В последние десятилетия все больше в городах становится актуальным вопрос уменьшения загрязнения воздуха мелкодисперсными взвешенными частицами РМ2.5/РМ10, содержащимися в атмосферном воздухе, с диаметром менее 2,5 мкм (РМ2.5) и твердыми частицами с диаметром менее 10 мкм (PM10). Эти частицы приносят угрозу здоровью человека, так как проникают в легкие, вызывая ряд заболеваний [1, 2]. Анализ научных работ свидетельствует о негативном влиянии скопления мелкодисперсных частиц фракции PM2.5, повышающих смертность людей и количество сердечно-сосудистых заболеваний [3]. N. Künzli, R. Kaiser, Medina и др. (2016 г.) провели оценку влияния загрязнения атмосферного воздуха (общего) транспортными средствами на здоровье населения в Австрии, Франции и Швейцарии, включая случаи заболеваемости и смертности. Авторы пришли к выводу, что загрязнение воздуха стало причиной 6 % смертельного исхода (более 40 тыс. случаев в год). Около 50 % всей смертности, причиной которой стало загрязнение воздуха, связано с движущимся автотранспортом, на которое приходилось более 25 тыс. новых случаев хронического бронхита (взрослые); 290 тыс. эпизодов бронхита (у детей); 0,5 млн приступов астмы; 16 млн человеко-дней ограниченной деятельности. Загрязнение воздуха, связанное с дорожным движением, остается одной из основных задач общественного здравоохранения в Европе [4]. В Китае на основе спутниковых наблюдений постоянно проводят анализ концентрации PM10 от распределения населения по территориально-пространственному отношению [5].
Нормативы содержания мелкодисперсных частиц в воздухе определены в официальных документах Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Евросоюза [2, 3, 6]. В России стандарты мелкодисперсных фракций PM2.5/PM10 нормируют с 2010 г. Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК) составляет 0,035 мг/м3 (PM2.5) и 0,06 мг/м3 (PM10); максимальная разовая – 0,16 мг/м3 и 0,3 мг/м3; среднегодовая – 0,025 мг/м3 и 0,04 мг/м3 соответственно [1].
Отметим, что до 2016 г. определения концентраций мелкодисперсной пыли носили научно-исследовательский характер [7–9] за исключением организованного автоматизированного мониторинга в Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Казани [10].
В условиях крупного промышленного центра поступление мелкодисперсных частиц в атмосферу большей частью обусловлено антропогенными источниками: выбросами автотранспорта и промышленных предприятий [3]. Частицы РМ2.5 формируются в результате сжигания угля и выброса выхлопных газов, в процессе сгорания топлива и работы дизельных двигателей автотранспортных средств, а также износа дорожного полотна и шин автомобилей. Мелкодисперсные частицы сажи за счет своих малых размеров, определяющих естественное выведение из атмосферы, и сорбционных свойств могут усиливать свою токсичность поглощением вредных веществ из выбросов и переносить на огромные расстояния, угрожая здоровью человека и окружающей среде [1].
Цель исследования – оценка концентрации мелкодисперсной пыли РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе урбанизированных территорий с учетом его влияния на состояние человека. Интерес к изучению влияния насаждений на урбанизированных территориях не теряет актуальности. Для решения вопросов улучшения комфортности и качества жизни горожан результаты исследований могут использоваться как базовые инструменты.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования выбраны участки вдоль автомагистралей с интенсивным движением (ГОСТ 17.2.3.01-86) и парки г. Уфы с учетом натурного обследования. Ассортимент представлен местной флорой и интродуцентами. Кустарниковая растительность состоит из 22 видовых представителей, 12 из которых произрастают на южных территориях Уфы и 15 – на северных. По возрастному показателю доминируют 30–60-летние деревья. Озелененная территория города составляет 38 %. Для изучения содержания мелкодисперсных частиц на промышленных территориях в качестве объекта выбран участок на территории завода Kronospan.
C помощью прибора экологического контроля DT-9881M на различных расстояниях от автотранспортных магистралей измерялось содержание взвешенных твердых частиц с точностью 50 % при 0,3 мкм и 100 % для частиц > 0,45 мкм при базовой точности детектора содержания HCHO и CO ±5 % на уровне 1,3 м от поверхности почвы. Учитывались значения температуры и относительной влажности воздуха. При видеофиксации интенсивности движения автотранспорта учитывались двустороннее движение и все проходящие транспортные средства, от легковых до грузовых автомобилей, автобусов и мотоциклов, при усреднении показателей в течение часа. Методом смыва определяли количество адсорбированной пыли листьями древесных растений. Проведена статистическая обработка полученных результатов.
Результаты исследования и их обсуждение
Концентрация автотранспортных выбросов в мегаполисах достигает 60–90 %, в составе которых преобладают РМ2.5/РМ10 и сажа [11]. В Лондоне проводились исследования по прогнозированию придорожных концентраций PM10/PM2,5, протестировав наиболее эффективные модели, в том числе для их уменьшения. PM2.5 выбросы от автотранспортных средств перемещаются на короткие расстояния и подвергаются гравитационному осаждению [12], где скорость ветра снижается в результате блокирующего эффекта растений [13]. Об этом свидетельствуют полученные результаты исследований: существенное уменьшение содержания РМ2.5/РМ10 в насаждениях, независящее от интенсивности движения автотранспорта.
Несмотря на то, что охват наземными станциями мониторинга воздуха в мире продолжает расти, все еще есть большие части мира, которые не имеют доступа к измерениям качества воздуха в реальном времени. Одним из инструментов для устранения некоторых из этих пробелов может стать AirVisual, который предоставляет некоторые оценочные данные AQI для мест с отсутствием наземных измерений. Оценки AQI рассчитываются на основе спутниковых данных PM2,5. Ежедневный анализ со спутниковых данных по г. Уфе выявляет различные результаты, в зависимости от климатических условий и наличия в атмосферном воздухе загрязняющих веществ (рисунок). К примеру, 30 апреля 2021 г. зафиксирована концентрация 4,1 µg/m³ загрязнителя РМ 2,5 с оценкой индекса 17AQI США Хорошо при погодных условиях: Температура 8 °C, Влажность 49 %, Ветер18 km/h, Давление1022 mb. Прогноз на ближайшую неделю также положителен – индекс AQI Хорошо. Качество воздуха находится удовлетворительным, и загрязнение воздуха незначительное – находится в пределах нормы (согласно нормативам). Оценочные показатели AQI веб-сайта AirVisual в дни проведения измерений на изучаемых участках отвечали данным прибора экологического контроля DT-9881M по общему состоянию загрязнения воздуха в городе. Замеры выявили, что в условиях непрерывных измерений разовые концентрации взвешенных частиц могут достигать уровня 1,5 ПДК. Во время исследований вдоль дорог с интенсивным передвижением транспорта установлена взаимосвязь содержания РМ2.5/РМ10. Достоверность аппроксимации и адекватность зависимости подтверждена подсчитанными величинами коэффициента корреляции. Сила связи прямая, заметная и соответствует 0,601 (R), F (число степеней свободы) равен 12, T (критерий Стьюдента) – 2,607. Данное число степеней свободы соответствует критическому значению T-критерия Стьюдента – 2,179, выражена статистически значимая зависимость признаков (p < 0,05). Коэффициент детерминации R2 равен 0,362 при y = -5,89805 + 0,01534 * x.
Выявлено значительное уменьшение содержания РМ2.5/РМ10 в древостоях, которое не зависит от интенсивности движения автотранспорта на расстоянии 500 м полотна дороги. Об этом свидетельствуют полученные значения: R = 0,352. Наблюдается умеренная теснота связи (по шкале Чеддока) при прямой связи, F = 1,301, T (критическое значение) = 2,179. При статистически незначимой зависимости признаков p > 0,05 (tнабл < tкрит): y = 2,01553 + 0,00194 * x. R2 = 0,124.
Завод Kronospan – одно из крупнейших в мире промышленных предприятий по производству древесных плит находится вплотную к Уфе, рядом с микрорайоном Шакша. На территории измерения по содержанию мелкодисперсных частиц с октябрь по декабрь 2021 г. не выявили отклонений от норм стандарта, вне зависимости от колебаний – в пределах от 2 до 25 мкг/м3 (РМ2.5) и от 3 до 45 мкг/м3 (РМ10). Тесная связь между метеоданными и твердыми частицами не обнаружена ни на территории города, ни на территории завода. Коэффициент корреляции содержания РМ2.5/PM10 от температуры воздуха составил 0,5, а от относительной влажности воздуха – 0,26.
Концентрация мелкодисперсных частиц в зависимости от метеорологических условий
Придерживаясь нормативов качества воздушной среды WHO и стандартов качества воздуха по концентрации мелкодисперсных частиц РМ2.5 состояние воздуха оценивается в пределах 0–35 мкг/м3 как хорошее в насаждениях и относительно среднее (35–75 мкг/м3) или среднезагрязненное (75–150 мкг/м3), высокозагрязненное (150–200 мкг/м3) на участках скопления людей вдоль интенсивного видения автотранспорта.
Большой поток автомобилей, например во время утренних и вечерних пиковых нагрузок, вызывает увеличение накопления антропогенных выбросов твердых частиц от источников движения. Исследования также подтвердили, что обычно 1–2 часа в утренние часы PM 2.5 после часа пик; это представляет собой образование и накопление вторичных загрязнителей в результате фотохимической реакции. Затем дисперсия PM 2.5 была ускорена, а преобразование вторичных загрязнителей было ограничено из-за увеличения солнечной радиации, температуры и толщины пограничного слоя, а также снижения относительной влажности. Таким образом, концентрация PM 2,5 постепенно снижалась в полдень, достигая минимума в течение дня.
Движение сильно нагретого воздуха ускорило распространение РМ2.5/РМ10 в условиях высоких температур. Исследования показали, что в результате низкой температуры поверхности зимой повышение температуры может привести к образованию инверсионного слоя; это уменьшает вертикальный поток воздуха и может увеличить концентрацию РМ2.5/РМ10 у земли. Широко распространена отрицательная корреляция между скоростью ветра и концентрацией РМ2.5/РМ10. Влияние направления ветра на концентрацию PM 2,5 в городе во многом зависит от распределения местных географических условий. На городских дорогах направление ветра параллельно дороге способствовало рассеиванию загрязняющих веществ, в результате чего концентрация загрязняющих веществ на улице была низкой. Направление ветра перпендикулярно улице вызывает накопление загрязняющих веществ на улице из-за препятствий со стороны зданий. Наличие осадков отрицательно коррелирует с концентрацией РМ2.5/РМ10 из-за значительной способности их уменьшать, так как дождь смывает взвешенные в воздухе частицы на землю.
Выявлено снижение запыленности воздуха в летний период на озелененных участках в пределах 30–40 % по сравнению с открытыми и в два-три раза в парковых зонах. В зимние месяцы пылефильтрующий эффект снижается в 1,5–10,0 раз по сравнению с вегетационным периодом. Повышенная абсорбционная способность листовой поверхности выявлена у Acer negundo L. Для проведения исследований в качестве образцов собраны листья по 100 шт. вдоль автомагистрали (условно зона сильного загрязнения) и в насаждениях (зона слабого загрязнения). Масса мелкодисперсной пыли на площади листа клена в соответствующих зонах в среднем 1,5 и 0,3 г/м2. Весовые показатели абсорбированной пыли Ulmus laevis Pall., находящихся вблизи автомагистралей, разнились в пределах 8,2 г/м2 и в насаждениях на расстоянии более 50 м от дороги – 5 г/м2. В зоне сильного загрязнения Betula pendula Roth. и Populus balsamifera L. удерживают листовой поверхностью от 0,4 до 12,0 г/м2, в зоне слабого загрязнения – от 0,9 до 6,0 г/м2 пылевых фракций. Лист Tilia cordata Mill. абсорбирует пылевые частицы в зоне загрязнения в среднем 8,0 г/м2, на расстоянии 50–100 м от интенсивного движения транспорта – 5,0 г/м2. Исследования И.Л. Бухариной и А.А. Двоеглазовой [14] объясняют неспособность удерживать пыль насаждениями вдоль автомагистралей увеличением движения воздуха. В сравнении по показателям пылефильтрующего эффекта листья Betula pendula значительно удерживают пылевые фракции, чем листья Acer negundo, на 13 г/м2 [15].
Наиболее важным вопросом в целях повышения устойчивости лесных экосистем зеленых зон урбанизированных территорий остается определение нормативов по регулированию степени загрязнения воздуха и почвы. Необходимо принимать во внимание накопление химических веществ в основных элементах лесного биогеоценоза при минимальных количествах выбросов в атмосферу. С помощью прибора DT-9881M возможно определить наличие токсичных веществ канцерогенного и тератогенного характера, возникающих в том числе в результате работы топливных двигателей, износа дорожного полотна и шин автомобилей. Содержание их в атмосфере не должно быть выше 0,1 частей на 1 млн. В сравнении с нормативами в закрытых помещениях согласно постановлению департамента Министерства здравоохранения, труда и занятости США (OSHA) концентрация СО не должна превосходить 50 РРМ (0,005 %). В пределах нормы установлен уровень 0–1 PPM. Замеры по содержанию НСНО и СО на всех точках измерения в проведенных исследованиях по г. Уфе дали отрицательные показатели (содержание 0 PPM).
Заключение
В случае отклонения от установленных нормативов существуют некоторые риски для здоровья человека, которые провоцируются в результате наличия загрязнителей в атмосферном воздухе от автотранспорта и промышленных предприятий. В ходе проведённого анализа концентраций мелкодисперсных фракций, НСНО и СО на участках вдоль дорог г. Уфа с движением транспорта свыше 2 тыс. шт/час содержание веществ на участках не превышали предельно допустимых концентраций. Выявлена зависимость содержания взвешенных твердых частиц РМ2.5/РМ10 от интенсивности движения автотранспорта. Примечательно, что тесной связи между количеством автотранспорта и концентрацией мелкодисперсных пылевых частиц в насаждениях не выявлено. Следовательно, древесные посадки служат мощным фильтрующим барьером для загрязнителей вдоль автомагистралей, в том числе вследствие значительного уменьшения содержания РМ2.5/РМ10 в составе атмосферного воздуха.
Рекомендуется уделять пристальное внимание городским древесным видам, как основному фактору улучшения окружающей среды и здоровья жителей. Зеленые насаждения, выполняя санитарно-гигиеническую роль, поглощают пыль и токсичные газы, оказывают дендротерапевтическое влияние на жителей. Они выполняют экологическую, биологическую, эстетическую и оздоровительную функции. С учетом этого нужно предельно приближать древесные насаждения к местам обыденной жизни человека. Проведенные исследования рекомендуются для применения при определении рисков здоровью людей от существенных загрязняющих выбросов автотранспортными средствами в воздушную среду и осуществления независимой оценки согласно принятым нормативам концентраций загрязнителей на урбанизированных территорий.