Оценка факторов загрязнения атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске

Усиление техногенного воздействия на природную среду породило целый ряд экологических проблем, самая острая из которых связана с загрязнением атмосферного воздуха. По сравнению с другими компонентами геосферы, атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей: высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов и превращений. Специфические особенности этих превращений связаны как с природными (активность Солнца, географическое положение, климат, времена года и суток), так и с антропогенными факторами.

Острота проблемы связана с тем, что в сутки через организм человека в среднем проходит около 20 кг воздуха, воды же для поддержания нормальной жизнедеятельности организма необходимо всего 4 кг, поэтому даже очень низкие (с точки зрения обыденного сознания) концентрации вредных примесей могут обусловить ухудшение здоровья населения. Кроме того, ряд химических соединений не имеет ПДК и, следовательно, не контролируется. Наконец, в результате трансформации и взаимодействия химических веществ в атмосферном воздухе образуются новые соединения, характер действия и токсичность которых на организм человека изучены недостаточно.

Для разработки мер, направленных на снижение уровня загрязнения атмосферы в промышленном городе необходима оценка факторов, обусловливающих качество атмосферного воздуха на урбанизированных городских территориях с высокой плотностью населения. Важность изучения и ранжирования факторов, влияющих на качество атмосферного воздуха в промышленном городе, имеет большое прикладное значение при разработке профилактических комплексных мероприятий по снижению уровня загрязнения атмосферы и программ оздоровления окружающей среды.

Цель исследований - провести анализ и оценку таких факторов на примере промышленного города Казахстана Усть-Каменогорска с разработкой и ранжированием комплекса приоритетных мер для снижения уровня загрязненности воздушного бассейна города и связанных с этим рисков для здоровья населения.

Город Усть-Каменогорск является центром цветной металлургии Восточно-Казахстанской области и относится к индустриальной городской агломерации, характеризующейся высокой напряженностью экологической обстановки с многофакторным и многокомпонентным загрязнением. Здесь сосредоточены предприятия самой различной техногенной направленности: производства цветных металлов, редкоземельных элементов, ядерного топлива, машиностроения, элетрохимической промышленности, теплоэнергетики и коммунального хозяйства. Город Усть-Каменогорск является ярким примером современного промышленного центра, в котором географическое расположение, наличие предприятий различной техногенной ориентации, особенности ландшафта и сезонных климатических изменений сформировали уникальную урбанизированную систему. Выполненными в 2004 году в городе Усть-Каменогорске масштабными медико-экологическими исследованиями установлено, что на территории города максимальный риск для здоровья населения создает атмосферный воздух. На качество атмосферного воздуха в городе и связанного с ним здоровья населения оказывают воздействие целый ряд факторов различного генезиса и степени проявления. К ним относятся природные и техногенные факторы, социально-экономические условия, состояние архитектурно-планировочной инфраструктуры, уровень организации управления городской средой и контроля выполнения экологических требований, уровень экологической осведомленности властных структур и экологической культуры населения города.

Важным индикатором, чутко реагирующим на качество основных объектов окружающей среды, служат показатели смертности. Выполненными работами казахстанских ученых по Казахстану, ущерб от загрязнения атмосферы составляет 108750 смертных случаев в год.

По данным Агентства Республики Казахстан по статистике, смертность населения в Восточно-Казахстанской области в 2009 году составила 11,72 умерших на 1000 человек, при среднем республиканском показателе 8,97. Наиболее высокие показатели смертности отмечаются в районах с интенсивно развитой горнодобывающей промышленностью и цветной металлургией: г. Риддер – 18,75; Зыряновский район – 18,04; Шемонаихинский район – 16,96; Глубоковский район - 15,14; г. Усть-Каменогорск – 13,33.

Установлено, что загрязнение атмосферного воздуха в пределах территории области носит региональный характер и негативно сказывается на климатической, экологической и демографической ситуации. Загрязнение воздушного бассейна в городах и районах области обусловлено выбросами предприятий горнодобывающей и металлургической отраслей, теплоэнергетики, химической промышленности, автотранспорта. Всего в атмосферу области в 2009 году от стационарных источников, по данным государственной статистической отчетности, выброшено 149 тыс. тонн загрязняющих веществ. Из них на промышленные города приходится 81% от валовых выбросов, в том числе: город Усть-Каменогорск - 65,4 тыс. тонн (44,5%), город Семей - 32,2 тыс. тонн (22%), город Риддер – 12,9 тыс. тонн тыс. тонн (9%), Зыряновский район - 9,7 тыс. тонн (6%). На остальные районы области приходится всего 19% от валовых выбросов. Ниже (табл. 1) приводятся удельные расчеты выбросов в атмосферу в промышленных районах области.

Из таблицы видно, что город Усть-Каменогорск испытывает значительную нагрузку на окружающую среду по удельным показателям, что связано с высокой плотностью населения на территории города и выбросами от стационарных источников, составляющих 44,5% от общих выбросов в атмосферу региона (рис. 1).

Рис. 1

Основное воздействие на атмосферный воздух в Усть-Каменогорске оказывают выбросы предприятий УК МП ОАО «Казцинк», ОАО «AES Усть - Каменогорская ТЭЦ», АО УМЗ, ОАО УК ТМК и выбросы от автотранспорта. Всего в атмосферу города в 2009 году от стационарных источников поступило 65,470 тыс. тонн загрязняющих веществ, в том числе, диоксида серы – 39,060 тыс. тонн, окиси углерода - 13,635 тыс.тонн, окислов азота – 5,866 тыс. тонн, твердых веществ – 4, 378 тыс. тонн (данные Департамента статистики по ВКО). Выбросы от передвижных источников и частного сектора не контролируются, но, по некоторым данным, они составляют не менее 50% от выбросов стационарных источников.

Состояние качества атмосферного воздуха в городе контролируется службой ДГП «Восточно-Казахстанский центр гидрометеорологии» (ВК ЦГМ) РГП Казгидромета на пяти постах наблюдений за загрязнением (ПНЗ), расположенных в разных частях города и охватывающим промышленную и селитебные зоны (рис. 2).

Рис. 2. Посты наблюдений за загрязнением воздуха в г.Усть-Каменогорск

Наблюдения ведутся по компонентам, обусловленным спецификой действующих производств: взвешенные вещества, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, фенол, формальдегид, хлор, фтористый водород, тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, кадмий) неорганические соединения мышьяка. Оценка состояния качества воздуха проводится как по показателям превышения норм предельно-допустимых концентраций (ПДК) для контролируемых загрязняющих веществ на постах, так и по расчету интегрального показателя – индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Вклад загрязняющих веществ, определяющих индекс загрязнения атмосферы в городе Усть-Каменогорске, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Содержание в атмосферном воздухе загрязняющих веществ, определяющих индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) в Усть-Каменогорске (2010 год)

Наибольший вклад в индекс загрязнения атмосферы приходится на диоксид азота. Следует отметить, что в городе проводится постоянный контроль за содержанием в атмосфере загрязняющего вещества бенз(а)пирена, связанного с выбросами автотранспорта и теплоэнергетики. Бенз(а) пирен не включен в перечень наблюдаемых компонентов национального уровня мониторинга качества атмосферного воздуха, проводимого службами Казгидромета. Однако, это вещество первого класса опасности и, как показали проведенные в 2004 году исследования химии атмосферы города Усть-Каменогорска, бенз(а)пирен присутствует в значительных количествах в атмосфере города и требуется постоянный контроль его содержания.

В 2010 году, по данным ВК ЦГМ, наибольшие концентрации бенз(а)пирена наблюдались в период отопительного сезона в промышленном районе от 3,2 до 4,7 ПДК, в селитебной зоне от 1,6 до 1,4 ПДК. Превышение норм бенз(а)пирена отмечается также на автомагистралях города от 1,2 до 2,0 ПДК. В течение года по городу зарегистрировано 243 случая (39,8 % от отобранных проб), когда содержание бенз(а) пирена превышало с.с. ПДК.

Общая оценка состояния качества атмосферного воздуха в Усть - Каменогорске в 2010 году, представлена ВК ЦГМ следующими данными: средние концентрации диоксида азота – 1,7 с.с. ПДК, формальдегида и бенз(а)пирена – 1,5 с.с. ПДК, диоксида серы – 1,4 с.с. ПДК, фенола – 1,2 с.с. ПДК, взвешенных веществ (пыль) – 0,8 с.с. ПДК, свинца – 0,5 с.с. ПДК, оксида углерода и хлора – 0,3 с.с. ПДК, меди – 0,14 с.с. ПДК, хлористого водорода и фтористого водорода – 0,1 с.с. ПДК. Концентрации мышьяка и его неорганических соединений находились на уровне следа.

Максимальные из разовых концентраций в 2010 году составили: диоксида азота – 5,3 м.р. ПДК, фенола – 4,6 м.р. ПДК, оксида углерода – 3,6 м.р. ПДК, взвешенных веществ (пыль) – 2,8 м.р. ПДК, диоксида серы – 2,7 м.р. ПДК, фтористого водорода – 2,4 м.р. ПДК, хлористого водорода – 2,3 м.р. ПДК, хлора – 1,3 м.р. ПДК, формальдегида – 0,4 м.р. ПДК.

Для оценки факторов, обусловливающих качество атмосферного воздуха, важным является анализ сезонной динамики содержания загрязняющих веществ в атмосфере. В городе Усть-Каменогорске в 2010 году наиболее высокие концентрации диоксида азота наблюдались в осенне-зимний период, что связано с отопительным сезоном, а также наибольшей повторяемостью штиля. Наиболее высокие концентрации диоксида серы наблюдались в осенне-весенний период года, что связано также с наибольшей повторяемостью штиля. Сезонная динамика загрязнения воздуха фенолом показывает, что наиболее высокие концентрации фенола наблюдались в октябре и ноябре. Рост концентраций взвешенных частиц (пыли) наблюдался в холодный период года. В летние месяцы содержание взвешенных частиц в атмосферном воздухе города не превышало с.с. ПДК. По бенз(а)пирену рост концентраций наблюдался в зимне-весенний период.

В целом, рост концентраций загрязняющих веществ в атмосфере города Усть-Каменогорска и складывающаяся величина индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) зависят от неблагоприятных метеоусловий (НМУ), определяемых ВК ЦГМ. Так, в 2009 году в городе службой ВК ЦГМ отмечено 124 дня с НМУ, при этом индекс загрязнения составил 9,9. В 2010 году количество дней с НМУ – 111, и величина индекса загрязнения составила 7,2.

Сравнительные индексы загрязнения атмосферы по промышленным городам Казахстана представлены на рис.4, из которого видно, что Усть-Каменогорск по уровню загрязнения атмосферного воздуха занимает одно из лидирующих мест. При этом, следует отметить, что объемы выбросов в атмосферу от стационарных источников в Усть-Каменогорске значительно меньше, чем в других городах. Так, по данным статистики, в 2009 году выбросы в атмосферу в Усть-Каменогорске составили 65,47 тыс.тонн, в Павлодаре – 160,1 тыс.тонн, а индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) по данным Казгидромета в этом же году составили для Усть-Каменогорска - 9,9, для Павлодара – 2,4.

Рис. 4. Сравнение индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) по городам Казахстана за 2009 и 2010 годы

Это свидетельствует о том, что в условиях крупных промышленных городов уровень загрязнения приземного слоя воздуха зависит не только от количества промышленных и транспортных выбросов, но и от их вертикального и горизонтального рассеивания, которое определяется в основном метеорологическими и природными факторами. Высокое загрязнение атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске связано в большей степени с метеоусловиями, а именно частой повторяемостью слабых ветров и штилей, не способствующих рассеиванию загрязняющих веществ и самоочищению атмосферы в городе. По многолетним наблюдениям за ветром, в 44% случаев годового времени в Усть-Каменогорске отмечаются штили. Штили и слабые ветры до 3 м/с наблюдаются в 87% случаев, тогда как в других городах слабые ветры и штили отмечаются реже. Так, например, в Балхаше в 2% случаев наблюдаются штили, в Астане в 7% случаев, в Караганде, Кустанае и Алматы, соответственно, в 12, 21 и 26%. Высокий уровень загрязнения атмосферы в Усть-Каменогорске обусловливается наложением других метеорологических факторов, таких, как температурные инверсии которые, в комплексе со штилями и слабыми ветрами, формируют крайне неблагоприятные метеоусловия (НМУ) и создают высокий индекс загрязнения атмосферы. Продолжительность периодов с НМУ в Усть-Каменогорске в зимнее время, когда стационирует сибирский (монгольский) антициклон, доходит до 15-20 дней.

К негативным природным факторам, способствующим высокому уровню загрязнения воздушной среды в городе Усть-Каменогорске, прежде всего, следует отнести его физико-географическое положение. Город с населением 304,6 тыс. человек занимает очень небольшую территорию площадью 0,54 тыс. км², расположенную на равнинном участке, образованном долинами рек Ульба и Иртыш при их слиянии и окруженном с севера, востока, юга и юго-запада отрогами горных хребтов с высотами до 800 м. Долина остается открытой только в северо-западном и, в меньшей степени, юго-восточном направлении, что значительно сдерживает возможность быстрого рассеивания выбросов токсичных веществ от предприятий и автотранспорта в воздушном бассейне города. Территория города размещается на площади в пределах гипсометрических отметок 280-340 м. Расположение города в долине, ограниченной почти со всех сторон возвышенностями, и размещение промышленных предприятий практически на тех же высотах, на которых размещены жилые массивы, является экологически неблагоприятным фактором, так как в этих условиях крайне затруднена естественная очистка загрязненного городского воздуха. Положение с рассеиванием загрязняющих веществ усугубляется и особенностями климата, к которым, как выше отмечено, относятся ветровые и температурные режимы. Средние скорости ветра в районе г. Усть-Каменогорска низкие, 2,5-3,5 м/сек. Штилевая погода не способствует рассеиванию загрязняющих веществ. Другим неблагоприятным фактором для роста загрязнений в атмосфере Усть-Каменогорска являются температурные инверсии, приводящие к туманам и застойным смоговым явлениям в атмосфере города. Это происходит при антициклонах, когда в ясные и тихие ночи холодный воздух скатывается вниз по склонам и собирается в долине Иртыша, при этом температура воздуха становится ниже около дна долины, чем на 100-200 м выше. Поднимающиеся выбросы от предприятий и автотранспорта сдерживаются вышележащим слоем теплого воздуха, и происходит накопление загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Такой тип приземной инверсии для Усть-Каменогорска, обусловленный его ороклиматическими особенностями, характерен в определенные периоды года (зимние месяцы - декабрь, январь и летнее-осенний период - июль, август, сентябрь, октябрь). В это время в условиях устойчивой безветренной погоды, сопровождающейся температурными инверсиями, под воздействием солнечной радиации в городе наблюдаются признаки фотохимического смога, о чем свидетельствуют данные проведенных исследований химии атмосферы Усть-Каменогорска. Фотохимический смог представляет многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения, в состав основных компонентов которой входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы. Смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной температурной инверсии, что характерно для климатических условий Усть-Каменогорска. По своему физиологическому воздействию на организм человека смоги крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы, они часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем. Усилению фотохимических реакций и накоплению токсичных продуктов смога способствуют выбросы от передвижных источников при неполном сгорании топлива, обусловленного как качеством бензина, так и выработавшими ресурс двигателями автомобилей с большим сроком эксплуатации. Следует также отметить следующие неблагоприятные факторы, влияющие на качество атмосферного воздуха в городе.

Существующая структура пространственной организации города Усть-Каменогорска является нерациональной, стихийно сложившейся. Пространственное взаимное расположение функциональных зон (в частности, промышленной и селитебной) исторически сложилось хаотично, без учёта естественного фона, метеорологических факторов и природных предпосылок миграции техногенных веществ в атмосферном воздухе, что и способствует созданию над городом постоянно действующего поля высоких концентраций загрязняющих веществ. Ситуация с ухудшением рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере города в последние годы усугубляется вследствие уплотнения застройки городской территории и снижения проветриваемости, уменьшения площадей зеленых насаждений, а также усиливающегося влияния выбросов автотранспорта.

Для управления качеством атмосферного воздуха в таком промышленном городе как Усть-Каменногорск необходимо надежное и своевременное прогнозирование неблагоприятных метеоусловий. Здесь проблемы связаны с отсутствием автоматических станций контроля качества атмосферы, автоматического контроля основных стационарных источников выбросов, отсутствием аэрологической станции определения аэрологических характеристик для прогноза приземных и приподнятых температурных инверсий, вертикального градиента температуры воздуха, скорости ветра на различных уровнях в пределах пограничного (до 1,5 км) слоя. В настоящее время радиозондирование атмосферы Усть-Каменогорске не проводится, поэтому при прогнозировании приходится использовать в работе данные ближайших станций - Павлодара, Караганды, что отрицательно сказывается на качестве прогнозов НМУ. Для возможности прогноза образования инверсий необходимо выявить зависимость профиля температуры в слое до 500 м от синоптических ситуаций. В зимний сезон приземные инверсии связаны в основном с низкими температурами и слабыми ветрами. При усилении ветра в холодном антициклоне появляются приподнятые инверсии, что связано с турбулентностью и поднятием приземной инверсии.

В теплых частях циклона обычно инверсий не бывает, в холодных частях циклонов при слабом ветре преобладают приземные инверсии, при сильном ветре приподнятые.

В промежуточном поле при низких температурах существуют приподнятые инверсии, особенно если скорости превышают 4 м/с, в то время как с выносом теплого воздуха связано отсутствие инверсий.

В теплое время года прогнозирование вертикального профиля ветра значительно упрощается. Приподнятые инверсии появляются обычно после восхода солнца. В ночные и ранние утренние часы отмечаются приземные инверсии. Их исчезновение в теплую часть года происходит, в основном, через 3 часа после восхода солнца.

Такие данные получены в отдельных городах, где проводились специальные наблюдения с телевышек. Для Усть-Каменогорска делать такие выводы сложно, т.к. наблюдений с вышек нет, радиозондирование отсутствует, также нет автоматических ПНЗ. Необходимо уточнение методик прогноза полей ветра и температуры в приземном слое, построение вертикальных профилей в атмосфере города. Анализ этих данных и постоянно поступающей информации с автоматических ПНЗ обеспечит точность прогноз качества атмосферного воздуха. Это, в свою очередь, позволит своевременно обнаруживать опасные ситуации высоких уровней загрязнения атмосферы и будет служить инструментом для принятия управленческих мер по снижению рисков для здоровья населения.

Острота проблемы улучшения качества атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске остается на первом месте среди экологических вопросов, волнующих население. Городскими властями при поддержке общественности в настоящее время решаются вопросы установки автоматических станций контроля над качеством воздуха (ПНЗ), расширения рекреационных зон, благоустройства и озеленения территории города. Требуется реализовать весь комплекс воздухоохранных мер, изучив опыт других промышленных городов со схожими условиями для рассеивания и смоговыми явлениями.

К приоритетным направлениям следует отнести снижение выбросов диоксида азота и взвешенных веществ путем ужесточения нормирования по этим компонентам для предприятий теплоэнергетики и цветной металлургии, повышения качества твердого топлива, качества бензина, ужесточение контроля над выхлопными газами передвижных источников, автоматизация контроля качества атмосферы, в том числе зондирования атмосферы. Большой резерв для очищения атмосферы кроется в разработке и реализации долгосрочной программы озеленения города, с учетом создания зеленого пояса вокруг города и озеленения санитарно-защитных зон предприятий.

Управление качеством атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске – сложная и многогранная задача, решение которой требует повышения экологических знаний, экологической культуры, материальных, финансовых ресурсов, а также учета факторов, обусловливающих качество атмосферного воздуха в городе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Самакова А.Б., Белоног А.А., Якупов В.С., Беркинбаев Г.Д., Федоров Г.В., Алыбаева Р.А., Корчевский А.А., Яковлева Н.А. Комплексная оценка экологии и здоровья населения промышленного города. Монография. - Алматы, 2005.

2. Проблемы экологии и развития городов. Сборник материалов научно практической конференции. - Усть-Каменогорск, 9-10 сентября 2004 г.

3. Яковлева Н.А., Корчевский А.А., Якупов В.С., Салагаева В.А., Турабаева М.К., Науканова Г.К. Оценка зависимости заболеваемости по обращаемости населения г. Усть-Каменогорска от уровня загрязнения атмосферного воздуха // Сборник научных трудов Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан, том 2. - Алматы, 2006.

4. Проведение комплексного геоэкологического исследования территории и здоровья населения города Усть - Каменогорска. Отчет о научно-исследовательской работе, 2004.

5. Болбас М. М. Транспорт и окружающая среда. – Минск: УП «Технопринт», 2003.

6. Оценка состояния и усовершенствование методики прогноза неблагоприятных метеоусловий для города Усть - Каменогорска. Отчет о научно - исследовательской работе. ДГП Восточно - Казахстанский центр гидрометеорологии, 2004.

7. Отчет «О состоянии загрязнения атмосферного воздуха в городе Усть-Каменогорске за 2010 год», ДГП Восточно-Казахстанский центр гидрометеорологии, 2011.

8. Отчет «Проведение исследований химии атмосферы г. Усть- Каменогорска», ДГП Восточно-Казахстанский центр гидрометеорологии, 2004.

9. Сурнин В.А., Заневой М.А., Гончаренок В.М, Кондратьев В.П. Качество атмосферного в городе Усть-Каменогорск. Материалы 5-ой МНПК «Воздух 2007», Санкт-Петербург, 5-7 июня 2007.