Урбанизация, как объективный процесс, обусловленный социально-экономическими причинами, сопряжена с развитием экономики регионов, созданием более безопасных и здоровых условий жизни для населения. В этом смысле указанный процесс несет с собой не только положительные, но и отрицательные изменения, поскольку наиболее существенный вклад в уровень загрязнения приземного слоя воздуха вносят промышленные районы крупных городов и урбанизированных зон [1–3].
Как известно, на территории Российской Федерации мониторингу загрязнения воздуха в пределах крупных городов и урбанизированных зон уделялось большое внимание. Так, необходимые методические разработки документов и оборудования для проведения мониторинга состояния атмосферного воздуха появились еще в 1970-х гг. Однако в тот период времени эколого-социальная роль взвешенных веществ, включая взвешенные частицы PM2,5 и PM10, еще не была ясна, в связи с чем отдельных наблюдений за указанными частицами не было предусмотрено. В настоящее время по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Международного агентства изучения рака (МАИР) взвешенные частицы разной крупности (PM2,5 и PM10) не только активно участвуют во всех физических процессах, протекающих в нижнем слое атмосферы, активно воздействуя на климатическую систему Земли, но и ухудшают качество воздуха, повышая главным образом канцерогенные риски здоровью населения. Так, по данным периодических бюллетеней МАИР взвешенные вещества, включая взвешенные частицы, уже в 2016 г. были признаны канцерогенными, доказана их роль в росте частот онкогенных заболеваний органов дыхания и мочевыделительной системы. Важно отметить, что на взвешенных частицах в связи с различной крупностью могут присутствовать включения из микрокомпонентов выбрасываемых токсичных веществ, как первичных, так и вторичных, уже содержавшихся в воздухе ранее. В ряде государств с начала XXI в. в этой связи стали создаваться сети мониторинга взвешенных частиц PM2,5 и PM10. В пределах Российской Федерации подобной сети мониторинга частиц PM2,5 и PM10 до настоящего времени не имеется, однако несколько специализированных постов расположены в пределах Европейской части страны и Восточной Сибири.
Отсюда, как представляется авторам, наиболее актуальной проблемой для Российской Федерации в данный момент является создание расширенной сети мониторинга взвешенных веществ, включая взвешенные частицы различной крупности (PM2,5 и PM10), которая должна входить в состав единой системы государственного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. Получение объемной информации о составе и концентрации основных загрязняющих воздух урбанизированных сред и городов, являясь наиболее важной составляющей системы управления качеством атмосферного воздуха, позволит выявлять территории с высоким уровнем экологического риска, а разработка эффективных мероприятий по снижению уровня установленной опасности позволит оптимизировать указанную выше систему, обеспечивая экологическую безопасность населения.
Таким образом, целью данного исследования является оптимизация системы управления качеством атмосферного воздуха в пределах Ростова-на-Дону для обеспечения достаточного уровня экологической безопасности населения.
Основными задачами при этом являются следующие:
− изучение и оптимизация существующей системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха;
− осуществление количественных оценок канцерогенных и неканцерогенных рисков здоровью населения, обусловленных загрязнением городского воздуха;
− районирование территории города с выделением отдельных районов и секторов в соответствии с итогами оценки канцерогенного и неканцерогенного рисков здоровью населения для разработки потенциальных мер по улучшению качества воздуха.
Материалы и методы исследования
Для реализации цели были использованы материалы Ежегодников Федерального государственного бюджетного учреждения Главная геофизическая обсерватория им А.И. Воейкова (ФГБУ «ГГО») за 2016–2021 гг. [4]. В числе использованных методов были литературно-исторический анализ научных источников, математико-статистические и графо-аналитические методы осмысления информации.
Результаты исследования и их обсуждение
Взвешенные вещества, представляющие собой смесь твердых частиц различного диаметра, включая частицы диаметрами 2,5 мкм (PM2,5) и 10 мкм (PM10), находящихся во взвешенном состоянии, поступают в нижний слой воздуха практически повсеместно, так как связаны с различными причинами, как антропогенными (выбросы промышленного производства и пр.), так и природными (пыльные бури, извержения вулканов, обвалы и оползни в горных районах) [5–8].
В настоящее время в ряде государств национальные правительства осуществляют общенациональный мониторинг загрязнения воздуха, устанавливают национальные стандарты качества окружающего воздуха и стандарты выбросов от различных источников. В частности, разработка и ввод в действие национального плана действий Китая по предотвращению и контролю загрязнения воздуха (2013–2017 гг.) привели к снижению уровня PM2,5 на 40 % в некоторых его регионах. Кроме того, многие страны подписали региональные соглашения, такие как, например, Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, для решения проблемы загрязнения воздуха в результате переноса загрязнений на большие расстояния. В Российской Федерации вопросам мониторинга загрязнения воздуха всегда уделялось и уделяется большое внимание.
Как представляется авторам, именно в пределах городов, как крупных населенных пунктов с числом жителей более 100 тыс. чел., необходимо совершенствовать систему управления качеством воздуха. В частности, в настоящее время такая система должна включать по крайней мере следующие три аспекта:
− непосредственный мониторинг качества воздуха для измерения и характеристики текущих уровней загрязнения воздуха и его динамики для решения ряда последующих задач;
− количественные определения канцерогенных и неканцерогенных рисков здоровью населения как результатов повышений уровня загрязнения воздуха;
− районирование территории города (населенного пункта) с выделением отдельных районов и секторов в соответствии с итогами оценки интенсивности выбросов и источников выделения загрязняющих веществ для разработки потенциальных мер по улучшению качества воздуха.
В этой связи реализация такой трехступенчатой системы управления качеством атмосферного воздуха в пределах крупных городов и населенных пунктов может позволить существенно снизить темп стремительного ухудшения его качества в начале XXI в.
Мониторинг уровня загрязнения воздуха, как первый и основной пункт указанной выше системы управления качеством воздуха, позволяет решать несколько ключевых задач: накопление данных инструментальных наблюдений с созданием специальной базы данных, а также прогнозирование уровня загрязнения воздушного слоя на некоторую перспективу на основе разработанных математических моделей с включенных в них эмпирических параметров.
Так, в пределах территории Ростова-на-Дону, на примере которого удобно рассмотреть принципы совершенствования системы управления качеством атмосферного воздуха как одного из городов-миллионеров юга России, на 2022 г. имеются семь стационарных станций мониторинга, таких как городские («фоновые») – 2, 55, 21; промышленные – 44, 52; автотранспортные станции – 29, 51 (рис. 1).
Рис. 1. Предлагаемое расположение стационарных станций мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в пределах г. Ростова-на-Дону
По-видимому, представленная выше сеть мониторинга уровня загрязнения атмосферного воздуха не является достаточной для города-миллионера с постоянно растущим числом жителей и городских микрорайонов. Кроме того, существенным недостатком указанной выше сети является и тот факт, что взвешенные вещества входят в перечень контролируемых примесей, взвешенные частицы PM2,5 и PM10 в данном перечне отсутствуют. Поэтому, по мнению авторов исследования, в настоящее время рекомендуется добавить к существующим семи стационарным станциям еще как минимум семь станций мониторинга взвешенных частиц, которые необходимо разместить:
− вблизи крупных транспортных магистралей с автомобильными заторами и интенсивным движением (3 станции: 3, 4, 5);
− вблизи промышленных зон в пределах городской среды (2 станции: 6, 7);
− внутри парковых зон (2 фоновые станции: 8 и 9) (рис. 1).
Поскольку в настоящее время на территории Ростова-на-Дону нет станций и постов, осуществляющих наблюдения за концентрацией взвешенных частиц PM2,5 и PM10, в составе которых могут присутствовать различные загрязняющие вещества, токсичные и канцерогенные, для осуществления оценок уровня экологического риска приземного слоя воздуха в пределах города были использованы данные непосредственных наблюдений за наиболее опасными для здоровья населения веществами [9]. Так, на втором этапе предложенной трехступенчатой системы управления качеством атмосферного воздуха была произведена количественная оценка канцерогенных и неканцерогенных рисков здоровью населения как результатов повышений уровня загрязнения воздуха на основе методического документа P 2.1.10.1920-04 «Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду» (утверждено главным государственным санитарным врачом РФ Г.Г. Онищенко 05.03.2004 г.) [10].
В частности, канцерогенный риск (CR) в течение жизни определялся по формуле
CR = ADD ∙ SF, (1)
где SF – фактор канцерогенного потенциала, (мг/(кг ·сутки)) -1;
ADD – средняя суточная доза в течение жизни, мг/(кг ·день);
ADD = [C × cr × ED × EF] / [BW × AT × 365], (2)
где LADD – среднесуточная доза поступления вещества в течение жизни, мг/кг · день,
Ci – концентрация вещества, мг/м3,
cr – скорость поступления среды (воздух), м3/день,
ED – продолжительность воздействия, годы,
EF – частота воздействия, дней/год,
BW – масса тела человека, кг,
AT – период усредненной экспозиции.
Результаты оценки канцерогенного риска по основным веществам, превышающим значения среднесуточных и максимальных разовых ПДК в течение 2015–2022 гг. в пределах Ростова-на-Дону, приведены в табл. 1.
Применяя известную интерпретацию полученных результатов, изложенную в документе [10], можно видеть, что уровень канцерогенного риска здоровью, обусловленный содержанием бензапирена является чрезвычайно опасным, недопустимым (табл. 1), что, конечно, требует разработки соответствующих мероприятий по его снижению [11–13].
В табл. 2 приведены результаты оценки неканцерогенного риска здоровью для веществ, превышающих значения среднесуточных и максимальных разовых ПДК в пределах г. Ростова-на-Дону за 2015–2022 гг. (табл. 2).
Таблица 1
Результаты оценки канцерогенного риска здоровью населения г. Ростова-на-Дону для приоритетных веществ по материалам отчетов Росгидромета за 2015–2022 гг. [4]
|
Вещество |
Ci, мг/м3 |
Add, мг/(кг ·день) |
Sf, (мг/(кг·сутки)) -1 |
Cr |
Уровень опасности |
|
Бензапирен |
1,7 |
0,496 |
7,3 |
3,6176 |
Чрезвычайно опасный, недопустимый риск |
|
Формальдегид |
0,013 |
0,004 |
0,046 |
0,0002 |
Риск, вызывающий беспокойство |
|
Сажа |
0,087 |
0,025 |
0,0156 |
0,0004 |
Риск, вызывающий беспокойство |
Таблица 2
Результаты оценки неканцерогенного риска здоровью населения г. Ростова-на-Дону по материалам отчетов Росгидромета за 2015–2022 гг. [4]
|
Вещество |
Ci, мг/м3 |
Rfc, мг/м3 |
Hq |
Уровень опасности |
|
Оксид углерода |
1,9 |
3,0 |
5,7 |
Опасный риск |
|
Диоксид азота |
0,048 |
0,04 |
0,00192 |
Допустимый, не вызывающий беспокойства |
|
Взвешенные вещества |
0,238 |
0,3 |
0,07140 |
Допустимый, не вызывающий беспокойства |
Рис. 2. Предлагаемое районирование г. Ростова-на-Дону
Неканцерогенный риск количественно оценивался на основе расчета коэффициента опасности (HQ) по формуле
HQ = Ci / RfC, (3)
где Ci – средняя концентрация (для воздушной среды – мг/м3);
RfC – референтная (безопасная) концентрация (для воздушной среды – мг/м3).
В соответствии с документом [10], в результате расчетов неканцерогенного риска здоровью был выявлен опасный уровень неканцерогенного риска здоровью в отношении выявленного в приземном слое воздуха оксида углерода (табл. 2).
На третьем этапе реализации трехступенчатой системы управления качеством атмосферного воздуха проводилось районирование территории г. Ростова-на-Дону с выделением отдельных районов и секторов в соответствии с итогами оценки интенсивности выбросов и источников выделения загрязняющих веществ для разработки потенциальных мер по улучшению качества воздуха по аналогии с произведенным ранее в работах П.В. Климова и др. [1]. Как представляется авторам данного исследования, в основу районирования по критериям качества атмосферного воздуха целесообразно включить следующие параметры:
− для выделения более крупных секторов (районов) следует руководствоваться концентрациями канцерогенных веществ и уровнем канцерогенного риска, включая неканцерогенный;
− для выделения участков секторов (подрайонов) целесообразно учитывать число жителей.
В соответствии с вышеизложенным, в пределах городской территории Ростова-на-Дону удалось выделить следующие районы (рис. 2):
I – с высоким уровнем экологической опасности, характеризуемой наибольшей концентрацией взвешенных веществ и уровнями рисков: Первомайский, Ворошиловский, Ленинский районы г. Ростова-на-Дону.
II – со средним уровнем экологической опасности: Октябрьский, Кировский, Железнодорожный районы.
III – с низким уровнем экологической опасности: Советский и Пролетарский районы.
Внутри районов также были выделены следующие сектора (подрайоны) в соответствии с числом жителей (по приоритетности):
− район I: сектора I.1 – 2-й квартал Орджоникидзе, I.2 – Новое Поселение, I.3 – Северный;
− район II: сектора II.1 – Красный Город-Сад, II.2 – Рабочий городок, III.3 – Богатяновка;
− район III: сектора III.1 – Нахичевань, III.2 – Александровка, III.3 – Левенцовский.
Как представляется, проведенное районирование целесообразно для разработки ряда мероприятий по улучшению качества воздуха непосредственно в районе I и его секторах I.1, I.2, I.3. Из всего перечня имеющихся в настоящее время мер повышения качества приземного слоя воздуха наибольшей эффективностью, особенно для снижения концентрации содержащихся в воздухе взвешенных частиц PM2,5 и PM10, отличаются зеленые насаждения, включая городские леса и лесопарки. Однако при изучении карты города и нормативных документов Министерства природных ресурсов и экологии Ростовской области было отмечено, что в пределах района I зеленые парковые насаждения либо практически отсутствуют, либо наблюдаются в недостаточном количестве; реальная площадь зеленых насаждений города, включая городские леса и лесопарки, составляет около 3,84–4 тыс. га. Хотя в соответствии со «СП. 42.13330.2016. Свод правил. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» площадь озелененных территорий общего пользования, включая городские леса и лесопарки, в Ростове-на-Дону должна составлять не менее 5 тыс. га. В связи с чем выполненное районирование может быть полезным при проведении работ по благоустройству города, включая санацию имеющихся и создание новых городских лесов, включая лесопарковые зоны. Кроме создания внутренних зеленых зон, как представляется, необходимым является санация и создание новых лесных полос вокруг Ростова-на-Дону, чтобы снизить вероятность воздействия на территорию города пылевых частиц, развеивающихся в результате пылевых бурь и суховеев, образующихся в Ростовской области и прилегающих к ней территорий [14, 15].
Заключение
Таким образом, в результате проведенного исследования изучена и оптимизирована существующая система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха; осуществлена количественная оценка канцерогенных и неканцерогенных рисков здоровью населения, обусловленных загрязнением городского воздуха; проведено районирование территории города с выделением отдельных районов и секторов в соответствии с выявленными уровнями экологической опасности. Расчет рисков здоровью человека по таким веществам, как бензапирен, диоксид азота, оксид углерода, формальдегид, взвешенные вещества (пыль), сажа, показал, что по четырем веществам из шести изученных риски превышают допустимую норму, в некоторых случаях представляют большую опасность, как, например, в отношении бензапирена. Существующая сеть мониторинга уровня загрязнения атмосферного воздуха требует модернизации. Как представляется, предложенные дополнения к уже существующей сети позволят получить более полную картину движения и концентрации взвешенных частиц, что представляет теоретическую и практическую ценность для дальнейших исследований, в том числе не только медицинского характера.