задач отсутствуют нормативные указания по аналогичному (1) сравнению долговременных (среднегодовых) концентраций с ПДКс. Это объясняется тем, что из условия нормы загрязнения атмосферы по максимальным разовым концентрациям (1) автоматически следует норма загрязнения по долговременным. Действительно, перечень [5] показывает, что отношение ПДКр/ПДКс за редким исключением не превосходит 10, в то врем как отношение См/Сг оценивается в [8] числом из интервала от 25 до 40. Однако этот интервал относится прежде всего к случаю изолированного или группы близко расположенных ИЗА. Как показано в работах Э.Ю. Безуглой [9], в промышленном городе, при наличии большого числа распределенных по территории и различных по типу ИЗА, нижняя граница указанного интервала существенно снижается. Оценки отношения См/Сг на основе статистического анализа результатов стационарных наблюдений в различных городах России [9] показывают, что для достаточно большого процента постов отношение См/Сг менее 10. Отсюда следует, что в общем случае следует предусматривать проверку условия типа (1) и для разовых и для среднегодовых концентраций.
Наряду с инструментальными замерами концентраций (ЗВ), неотъемлемой частью мониторинга атмосферы в городах являются модельные расчеты загрязнения воздуха по данным о выбросах городских предприятий и характерным метеоусловиям. Существуют различные модели, но для управленческих задач (государственная экспертиза, установление ПДВ, начисление платы за выброс) нормативным документом ОНД-86 [6] на территории России утверждена на государственном уровне единая модель для расчета мак-
симальных разовых (20-и минутное осреднение) концентраций ЗВ. При определении уровня загрязненности рассчитанные значения См сравниваются с ПДКр (условие 1).
При всех достоинствах такого подхода, в нем не учитывается тот факт, что в конкретном городе (в силу сложившегося расположения промышленных предприятий и локальной розы ветров) отдельные жилые районы оказываются загрязненными значительно чаще, чем другие. Представляется достаточно очевидным, что, в случае превышения ПДКр, именно частота появления повышенных концентраций определяет уровень вредного воздействия загрязнения атмосферы на здоровье человека [10].
Отмеченные особенности конкретного промышленного города учитываются при моделировании среднегодовых концентраций, поскольку при таких расчетах на практике используется осреднение возможного спектра разовых концентраций с учетом конкретного для города распределения влияющих (в рамках принятой диффузионной модели) метеопараметров в течение года. Для распространенных за рубежом моделей Гауссовского факела [11] строится совместное распределение направления ветра, скорости ветра и класса устойчивости атмосферы. Для полуэмпирической модели, предлагаемой в [12] также используется распределение скорости и направления ветра, однако повторяемость атмосферной устойчивости характеризуется распределением параметра Л, задаваемого отношением вертикального коэффициента турбулентной диффузии (на высоте 1м), нормированного на скорость ветра (на высоте 2м). На основе [12] разработаны методические указания
[13], а ранее в [14] приводится упрощенный вариант модели [12], использующий только осреднение по направлению ветра (розе ветров), а скорость ветра и устойчивость атмосферы характеризуются их средними значениям.
Все три модели расчета среднегодовых концентраций входят в состав широко используемого в Сибирском регионе программного комплекса ЭРА [15]. В табл. 1 и на рис. 1 приведены результаты сравнения (проведенного авторами) расче-тов среднегодовых концентраций для города Кемерова по некоторым ЗВ, характерным для выбросов автотранспорта. Для получения количественных модельных оценок приземных
Рис 1. Сопоставление максимальных расчетных среднегодовых концентраций по трем различным моделям для г Кемерова
концентраций (как разовых так и среднегодовых) использованы данные о выбросах городских стационарных источников и автотранспорта, основанные на материалах сводного тома ПДВ города Кемерова за 2002 г. [1]. В расчетах учтены около 200 промышленных предприятий (3200 источников). Распределение ветра по направлению для всех трех моделей получено из среднегодовой многолетней розы ветров методом интерполяции, рекомендованным в
[14]. Распределение ветра по скоростям и классам устойчивости для Гауссовской модели [11] было ранее получено по данным стандартных метеонаблюдений [16]. Параметры распределений скорости ветра и показателя устойчивости Л , необходимые для модели [12], приближенно оценены по известным климатическим характеристикам г. Кемерова. Расчеты проведены для 50 точек, рассредоточенных по территории города. На рисунке представлены максимальные по всем точкам значения расчетных среднегодовых концентраций.
Нетрудно заметить, что тенденции загрязнения достаточно синхронно описываются всеми тремя моделями. Поэтому в дальнейших оценках, в которые представляют интерес относительные величины, использована модель из [14], как наиболее оперативная при мговариантных расчетах.
Для сопоставления с показателями по заболеваемости населения различных районов г.Кемерова, приведенных в [17,18] попробуем вычислить комплексный показатель загрязнения атмосферы (КПЗА), предложенный в [19].
(2)
где Ср/ - приземная разовая концентрация ьго загрязняющего вещества в некоторой точке города, а ПДКр1 - максимальная разовая ПДК этого вещества. Показатель степени а введен для приведения ЗВ всех классов опасности к единому третьему классу. Суммирование идет по всем выбрасываемым в АВ города веществам, для которых максимальная расчетная по [6] концентрация превышает значимый уровень.
В дополнение к (2) рассчитаем аналогичный показатель для годового осреднения
где Сг/ - среднегодовая концентрация, а ПДКс - соответствующая среднесуточная ПДК.
Показатели (2) и (3) не являются нормативными гигиеническими критериями, поскольку далеко не все учтенные вещества обладают эффектом однонаправленного действия. Это означает, что значения показателей не могут (согласно текущему законодательству) влиять на принятие решений о допустимости выбросов и начисление платы за загрязнение воздуха предприятиями. Эти показатели носят смысл “суммарной техногенной нагрузки”, создаваемой промышленностью посредством атмосферного переноса загрязнения на ту или иную территорию города. Как тот, так и другой показатели, будучи вычисленными для различных точек города учитывают взаиморасположение промышленных и жилых районов. Однако при вычисление КРЗАр не учитывается роза ветров, поскольку он базируется на максимальных разовых концентрациях, величина которых не зависит от того, насколько часто в ту или иную точку города переносятся выбросы предприятий. Показатель КРЗАг зависит от среднегодовой концентрации и, следовательно, от характерного для города распределения направлений ветра (розы ветров).
Для расчетов КПЗА для г. Кемерова использованы уже упомянутые ранее данные о выбросах городских стационарных источников и автотранспорта из материалов сводного тома ПДВ [1]. В расчетах учтены ИЗА промышленных предприятий и автотранспорта (3200 источников), выбрасывающих в атмосферу 185 загрязняю-
(3)
щих веществ. Среди ЗВ присутствуют как основные (диоксид азота, сажа, сернистый ангидрид, оксид углерода, бенз(а)пирен, зола и т.д), источники которых рассредоточены по всему городу, так и специфические для г. Кемерова (нафталин, динил, нитробензол и т.д.), выбрасываемые единичными предприятиями.
Разовые и среднегодовые концентрации загрязняющих веществ вычислены в узлах покрывающего весь город регулярного прямоугольника размером 20 на 22 км с шагом сетки 500 м. На основе этих расчетов можно построить карту распределения концентраций и КПЗА по территории города. На рис. 2 приведена такая карта для среднегодового КПЗА. Кроме того, расчеты проведены по отдельным районам. Поскольку районы невозможно покрыть регулярной расчетной сеткой, то для каждого из них были выбраны наборы характерных точек (12-15 точек), расположенных в различных зонах жилой застройки соответствующего района. В каждой такой точке рассчитаны разовые и среднегодовые концентрации и соответствующие КПЗА. В качестве характеристики техногенной нагрузки на атмосферу района принято среднее значение КПЗА для характерных точек района. В дополнение к районам выбраны и расчетные точки на границе объединенной санитарно-защитной зоны (СЗЗ) промузла, расположенного в левобережной части г. Кемерова. Точки выбраны в зонах пересечения санзоны с жилыми территориями и могут относиться к различным административным районам города.
На рис. 3 и 4 представлены графики, построенные на основе данных, взятых из [17,18]. На них показаны некоторые показатели здоровья населения для различных районов г. Кемерова. На рисунках 5 и 6 представлены расчетные значения усредненных, максимальных и минимальных (по характерным расчетным точкам соответствующей области) значений КПЗАр и КПЗАг по районам и границе СЗЗ.
Рис. 2 показывает, что зоны с максимальной расчетной долговременной экологической нагрузкой на атмосферу жилых территорий города, расположены, в основном, в Кировском районе. Это объясняется простым фактом, что при преобладающем югозападном переносе воздуха на городом Кировский район значительно чаще оказывается покрыт суммарным городским факелом загрязнения.
Рис. 2. Изолинии распределения безразмерного показателя КПЗАг по территории г. Кемерова, построенные на основе расчетных среднегодовых концентраций
Рис. 3. Оценка суммарного канцерогенного риска в результате загрязнения атмосферы районов города Кемерова бенз(а)пиреном, формальдегидом и бензолом
Рис. 4. Заболеваемость (на 1000 человек) дошкольного населения районов г. Кемерова острым бронхитом. По СЗЗ нет данных
Рис. 5. Границы изменения и средние значения КПЗАг (построен по расчетньш разовым концентрациям [6]) для районов города Кемерова
Рис. 6. Границы изменения и средние значения КПЗАг (построен по расчетным среднегодовым концентрациям) для районов города Кемерова
Сравнение рис. 3, 4 и 5, 6 также показывает, что расчетные значения КПЗАг гораздо лучше соответствуют показателям заболеваемости по районам города, что и лежит в основе расчета рисков здоровью населения [10]. В частности, Заводской район по максимальному загрязнению (рис. 5) относится к лидерам среди районов. Однако по заболеваемости и среднегодовому загрязнению картина выглядит несколько иначе и с единой тенденцией. Кроме того, рисунки 5 и 6 показывают границы изменения суммарной экологической нагрузки на атмосферу районов. Большой разброс максимальных и минимальных значений КПЗАр и КПЗАг говорит о том, что загрязнение атмосферы отдельных территорий районов существенно отличается. Малый разброс означает, что почти все жилые зоны района имеют одинаковую антропогенную нагрузку на атмосферу. В этом плане Ленинский район по тому и другому КПЗА практически всюду одинаково “чистый”, а Кировский - одинаково “грязный”.
В целом приведенные результаты расчетов подтверждают тот факт, что модельные оценки загрязнения приземного слоя воздуха достаточно адекватно отражают основные тенденции реального загрязнения атмосферы г.Кемерова. Это (с высокой долей уверенности) свидетельствует о том, что приведенная в сводном томе ПДВ [1] инвентаризация источников, расчетные модели и необходимые для их использования метеопараметры достаточно полны и пригодны для принятия управленческих решений по оздоровлению атмосферы города.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Ажиганич Т.Е., Алексейченко Т.Г., Быков А.А. Проведение сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Кемерова для нормирования выбросов и диагностических оценок. В кн. “Экология города. Проблемы. Решения” - труды V городской научно-практической конференции. -Кемерово, 2003, с 41-45.
2. Рязанов В.А. О критериях и методах обоснования максимально допустимых концентраций атмосферных загрязнений в СССР. - В кн.: Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений. Вып.8. - М.: Медицина, 1964, с. 5-21.
3. Федеральный Закон «Об охране окружающей среды». М., 2002.
4. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. - СПб.: НИИ Атмосфера МПР РФ, 2005.
5. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб, НИИ Атмосфера. 2005, 290с.
6. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1987, 92с.
7. СанПиН 2.1.6.1032-01 «Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест». М., 2001.
8. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 272с.
9. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 200с.
10. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. 2.1.10.1920-04. М.: 2004, 163с.
11. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей /под.ред. Ньистадта Ф.Т.М., Ван-Допа Х.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 350 с.
12. Генихович Е.Л., Берлянд М.Е., Грачева И.Г. и др. Оперативная модель расчета концентраций, осредненных за длительный период. -Труды ГГО им.А.И.Воейкова, вып. 549, С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1998, с.11-31.
13. Методика расчета осредненных за длительный период концентраций выбрасываемых в атмосферу вредных веществ (дополнение к ОНД-86). - СПб.: ГГО им.А.И.Воейкова, 2005, 15с.
14. Методика экологической экспертизы предпроектных и проектных материалов по охране атмосферного воздуха, Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, Москва, 1995.
15. Быков А.А., Безруков П.А., Попенко К.Ю., Мокроусов В.В. Программный комплекс “ЭРА”. - Экология производства. №9, 2007, с.80-83.
16. Быков А.А. Разработка и применение математических моделей для управления чистотой атмосферы по среднегодовым показателям. Автореферат канд. дисс. - М:, Лаборатория мониторинга природной среды и климата Гос-комгидромета и АН СССР, 1988, 22с.
17. Зайцев В.И., Михайлуц Ф.П. Гигиеническая оценка загрязнения окружающей среды при многолетней эксплуатации сосредоточенных химических предприятий. - Кемерово: Издательство “Летопись”, 2001,-192с.
18. Здоровье населения и окружающая среда г. Кемерова. - Информационный сборник. /ред. Зайцев В.И./, - Кемерово, Издательство “Летопись”, 2002,-214с.
19. .Селегей Т.С. Формирование уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах Сибири. - Новосибирск: Наука, 2005,-348с. шгЛ
Bykov A.A., ShastlivtsevE.L., Pushkin S.G.
A COMPARISON OF HUMAN SICKNESS RATE WITH SHORT-TERM AND LONG-TERM AIR POLLUTION COMPLEX NUMBERS FOR KEMEROVO CITY
On the base of industrial and vehicle emission inventory data the dispersion model estimates of short-term and long-term air pollution complex numbers were conducted for various urban districts. The finding numbers were compared with some published human sickness data.
Key words: air pollution, urban area, atmospheric dispersion modeling, human sickness rate.
___ Коротко об авторах _________________________________________________
Быков Анатолий Александрович - кандидат физико-математи-ческих наук, старший научный сотрудник,
E-mail: bykov@kemsc.ru
Счастливцев Евгений Леонидович - доктор технических наук, заместитель директора,
E-mail: zavlab@kemsc.ru
Пушкин Сергей Григорьевич - кандидат химических наук, старший научный сотрудник,
E-mail: pushkin@kemsc.ru
