Загрязнение приземной атмосферы как экологический фактор риска для здоровья

В статье представлены результаты анализа динамики выбросов загрязняющих веществ от стационар­ных источников в воздушном пространстве в промышленном центре. Установлено, что динамика вы­бросов основных загрязнителей воздуха имеет устойчивую тенденцию к снижению. Исключением яв­ляется включение черного углерода в атмосферный воздух, динамика его излучения характеризуется тенденцией к увеличению. Показано, что концентрация многих металлургических предприятий на ог­раниченной территории создает высокую степень загрязнения приземного слоя воздуха, что вызывает повышенный риск неблагоприятных рефлекторных реакций среди населения города. Производство кокса характеризуется высоким постоянством выбросов в атмосферу в течение года и составляет ста­бильный вклад в риск развития хронической интоксикации жителей жилых районов, прилегающих к санитарно-защитной зоне металлургического комплекса. 

Развитие экологии человека и ее сближение с гигиеной окружающей среды, произошедшие в 80-е годы XX в., явились важнейшим этапом интеграции наук, изучающих связи между воздейст­виями факторов окружающей среды и здоровья населения [1]. При оценке качества окружающей сре­ды и основных ее факторов, влияющих на здоровье человека, особое место принадлежит урбанизиро­ванным территориям. Следует отметить, что большинство населения страны живет в условиях имен­но урбанизированной жилой среды. В промышленно развитых странах степень урбанизации превы­шает 70-80 %. Масштабное реформирование системы государственного регулирования в сфере охра­ны окружающей среды, и в частности, атмосферного воздуха, должно быть связано, во-первых, с наличием обоснованной стратегии достижения поставленных целей и плана действий и, во-вторых, с выбором фундаментальной концептуальной основы, позволяющей осуществлять надежную оценку реальной ситуации и определять приоритеты в действиях, направленных на максимальное снижение негативного воздействия атмосферных загрязнений на здоровье населения [2]. Актуализированные проблемы обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, безопасность сре­ды обитания для его здоровья, трудового долголетия и дееспособности решаются в настоящее время во многом с применением методологии оценки риска. Оценка риска для здоровья является междуна­родно признанным научным инструментом для разработки оптимальных решений по управлению качеством окружающей среды и состоянием здоровья населения. Успешное внедрение методологии оценки риска зависит от ряда методических моментов, одним из которых является разработка коэф­фициентов риска неканцерогенных эффектов от загрязнения окружающей среды. В свою очередь, использование оценки риска для обоснования принятия решений по оптимизации качества окру­жающей среды на территориях экологического неблагополучия предъявляет повышенные требования к коэффициентам риска. Степень загрязнения атмосферы зависит от количества выбросов вредных веществ и их химического состава, от высоты, на которой осуществляются выбросы, и от метеороло­гических условий, определяющих перенос, рассеивание и превращение выбрасываемых веществ.

При постоянных параметрах выбросов уровень загрязнения атмосферы существенно зависит от кли­матических условий: направления, условий переноса и распределения примесей в атмосфере, интен­сивности солнечной радиации, определяющей фотохимические превращения и возникновение вто­ричных продуктов загрязнения воздуха. Обеспечение нормальной с эколого-гигиенических позиций среды обитания требует постоянного совершенствования организационных, научных и инженерных мер, а также гибкой системы управления их реализацией [3]. На сегодняшний день остаются актуаль­ными исследования, направленные на оценку возможных изменений воздействия такого экологиче­ского фактора, как загрязнение приземной атмосферы урбанизированных территорий на условия проживания населения.

Материалы и методы

Для оценки динамики выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн крупного индуст­риального центра Западной Сибири г. Новокузнецка нами определялись следующие показатели: средние уровни рядов динамики выбросов; их средние абсолютные изменения, средние темпы при­роста или убыли; ранговые коэффициенты корреляции рядов динамики, их коэффициенты колебле­мости и автокорреляции отклонений от тренда. Были получены линейные тренды, характеризующие динамику поступления вредных примесей в приземный слой атмосферы города за 2001-2011 гг. Среднее абсолютное изменение показывает, насколько в среднем за год повышается или снижается уровень выбросов загрязняющего вещества в абсолютных единицах (т/год). Средний темп прироста или убыли характеризует среднее процентное изменение за год уровня рассматриваемых факторов. Ранговый коэффициент корреляции используется для характеристики устойчивости динамики про­цесса, коэффициент колеблемости применяется для характеристики уровня колебаний от линии трен­да ряда динамики, коэффициент автокорреляции отклонений от тренда служит для выявления типа колебаний значений ряда динамики [4]. Осредненные концентрации атмосферных примесей за пери­од 2004-2010 гг. сопоставлялись нами со среднесуточными и максимально разовыми ПДК, исчисля­лись уровни риска хронической интоксикации и немедленного действия. Основу оценки риска для здоровья составила методика, разработанная А.П.Щербо и А.В.Киселевым [5].

Риск хронической ин­токсикации определялся как пожизненная вероятность приобретения индивидуумом одного или не­скольких хронических заболеваний, индуцируемых загрязнением воздушного бассейна за длитель­ный период времени (при условии, что уровень загрязнения не изменится). Оценка риска немедлен­ного действия показывает годовую вероятность возникновения у индивидуума неблагоприятных рефлекторных реакций (ощущение запаха, резь в глазах, раздражение горла, кашель), имплицирован­ных с достижением максимального уровня загрязнения воздушного бассейна города в течение года. Для оценки риска для здоровья, связанного с поступлением в воздушный бассейн загрязняющих ве­ществ от высотных источников коксохимического производства крупного металлургического комби­ната, расположенного в промышленной зоне города, проведен расчет рассеивания в атмосферном воздухе сажи, диоксидов серы и азота, оксидов углерода и азота, бенз(а)пирена, содержащихся в вы­брасываемой газовоздушной смеси. Получены максимальные и среднегодовые концентрации пере­численных выше атмосферных примесей, входящих в состав выбросов производства кокса. Получен­ные уровни риска сравнивались с приемлемыми. Также установлен вклад выбросов коксохимии в фоновый риск хронической интоксикации.

Результаты и обсуждение

С целью идентификации аэрогенной опасности была проанализирована динамика поступления загрязняющих веществ от стационарных источников в воздушный бассейн города. В таблице 1 при­ведены статистические данные по загрязнению атмосферы г. Новокузнецка за 2001-2011 гг.

Средний уровень валовых выбросов в атмосферу за рассматриваемый временной период соста­вил 412,96 тыс. т/год, в том числе взвешенных веществ — 50,68; диоксида азота — 20,35; диоксида серы — 40,28; оксида углерода — 252,76; сажи — 0,85; метана — 42,07 тыс. т/год. Среднее абсолют­ное снижение валовых выбросов определено как 17,45 тыс. т/год, взвешенных веществ — 3,58; диок­сида азота — 1,08; диоксида серы — 1,18; оксида углерода — 9,83; метана — 1,6 тыс. т/год. Единст­венным компонентом выбросов, характеризующимся средним абсолютным приростом, является са­жа, среднее значение прироста — 0,06 тыс. т/год. Средний темп убыли валовых выбросов составил 4,27 %, взвешенных веществ — 7,14 %; диоксида азота — 4,86 %; диоксида серы — 3,19 %; оксида углерода — 3,92 %; метана — 3,95 %. Максимальные темпы убыли характеризуют динамику выбросов сероводорода — 10,24 % и аммиака — 8,54 %. Средний темп прироста поступления сажи в при­земный слой воздуха от стационарных источников равен 7,68 %.

Уравнения линейных трендов динамики выбросов, характеризующие их коэффициенты корре­ляции рангов, колеблемости и автокорреляции отклонений от трендов, представлены в таблице 2.

Уравнения линейных трендов, коэффициенты корреляции рангов, коэффициенты колеблемости и коэффициенты автокорреляции, характеризующие динамику выбросов загрязняющих веществ

Автокорреляция — это корреляция между значениями одного и того же признака, но со сдвигом во времени. Отрицательные регрессионные коэффициенты трендов динамики свидетельствуют о том, что уровни валовых, а также выбросов взвешенных веществ, диоксидов серы и азота, оксида углеро­да, фтористого и цианистого водорода, сероводорода, фенола, аммиака и метана имеют тенденцию к снижению. Статистически значимые коэффициенты корреляции рангов уровней перечисленных вы­ше загрязняющих веществ, определенные в пределах от -0,99 до -0,64, свидетельствуют об устойчи­вости тенденции снижения их выбросов. Слабой колеблемостью характеризуются поступления в воз­душный бассейн города взвешенных веществ, диоксидов серы и азота, оксида углерода, фенола, циа­нистого водорода и метана, коэффициенты колеблемости по динамике этих примесей определены в размере менее 10 %.

Умеренной колеблемостью отмечаются выбросы фтористого водорода, сероводорода и аммиака, коэффициенты колеблемости динамики по данным веществам находятся в пределах от 10,82 % до 15,48 %. Поступление в атмосферный воздух города сажи от стационарных источников отмечается положительным значением регрессионного коэффициента тренда, что означает тенденцию к повы­шению уровня выбросов этого загрязнителя, характеризующегося довольно высоким положительным коэффициентом ранговой корреляции (r = 0,76) и сравнительно высоким значением коэффициента колеблемости (16,46 %). Динамика выбросов диоксида серы отличаются маятниковой колеблемо­стью, коэффициент автокорреляции отклонений от тренда первого порядка равен -0,35. Долгоперио-дичной колеблемостью характеризуется динамика поступления в воздушный бассейн города диокси­да азота, оксида углерода и сажи, коэффициенты автокорреляции первого порядка определены как 0,45; 0,49 и 0,35 соответственно. Динамика остальных компонентов выбросов отмечается случайно распределенной во времени колеблемостью (коэффициенты автокорреляции от -0,21 до 0,28).

Административно г. Новокузнецк разделен на шесть районов: Центральный, Заводской, Кузнец­кий, Куйбышевский, Новоильинский, Орджоникидзевский. За период с 2004 по 2010 гг. средние из максимальных концентраций взвешенных веществ в воздушном бассейне города превышали макси­мально разовую ПДК в зависимости от селитебной зоны в 2,1-6,3 раза, оксида углерода — в 1,5-2,7; диоксида азота — в 3,9-6,5; сероводорода — в 1,1-4,4; фенола — в 2,7-3,5; сажи в — 1,5-2,2; фтори­стого водорода — в 4,1-6,0; формальдегида — в 2,6-3,9 раза. Средние концентрации таких атмо­сферных примесей, как взвешенные вещества превышали нормативный показатель в зависимости от района города в 1,3-2,0 раза; диоксида азота — в 1,1-1,5; фтористого водорода — в 1,2-1,5; фор­мальдегида — в 3,5-5,5 раза. Средние уровни загрязнения воздушного бассейна диоксидом серы, ок­сидами углерода и азота, фенолом, сажей и аммиаком не превышали гигиенических нормативов. Максимальное загрязнение атмосферного воздуха взвешенными веществами, диоксидом азота, фено­лом и фтористым водородом (по средним концентрациям) отмечается в Кузнецком районе города; оксидом азота и формальдегидом — в Куйбышевском районе. Риски немедленного действия и хро­нической интоксикации, имплицированные с загрязнением воздушного бассейна г. Новокузнецка, представлены в таблице 3.

Максимальное значение риска немедленного действия отмечается в жилой зоне Орджоникидзевского района, 97,7 % населения которой, вероятно, будут испытывать неблагоприятные рефлек­торные реакции при достижении максимального для этой территории уровня загрязнения приземного слоя воздуха. Данную высокую степень риска обусловливает загрязнение атмосферного воздуха взвешенными веществами.

Минимальный уровень риска немедленного действия характеризует Новоильинский район, у 21,2 % жителей данной селитебной зоны будут отмечаться неблагоприятные рефлекторные эффекты в течение года, связанные с загрязнением атмосферного воздуха фтористым водородом. Риск немед­ленного действия в Центральном, Кузнецком и Куйбышевском районах города обусловливают вы­бросы диоксида азота, в Заводском — фтористого водорода. Максимальные значения суммарного риска хронической интоксикации отмечаются в Куйбышевском и Кузнецком районах (0,395 и 0,364 соответственно). Пожизненная вероятность хронической интоксикации у населения минимальна в Заводском и Орджоникидзевском районах, в жилых зонах этих районов уровень риска составляет 0,289 и 0,318 соответственно. Высокий вклад в риск хронической интоксикации жителей города по всем селитебным зонам вносят взвешенные вещества, диоксид азота, фтористый водород и формаль­дегид.

Инвентаризация выбросов коксохимического производства Западно-Сибирского металлургиче­ского комбината и идентификация опасности этих выбросов позволили выделить шесть высотных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Данные источники характеризуются высо­той выброса — 100 метров каждый, температурой отходящей газовоздушной смеси — 200 °С, объе­мом выбрасываемой газовоздушной смеси — от 23,8 до 46,5 м³/с. Суммарные выбросы бенз(а)пи-рена, относящегося к первому классу опасности, рассматриваемых источников коксохимического производства составляют 0,0096 т/год; веществ второго класса опасности — 328,2 т/год, в том числе сажи — 151,4 т/год и диоксида азота — 176,8 т/год; ингредиентов третьего класса опасности — 56,5 т/год, в том числе диоксида серы — 27,5 т/год и оксида азота — 29,0 т/год. Также данные источники суммарно поставляют в воздушный бассейн 2650,2 т/год оксида углерода, относящегося к четвертому классу опасности. Следует отметить, что число часов работы этих источников составляет 8760 в год, т. е. выбросы в атмосферу ведутся круглогодично, без изменения объема выбросов по периодам года.

Промышленная площадка Западно-Сибирского металлургического комбината расположена на расстоянии 6-6,5 км от границы ближайших селитебных зон. На территории города были отобраны 14 точек воздействия концентраций, имплицированных с выбросами рассматриваемых высотных ис­точников коксохимии: точки воздействия располагались на границе и в центре жилой зоны Новоиль-инского, Заводского, Центрального и Кузнецкого районов города, а также на границе и в центре Но-вобайдаевского и Абашевского микрорайонов и на границе санитарно-защитной зоны металлургиче­ского комбината. В изучаемых точках воздействия были определены среднегодовые концентрации загрязнителей, имплицированные с выбросами коксохимического передела и со средней скоростью ветра на данной территории, равной 2,9 м/с, а также соответствующий им риск хронической интокси­кации населения (неканцерогенный риск). Максимальные значения риска регистрируются на границе санитарно-защитной зоны металлургического комбината (6,3-10^-2), на границах и в центре жилой зо­ны Новоильинского и Заводского районов на расстоянии 6000-7375 м от источников выбросов (2,7- 10^-2-3,2- 10^-2). В данных точках воздействия неканцерогенный риск превышает приемлемый уро­вень в 1,35-3,15 раза. Минимальный уровень аэрогенной опасности, связанной с выбросами коксо­химии, отмечается на границе и в центре селитебной зоны Центрального района города на расстоя­нии 13000-16125 м от источников, где значение риска не превышают приемлемый уровень. Удель­ный вес бенз(а)пирена в рассматриваемом риске хронической интоксикации составляет 21,8-39,0 % в зависимости от рассматриваемой точки воздействия, диоксида азота — 25,2-32,4; оксида углерода — 9,0-11,8; сажи — 18,7-24,0 %. Вклад компонентов атмосферных выбросов коксового производства в фоновый риск хронической интоксикации составляет 1,4-4,1 % в зависимости от рассматриваемой зоны воздействия.

Таким образом, несмотря на установленную устойчивую тенденцию снижения атмосферных вы­бросов от стационарных источников, в г. Новокузнецке создаются ситуации повышенного загрязне­ния воздушного бассейна, вызывающие у значительной доли населения неблагоприятные рефлектор­ные реакции. Средний умеренный уровень загрязнения приземного слоя воздуха города еще более опасен, чем высококонцентрированные кратковременные выбросы, так как индуцирует хронический неканцерогенный риск, значения которого могут превышать приемлемый уровень. Загрязнение атмо­сферного воздуха промышленного центра, наряду с другими неблагоприятными экологическими факторами (разработкой угольных разрезов в пригородной зоне, неудовлетворительным качеством органолептических свойств горячей воды), несомненно, оказывает влияние на качество жизни насе­ления, направленное на снижение его уровня.

Список литературы

1. Рахманин Ю.А. Обновление проблем экологии человека и гигиены окружающей среды и пути их решения // Гигиена и санитария. — 2012. — № 5. — С. 4-8.
2. Авалиани С.Л., Новиков С.М. и др. Пути решения гармонизации стандартов на загрязнение воздуха // Гигиена и сани­тария. — 2012. — № 5. — С. 75-78.
3. Щербо А.П., Киселев А.В., Масюк В.С., Шабалина И.М. Гигиеническая оценка загрязнения окружающей АЕИ в про­мышленных городах Республики Карелия и риска для состояния здоровья детей и подростков населения // Гигиена и сани­тария. — 2008. — № 5. — С. 7-11.
4. Дуброва Т.А. Статистические методы прогнозирования. — М.: ЮНИТИ, 2003. — 206 с.
5. Щербо А.П., Киселев А.В. и др. Окружающая среда и здоровья: подход к оценке рисков. — СПб.: МАПО, 2002. —374 с.