Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,002

Введение

Загрязнение воздуха в городах является серьезной экологической проблемой, которая обостряется год от года, несмотря на принимаемые усилия по очистке выбросов, образующихся при сжигании различного типа топлив, функционировании промышленных предприятий. По данным, опубликованным в Ежегоднике «Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2022 г.» в 205 городах с общей численностью населения 71,3 млн чел. среднегодовая концентрация одного или нескольких загрязняющих веществ в воздухе кратно превышает безопасный уровень; в 129 городах уровень загрязнения воздуха комплексом загрязняющих веществ характеризуется как высокий и очень высокий. Хорошо известна прямая связь между качеством объектов окружающей среды и ростом сердечно-сосудистых, респираторных, онкологических, кожных заболеваний. Социальные потери из-за загрязнения воздуха в России достигают 100–140 тыс. преждевременных смертей в год, а экономический ущерб – от 1,9 до 4,9 % от валового внутреннего продукта [1–3]. Проблему усугубляет рост городского населения и, как следствие, изменения в землепользовании, что приводит к слиянию промышленных и селитебных зон [4].

Для снижения количества выбросов вредных веществ, негативно воздействующих на окружающую среду и человека, в России разработан Федеральный проект «Чистый воздух» (2021 г.). Для повышения эффективности контроля качества атмосферного воздуха применяют автоматизированные системы экологического мониторинга, которые осуществляют сбор информации и передачу ее на сервер. Наиболее часто производится мониторинг следующих параметров: оксид и диоксид азота (NO и NO2), оксид углерода (СО), диоксид серы (SO2), аммиак (NH3), сероводород (H2S), формальдегид (СН2О), озон (О3) и аэрозольные частицы (РМ10, РМ2,5).

Приоритетом при выборе мест размещения передвижных и стационарных постов экологического мониторинга являются густонаселенные районы с неблагоприятной экологической обстановкой. Количество стационарных станций в городах должно зависеть от численности населения (от 1 до 16 постов). Отбор проб на них проводится ежедневно 3–4 раза в сутки с их последующим анализом в аккредитованных лабораториях. Многими авторами отмечается, что для надежной оценки качества воздуха количество этих постов недостаточно во многих городах РФ (за исключением Москвы, Санкт-Петербурга и нескольких других, участвующих в проекте «Чистый воздух») [5; 6]. Например, на территории промышленного города-миллионника Воронежа расположено всего 5 постов наблюдения за атмосферным воздухом (один – вблизи крупной магистрали, четыре – рядом с промышленными предприятиями в густонаселенных районах) [7].

Все большее распространение получают методы контроля атмосферного воздуха в населенных пунктах на основе спутниковых данных. Специалисты КБ «Стрелка» (г. Москва) в 2018 г. разработали систему для определения интегрального индекса загрязнения атмосферы TAQI (Tropomi Air Quality Indeх), которая является аналогом известных западных систем мониторинга. С помощью этих систем возможно выявлять очаги загрязнения атмосферного воздуха и определять концентрации некоторых приоритетных загрязнителей воздуха городов (СО, О3, РМ и др.). Надо отметить, что точность определения концентраций веществ по спутниковым данным пока оставляет желать лучшего, она зависит от метеоусловий и на разных сайтах может отличаться в одно и то же время в десятки раз [8; 9]. Кроме того, такой подход не позволяет учитывать специфику выбросов различных промышленных предприятий.

Отдельную нишу экологического мониторинга атмосферного воздуха в населенных пунктах занимает производственный контроль. Территориальные органы Росприроднадзора и Росгидромета определяют перечень объектов мониторинга атмосферного воздуха, на которых необходимо осуществлять обязательный контроль уровня загрязнения объектов окружающей среды. Предметом наблюдения при этом могут быть стационарные и передвижные источники загрязнения атмосферного воздуха, приземного атмосферного слоя промышленных площадок, рабочих зон, воздуха на границе санитарно-защитных зон (СЗЗ). Параметры исследования различаются для каждого предприятия и зависят от специфики технологических процессов и фоновых показателей. Контроль основных загрязнителей на территории предприятий и на границе СЗЗ дает представление о реальном вкладе промышленного предприятия в загрязнение воздуха города, позволяет более точно оценить риски для населения, проживающего вблизи источников выбросов [10; 11, с. 9–10].

На качество воздуха городов большое влияние оказывают метеорологические условия. Хорошо известно их влияние на содержание и распространение приоритетных загрязнителей атмосферы городов (в основном оксидов, пыли) [7]. При этом флуктуации концентраций в воздухе специфических для отдельных предприятий загрязнителей изучены мало. Установление связи между динамикой загрязнения воздуха и изменением метеопараметров (скорость ветра, температура и влажность воздуха) позволяет прогнозировать экологическую ситуацию на границе санитарно-защитных зон и принимать своевременные решения для снижения выбросов токсикантов при неблагоприятных метеорологических условиях.

Цель работы – изучение качества воздуха, взаимосвязи между концентрациями специфических загрязнителей воздуха и метеорологическими условиями на границе санитарно-защитной зоны химически опасного предприятия I класса опасности, расположенного в густонаселенном районе г. Воронежа.

Материалы и методы исследования

Объект исследования – загрязнение атмосферного воздуха на границе СЗЗ акционерного общества «Воронежсинтезкаучук», расположенного в Левобережном районе г. Воронеж (рис. 1).

Для исследования загрязнения атмосферного воздуха на границе СЗЗ предприятия анализировали результаты контроля специфических загрязнителей в 2023 и 2024 гг. Для исследования влияния метеорологических условий на степень загрязнения атмосферы использовали архивные данные сайтов MeteoCast и Meteoblue.

Результаты исследования и их обсуждение

Город Воронеж располагается в пределах динамически активной структуры Кривоборского прогиба шириной ~30 км на границе Среднерусской возвышенности и Окско-Донской равнины, что и определяет его рельеф. Окско-Донская равнина опускается со скоростью 5,5 мм в год, а Среднерусская возвышенность поднимается. Такое движение является причиной микросейсмических колебаний, на которые влияет наличие Воронежского водохранилища, разделяющего город, и развитая городская инфраструктура. Правый берег города находится на холмистом плато с абсолютными отметками от 100 до 160 м, а левый – в пониженной плоскоравнинной местности, которая постепенно переходит в речную террасу.

Левобережный район занимает юго-восточную часть города, в его составе находятся крупный микрорайон ВАИ, а также части районов Алексеевка, Песчанка, Красный Октябрь, с. Никольское, с. Таврово, п. Масловка. Количество населения по данным Управы Левобережного района на 2024 г. составляет 184,6 тыс. чел.

Левобережный район признан самым неблагоприятным по суммарному объему промышленных выбросов, на его долю приходится 36 % общего объема выбросов заводов и фабрик города [12, с. 16]. В выбросах АО «Воронежсинтезкаучук», достигающих более 700 т в год, содержатся токсичные органические вещества, в том числе I и II класса опасности [7].

Рис. 1. АО «Воронежсинтезкаучук» в структуре г. Воронежа и расположение пункта экологического мониторинга в соответствии со среднегодовой розой ветров на границе санитарно-защитной зоны предприятия Источник: составлено авторами на основе данных поисково-информационной картографической службы Яндекса ([Электронный ресурс]. URL: https://yandex.ru/maps/193/voronezh/ (дата обращения: 05.09.2025)

Таблица 1

Некоторые характеристики основных загрязнителей воздуха на границе санитарно-защитной зоны АО «Воронежсинтезкаучук» [13; 14]

Примечание. * ПДКсс не указаны в [13], значения рассчитаны по формуле ПДКсс = ПДКмр0,6·ПДКсг0,4 [15].

Согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов», промышленные площадки АО относятся к предприятиям I класса опасности с ориентировочным размером санитарно-защитной зоны, равным 1000 м. Нормируемые объекты (в основном жилые дома малой и средней этажности) расположены от контура СЗЗ на расстоянии от 65 м (рис. 1, желтая зона).

Для исследования загрязнения атмосферного воздуха на границе СЗЗ предприятия анализировали результаты контроля специфических загрязнителей в 2023 и 2024 гг., выполненного на пункте наблюдения, который расположен на северо-восточной границе контура в соответствии с преобладающими направлениями ветра в течение года (рис. 1, роза ветров). Пробы на пункте наблюдения отбираются 2–4 раза в течение дня на высоте 2 и 4 м, а затем анализируются в независимой аккредитованной лаборатории. Некоторые результаты ежедневных исследований качества атмосферного воздуха есть в открытом доступе на официальном сайте предприятия. К веществам, подлежащим обязательному контролю на границе СЗЗ предприятия, относятся бутадиен, стирол, толуол, циклогексан, аммиак, диоксид азота, оксид углерода, твердые частицы (РМ), бутилен, формальдегид (ФА) и этилмеркаптан. Для расчета интегрального показателя загрязнения атмосферы из этого перечня брали только те вещества, концентрации которых имеют высокую повторяемость превышения установленных для населенных пунктов нормативов (Р ≥ 20 %). Предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе городских и сельских поселений (среднесуточные ПДКсс), классы опасности, средняя за 2 года кратность превышения среднесуточных фактических Сi предельно допустимых концентраций и воздействие на организм человека загрязнителей представлены в табл. 1.

Для оценки степени опасности загрязнения атмосферы рассчитывали интегральный показатель Qn (для n = 6 загрязняющих веществ), который учитывает концентрации вредных веществ в воздухе и степень их воздействия на организм человека [16, с. 6]:

(1)

где Коi – коэффициент опасности i-го загрязнителя; ki – коэффициент изоэффективности, зависящий от класса опасности i-го вещества (для I класса k = 2,0; II – 1,5: III – 1,0; IV – 0,8). В отличие от распространенного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА), учитывающего вклад пяти загрязнителей, этот показатель позволяет оценивать комплексное загрязнение воздуха для различного количества веществ (от 2 до 20 и более). Для шести загрязняющих веществ шкала степени опасности загрязнения атмосферы включает ранги: I) Q ≤ 1,9 – допустимое загрязнение атмосферы; II) 2,0 ≤ Q ≤ 3,0 – слабое; III) 3,1 ≤ Q ≤ 6,0 – умеренное; IV) 6,1 ≤ Q ≤ 12,0 – сильное; V) Q ≥ 12,1 – опасное.

Для исследования влияния метеорологических условий на степень загрязнения атмосферы использовали архивные данные сайтов MeteoCast и Meteoblue. Среднемесячная повторяемость направления ветра в г. Воронеже показана на рис. 2. Преобладающее направление – юго-западное (реже западное), что на данном этапе работы позволило исследовать показания загрязнения атмосферы одного пункта наблюдения, расположенного с подветренной стороны предприятия (рис. 1). Минимальная за два исследуемых года скорость ветра составляла 0,34 м/с (февраль); максимальная – 10,66 м/с (ноябрь); среднее значение – 4,22 м/c. В холодный период (ноябрь – февраль) скорость ветра достигает 8 м/с и более.

Рис. 2. Роза ветров в г. Воронеже. Источник: составлено авторами по данным сайтов MeteoCast и Meteoblue

Рис. 3. Изменение скорости ветра (м/с) в г. Воронеже Источник: составлено авторами по данным сайтов MeteoCast и Meteoblue

В теплые месяцы (май – сентябрь) она не превышает 6,7 м/с. Дни со штилем, когда пониженный турбулентный обмен снижает рассеивание низких выбросов и увеличивает поступление в приземный слой высоких выбросов, наблюдается в летний период. Однако это явление может наблюдаться и зимой, когда при ослаблении ветра до штиля происходит подъем перегретых выбросов от отдельных высоких источников в верхние слои атмосферы, где они рассеиваются. Если при этих условиях наблюдается инверсия, которая образует «потолок», препятствующий подъему выбросов, то концентрация загрязняющих веществ в приземном слое возрастает [17]. Изменение скорости ветра за исследуемый период представлено на рис. 3.

Воронеж расположен в зоне умеренного климата. Зима умеренно морозная, имеется устойчивый снежный покров, который в последние годы образуется в начале или середине декабря. Зимой часто бывают оттепели, которые могут сопровождаться дождем (особенно в декабре). В то же время бывают и заморозки с температурами ниже –20 °С, которые длятся неделю и более. Весна начинается во второй половине марта, в апреле температура может достигать +20 °С (как это было в наблюдаемый период), но в любой день может похолодать и пойти снег. Заморозки могут быть и в мае, но к концу месяца устанавливается теплая летняя погода, когда столбики термометров поднимаются до +30 °С. Летние месяцы, а последнее время и начало сентября, теплые и жаркие. Самые высокие температуры фиксируются в июле и августе (30–35 °С и выше), в сентябре температура воздуха также может достигать 25–30 °С. Надо отметить, что по данным сайта Gismeteo.ru, 2024 г. в Воронеже стал вторым самым теплым годом в истории метеонаблюдений (средняя температура составила +9,2 °С).

Рис. 4. Температурный режим (°С) в г. Воронеже Источник: составлено авторами по данным сайтов MeteoCast и Meteoblue

Погода может быть и дождливой, и засушливой, что обусловлено формированием антициклона. Воронежа могут достигать жаркие воздушные массы из Казахстана и Северной Африки. В этом случае дневная температура может быть более +35°С. Температурный режим и количество осадков в городе за наблюдаемый период показаны на рис. 4 и 5.

Для оценки тесноты и направленности корреляционной связи между двумя признаками (концентрацией загрязнителя и метеопараметром) рассчитывали коэффициент ранговой корреляции Спирмена Rs:

(2)

где dj – разность между двумя рангами каждого наблюдения; m – количество наблюдений.

Статистическая значимость Rs оценивается по t-критерию Стьюдента. При уровне значимости р = 0,05 и количеству измерений в выборке m = 104 (~ каждый 7-й день в году) критическое значение коэффициента составляет 1,96. При использовании коэффициента ранговой корреляции условно оценивали силу связи между признаками, считая значения Rs ≥ 0,39 показателями слабой тесноты связи; 0,50 < Rs< 0,80 – средней; Rs ≥ 0,80 – высокой.

На первом этапе рассчитывали степень опасности загрязнения атмосферы Qn по шести приоритетным загрязнителям (1). Динамика степени опасности загрязнения атмосферного воздуха в пункте наблюдения на границе СЗЗ приведена на рис. 6.

Опасное загрязнение атмосферы за 2 года наблюдений не выявлено; на долю сильной степени загрязнения (ранг IV) приходится 23 % случаев. Допустимый уровень загрязнения (ранг I) зафиксирован в 8 случаях из 104; минимальная степень загрязнения Qn = 1,4 (ноябрь, 2023 г.); максимальная Qn = 6,6 (июнь, 2024 г.). Наиболее часто повторяющиеся значения степени опасности загрязнения воздуха принадлежат интервалу 3,48–5,55, что соответствует умеренному уровню загрязнения воздуха (ранг III). Функция распределения Qn представлена на рис. 7.

Рассчитанные интегральные критерии оценки качества воздуха Qn мало зависят от метеорологических условий, однако вклад индивидуальных загрязнителей в этот показатель подвержен значительным колебаниям в зависимости от сезона. Для учета вклада индивидуальных загрязняющих веществ в суммарный показатель и визуализации качества воздуха предложено использовать лепестковые диаграммы. На них по радиальным осям откладываются коэффициенты опасности загрязнителей (Коi)1/2, а площадь самой диаграммы пропорциональна Qn (1). В качестве примера на рис. 8 показано изменение качества воздуха, усредненное для различных месяцев года.

Из диаграмм следует, что суммарное загрязнение воздуха в летний месяц выше, чем в зимний. При этом значительно увеличивается вклад бутадиена и формальдегида; в меньшей степени – стирола, толуола, твердых частиц. Вклад оксида углерода в суммарный показатель качества воздуха в теплый месяц года снижается, что согласуется с известными данными [2; 7]. Вклад бутадиена в загрязнение воздуха на границе СЗЗ АО «Воронежсинтезкаучук» во все периоды года является наибольшим по сравнению с другими исследуемыми веществами.

Для определения влияния различных метеопараметров на поведение индивидуальных загрязнителей в воздухе рассчитывали коэффициенты корреляции Спирмена (2) между усредненными по дням концентрациями приоритетных загрязнителей и усредненными по дням параметрами, указанными на рис. 3–5. Результаты расчетов в табл. 2.

Рис. 5. Относительная влажность (% относит.) в г. Воронеже Источник: составлено авторами по данным сайтов MeteoCast и Meteoblue

Рис. 6. Динамика степени опасности загрязнения атмосферного воздуха Источник: составлено авторами на основании проведенных расчетов

Рис. 7. Распределение степени опасности загрязнения атмосферного воздуха Источник: составлено авторами на основании проведенных расчетов

Рис. 8. Визуализация степени опасности загрязнения воздуха и вклада индивидуальных загрязнителей Источник: составлено авторами на основании проведенных расчетов

Таблица 2

Теснота и направленность связи между концентрациями приоритетных загрязнителей воздуха и метеопараметрами (m = 104, р = 0,05)

Источник: составлено авторами на основании проведенных расчетов.

Значимой тесноты связи между содержанием загрязнителей воздуха и скоростью ветра не установлено. Это объясняется изменчивостью скорости воздуха в течение коротких промежутков времени и тем, что для расчетов использовали не одновременно измеренные сравниваемые параметры, а их усредненные за сутки значения. Однако наблюдается устойчивый тренд отрицательных значений Rs, то есть с увеличением скорости ветра концентрации всех компонентов уменьшаются.

Менее подвержена колебаниям среднесуточная температура воздуха. Слабая положительная теснота связи установлена между температурой и концентрациями стирола и формальдегида; связь средней силы – бутадиена. Отрицательная значимая сила связи характерна для оксида углерода и твердых частиц, что объясняется интенсивным выбросом этих компонентов в холодный период в связи с отопительным сезоном в городе и ростом фонового загрязнения воздуха.

Повышение влажности воздуха приводит, как правило, к повышению загрязнения воздуха индивидуальными веществами (для бутадиена, формальдегида Rs > 0,39). Влажность воздуха удерживает загрязнители вблизи земли, не давая им рассеяться в атмосфере. Это приводит к увеличению загрязнения приземного атмосферного слоя воздуха. При этом для оксида углерода и твердых частиц характерны обратные зависимости, что связано с сезонными колебаниями концентраций, описанными выше.

Заключение

Установлены приоритетные загрязнители атмосферного воздуха на границе СЗЗ предприятия I класса опасности, повторяемость превышения ПДК которых за 2 года наблюдений составила > 20 %. К ним относятся бутадиен, стирол, толуол, оксид углерода, РМ, формальдегид. Рассчитана степень опасности загрязнения воздуха как сумма коэффициентов опасности приоритетных загрязнителей. На долю сильной степени загрязнения воздуха приходится 23 % случаев; в основном качество воздуха на границе СЗЗ с подветренной стороны предприятия характеризуется как умеренное.

Отмечается, что в теплые месяцы года качество воздуха хуже, чем в холодные, несмотря на снижение концентраций основных загрязнителей – СО и РМ. Предложена визуализация качества воздуха в виде лепестковых диаграмм, отражающих вклад в интегральный показатель индивидуальных загрязнителей с учетом классов их опасности. Установлено, что в холодный период растут концентрации СО и РМ, а в теплый – выше концентрации бутадиена, стирола и формальдегида.

Подтверждено влияние метеопараметров на концентрацию загрязнителей в приземном слое атмосферы. Установлены значимые положительные ранговые коэффициенты корреляции между температурой и концентрациями бутадиена, стирола, формальдегида; отрицательные – твердыми частицами и СО. Между влажностью воздуха и концентрациями бутадиена и формальдегида установлены положительные корреляционные зависимости слабой силы.