Метеорологический потенциал самоочищения и качество атмосферного воздуха в Казани в последние десятилетия

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.509.328

Ю.П. Переведенцев, Ю.Г. Хабутдинов

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ САМООЧИЩЕНИЯ

И КАЧЕСТВО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В КАЗАНИ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ

С использованием данных о качестве атмосферного воздуха в г. Казани, содержащихся в Г осударственных докладах о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан, приземных метеорологических наблюдений Метеорологической обсерватории Казанского федерального университета, изучены метеорологические условия накопления (рассеивания) примесей, качество атмосферного воздуха крупного промышленного города Приволжского федерального округа.

Ключевые слова: качество атмосферного воздуха, мониторинг загрязнения атмосферы, концентрация примеси, оценка уровня загрязнения, метеорологический потенциал самоочищения атмосферы, вредные вещества, приземный слой атмосферы.

Проблема качества атмосферного воздуха в крупных промышленных городах является по-прежнему актуальной в связи с обеспечением благоприятных условий проживания населения и сохранением экосистем.

Целью работы является исследование динамики качества атмосферного воздуха в Казани в результате взаимодействия антропогенных и природных факторов.

В качестве исходных данных использованы материалы ежегодных Государственных докладов о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан (1993-2010 гг.), приземные метеорологические наблюдения метеорологической обсерватории Казанского федерального университета (1984-2010 гг.).

Для оценки экологического состояния атмосферы анализируется динамика изменчивости коэффициента самоочищения, разработанная Т.С. Селегей [1].

Коэффициент самоочищения атмосферы (К'м) определяется как отношение повторяемости условий, способствующих накоплению примесей (слабых ветров и туманов) к повторяемости условий, содействующих в свою очередь удалению примесей (сильных ветров и осадков).

Рсл+Ртум

К'м =---------у—,

Рсил + Рос

где Рсл - повторяемость слабого ветра (0-1 м/с); Рсил - повторяемость скорости ветра > 6 м/с; Ртум -повторяемость туманов; Рос - повторяемость осадков > 1 мм.

В предложенной формуле К'м характеризует условия накопления примесей, а не рассеивания. Поэтому коэффициент самоочищения имеет вид:

К'м = .

К' м

Количественная оценка метеорологических условий по критерию К'м :

К'м < 0, 8 - неблагоприятные условия для рассеивания;

0, 8 < К'м < 1,2 - ограниченно благоприятные условия рассеивания;

К'м > 1,2 - благоприятные условия самоочищения атмосферы.

Метеорологический потенциал атмосферы учитывает факторы, способствующие как загрязнению атмосферы, так и ее самоочищению. Чем больше по абсолютной величине метеорологический потенциал самоочищения атмосферы К'м, тем лучше условия для рассеивания примесей в атмосфере. Если К'м больше 1, то повторяемость процессов, способствующих самоочищению атмосферы, преобладает над повторяемостью процессов, содействующих накоплению в ней вредных веществ. Если К'м меньше 1, то преобладают процессы, способствующие накоплению загрязняющих веществ.

За период 1984-2010 гг. для Казани рассчитан метеорологический потенциал самоочищения атмосферы. Изменчивость среднегодовых значений К'м находится в интервале 0,7 - 3,3 (рис. 1). Для аппроксимации полученных данных по методу наименьших квадратов использовано полиномиальное уравнение четвертой степени, коэффициент корреляции оказался высоким R = 0,82 [2].

^м

годы

Рис. 1. Межгодовая изменчивость коэффициента самоочищения

Многолетнее среднее значение К'м = 1,8 указывает на условия, благоприятные для самоочищения атмосферы города. Одновременно следует отметить, что неблагоприятные условия для рассеивания примесей К'м = 0,7 - 0,8 наблюдались в 1984, 1996, 1999, 2010 гг.

При этом наибольший вклад при неблагоприятных условиях самоочищения вносят застойные ситуации, в том числе значительная повторяемость 30 - 40% слабого ветра (0 - 1 м/с).

Условия, благоприятные для самоочищения атмосферы, характеризуются большей повторяемостью осадков 35 - 45%, которые наблюдались в период 1985 - 1995, 2000 - 2007 гг.

Число дней с неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ) для рассеивания примесей за год значительно меняются от 29 (1993 г.) до 151 (1999 г.). Для аппроксимации этих данных по методу наименьших квадратов использовано полиномиальное уравнение четвертой степени, коэффициент корреляции R = 0,85 (рис. 2). В последние три года (2008 - 2010 гг.) число дней с НМУ составляет 101-116, что и определяет высокий уровень загрязнения приземного слоя атмосферы (ИЗА = 11-12).

160 140120100806040200

N

у=0,0099х4 - 0,591х3 + 11,76х2 - 84,928х+236,01 К1 = 0,717

“Г

1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Рис. 2. Число дней (ЭД с неблагоприятными климатическими условиями

Годовой ход коэффициента самоочищения К'м (рис. 3) позволяет выявить сезонные особенности накопления и рассеивания примесей. Благоприятные условия для их рассеивания наблюдаются в январе - марте, мае - июне, октябре - декабре ( К'м = 1,2 - 2,0).

Как известно, наиболее благоприятные метеорологические условия для рассеивания выбросов загрязняющих веществ наблюдаются при активной циклонической деятельности, сопровождающейся высокой повторяемостью выпадения атмосферных осадков и сильными ветрами. Наименьшие значения потенциала самоочищения атмосферы отмечены в апреле, июле - августе (К'м = 0,7-0,9). Неблагоприятные условия для самоочищения атмосферного воздуха отмечаются в антициклонах, где часто развиваются застойные ситуации, определяющие штили, скорости ветра до 1 м/с, туманы [3-7].

В качестве показателя, характеризующего физическое, химическое и другие виды воздействия на окружающую среду, принята концентрация загрязняющего вещества.

Загрязнение воздуха определено по значениям средних и максимальных разовых концентраций примесей. Степень загрязнения оценена путем сравнения фактических концентраций с предельно допустимыми концентрациями (ПДК).

месяцы

Рис. 3. Годовой ход коэффициента самоочищения в Казани

В качестве показателя качества воздуха использован индекс загрязнения атмосферы - ИЗА. Анализ данных об основных (взвешенные вещества, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода) и специфических (формальдегид, бенз(а)пирен) примесях выявляет особенности в изменчивости уровней загрязнения атмосферного воздуха (рис. 4).

годы

Рис. 4. Межгодовая изменчивость уровня загрязнения атмосферного воздуха

Наблюдавшийся в 1986 - 1987 гг. высокий уровень загрязнения (ИЗА - 8-10) сменился в 1988 -1989 гг. на повышенный (ИЗА - 5-6). Начиная с 1995 г. по 1998г. уровень загрязнения характеризовался как низкий (ИЗА - 3-4). В дальнейшем отмечается повышенный уровень загрязнения (ИЗА « 5). В настоящее время уровень загрязнения высокий (ИЗА - 9-13).

В последние годы загрязнение атмосферного воздуха происходит в основном за счет специфических примесей - бенз(а)пирена и формальдегида.

Содержание загрязняющих веществ (средние годовые концентрации, максимальная разовая концентрация) представлены в табл. и на рис. 5.

Средние за год концентрации взвешенных веществ составляют 0,1 мг/м3 (ПДКс.с. 0,15 мг/м3) и лишь в 2010 г. они достигли значения ПДК. Максимальные разовые концентрации превышают ПДК в 2-5 раз (ПДКм.р.=0,5 мг/м3).

Средние за год концентрации диоксида серы низкие 0,001 - 0,003 мг/м3 (ПДКс.с. 0,05 мг/м3). Максимальные разовые концентрации не превышают ПДК (ПДКм.р.=0,5 мг/м3).

Средняя за год концентрация диоксида азота с 1994 г. по 2002 г. не превышала ПДК = 0,04 мг/м3 (0,02 - 0,04 мг/м3), с 2003 г. по настоящее время составляет 0,05 - 0,09 мг/м3, что превышает ПДК на 20 - 100%. Максимальные разовые концентрации превышают ПДК в 10 - 20 раз.

Концентрации загрязняющих веществ

Год Параметры

Взвешенные вещества Оксид углерода Диоксид азота Диоксид серы Бенз(а)пирен Формальдегид

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

1994 0,01 0,6 1 20 0,03 0,002 0,035 0,006 0,021

1995 0,1 1,2 1 21 0,03 1,62 0,002 0,069 0,004 0,159

1996 0,1 0,7 1 22 0,03 0,8 0,003 0,053 0,005 0,88

1997 0,1 1,2 2 24 0,04 0,49 0,002 0,102 0,004 0,152

1998 0,1 1,8 3 18 0,03 1,49 0,002 0,03 0,003 0,098

1999 0,1 0,9 3 41 0,04 0,98 0,001 0,04 0,004 0,05

2000 0,1 1,4 3 27 0,03 0,74 0,001 0,275 1,4 5,5 0,003 0,099

2001 0,1 0,8 4 21 0,03 0,36 0,001 0,059 1,3 3,7 0,004 0,05

2002 0,1 1,1 3 16 0,02 0,39 0,001 0,032 2,3 9,4 0,006 0,164

2003 0,1 1,2 4 65 0,05 0,59 0,002 0,037 2,9 6,1 0,009 0,072

2004 0,06 1,3 3 42 0,05 0,48 0,001 0,11 2,6 4,0 0,006 0,036

2005 0,08 1,0 2 15 0,08 0,78 0,001 0,011 2,1 3,5 0,011 0,172

2006 0,1 2,4 2 22 0,06 0,9 0,001 0,03 2,8 3,0 0,012 0,105

2007 0,1 0,1 2 22 0,08 0,97 0,001 0,011 2,7 0,006 0,299

2008 0,1 2,2 2 22 0,08 0,99 0,003 0,6 2,1 2,9 0,008 0,569

2009 0,1 1,7 0,8 24 0,09 1,06 0,001 0,02 2,3 0,007 0,95

2010 0,15 1,8 0,9 28 0,08 1,10 0,001 0,02 2,4 0,009 0,457

Примечание/ 1 - средняя годовая концентрация; 2 - максимальная разовая концентрация; концентрация БП, в единицах ПДК.

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Я

Ч

О

а

о

Ч

и

ч

8

и

&

О

] Взвешенные вещества

Диоксид азота

] Диоксид серы

- Оксид углерода годы

Рис. 5. Максимальные разовые концентрации

Средняя за год концентрация оксида углерода в основном ниже ПДК и равна 1 - 3 мг/м3, лишь дважды в 2001г. и 2003г. превышала ПДК (4 мг/м3). Максимальные разовые концентрации превышают ПДК в 3 - 8 раз.

Средняя за год концентрация формальдегида превышает ПДК (0,003 мг/м3) и составляет 0,004 -

0,009 мг/м3. Максимальные разовые концентрации превышают ПДК в 3 - 10 раз.

Средняя за год концентрация бенз(а)пирена находится в пределах 1,3 - 2,9 мг/м3. Максимальные разовые концентрации превышают ПДК в 3 - 9 раз.

В последние годы химическая активность атмосферы увеличилась. В результате этого фактора снижаются концентрации первичных веществ и возрастают концентрации диоксида азота, формальдегида, бенз(а)пирена, которые являются вторичными продуктами химических реакций.

Вклад бенз(а)пирена и формальдегида в ИЗА составляет 70%, что указывает на преобладающее влияние выбросов автотранспорта на формирование уровня загрязнения атмосферного воздуха.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников и автомобильного транспорта изменялись от максимума 191,2 тыс. т/год в 1988 г. до минимума 68,3 тыс. т/год в 1998 г., и начиная с 1999 г. увеличивались до 136,5 тыс. т/год в 2009 г. (рис. 6). Уменьшение выбросов до 93,7 тыс. т/год в 2010 г. связано с изменением методики оценки выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников, учитывающих деление автомобилей на экологические классы.

1101009080-= 70-

£ 60-^ 502 40-

3020100-

Соотношение выбросов от промышленных источников и автотранспорта имеет выраженную динамику, связанную с увеличением в городе автотранспорта физических лиц.

Выбросы примесей по сравнению с 1988 г. от стационарных источников уменьшились к 2010 г. более чем в три раза - с 90,8 тыс. т в год до 28,7 тыс. т в год.

В 1989 - 1993 гг. выбросы автотранспорта и промышленности сопоставимы - 50% от общего объема (80 - 60 тыс. т в год).

Выбросы от автотранспорта, начиная с 1994 г., динамично возрастали в основном за счет автотранспорта физических лиц и достигли в 2009 г. 83,3 тыс. т в год.

Качество атмосферного воздуха определяется естественными (метеорологическим потенциалом самоочищения атмосферы) и антропогенными (вредными веществами, поступающими от стационарных источников и автотранспорта) факторами.

Получена корреляционная связь между качеством атмосферного воздуха и природными, антропогенными факторами с использованием метода наименьших квадратов [1; 8; 9]. Оценка связи осуществлена по коэффициенту корреляции Я., теснота связи определена по шкале Чеддока.

Уравнение множественной линейной регрессии для расчета качества атмосферного воздуха:

ИЗА = 0,81 К'м - 0,14 П + 0,13 А + 2,92,

где ИЗА - индекс загрязнения атмосферы;

К'м - метеорологический потенциал самоочищения атмосферы;

П - выбросы от стационарных источников;

А - выбросы автотранспорта.

Коэффициент корреляции Я = 0,875. Связь корреляционная - ИЗА зависит от указанных переменных на 77%. Теснота связи по шкале Чеддока - высокая.

Выводы

1. Метеорологический потенциал самоочищения атмосферы в среднем определяет благоприятные условия рассеивания вредных веществ в городе (К'м = 1,8).

Атмосферные процессы периода 2007-2010 гг. создают ограниченно благоприятные условия рассеивания примесей (К'м = 1,2 - 0,8) вследствие увеличения повторяемости штилей и слабого ветра - 28 - 32%.

I

Ш

І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І I

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Промышленность  Автотранспорт

Рис. 6. Выбросы от промышленных источников и автотранспорта

годы

2. Метеорологический потенциал самоочищения атмосферы имеет выраженный годовой ход условий, определяющих накопление и рассеивание примесей, с минимумом в июле К'м = 0,7, что определяется максимальной повторяемостью скорости ветра 0-1 м/с - 38%.

3. Качество атмосферного воздуха по индексу загрязнения атмосферы характеризуется начиная с 2002 г. как высокое (ИЗА = 8,9 - 11,8). Вклад бенз(а)пирена и формальдегида в ИЗА составляет 70%, что указывает на преобладание выбросов автотранспорта.

В динамике выбросов загрязняющих веществ в городском воздухе возрастает доля выбросов от автотранспорта физических лиц.

4. Решение проблемы качества атмосферного воздуха города состоит в оптимизации организации движения автотранспорта, повышении качества топлива и работы двигателей.

Полученное уравнение регрессии для расчета качества атмосферного воздуха также указывает на существенное влияние на уровень загрязнения выбросов автотранспорта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Селегей Т.С. Метеорологический потенциал самоочищения атмосферы Сибирского экономического района // Тр. Зап. Сиб. НИИ. 1989. Вып. 86. С. 84-89.

2. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Изд-во Юрайт, 2011. 479 с.

3. Переведенцев Ю.П., Шлычков А.П., Хабутдинов Ю.Г. Загрязнение атмосферы в городах Татарии // Метеорология и гидрология. 1996. № 9. С. 52-57.

4. Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М., Николаев А.А. Учение об атмосфере. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2010. 244с.

5. Шлычков А.П., Хабутдинов Ю.Г. Анализ самоочищения атмосферы в различных синоптических ситуациях // Вопросы прогноза погоды, климата, циркуляции и охраны атмосферы: межвуз. сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2003. С. 90-95.

6. Шлычков А.П., Хабутдинов Ю.Г. Изменчивость потенциала загрязнения атмосферы во времени и пространстве на территории Республики Татарстан // Уч. записки Казан. гос. ун-та. 2006. Т. 148, кн. 1. С. 6-11.

7. Шлычков А.П., Хабутдинов Ю.Г. Комплексная оценка рассеивающей способности атмосферы на территории Республики Татарстан // Мониторинг. 1996. Т. 1. С. 38-40.

8. Корреляционно-регрессионный анализ. URL: http://www.grandars.ru

9. Множественный коэффициент корреляции. URL: http://www.statsoft.ru

Поступила в редакцию 16.04.12

Yu.P. Perevedentsev, Yu. G. Khabutdinov

Meteorological potential of natural self-purification and air quality in Kazan in last decades

Using the data on air quality in the city of Kazan, contained in the State reports on the state of natural resources and environmental protection of the Republic of Tatarstan, as well as the data of the surface meteorological observations of Meteorological Observatory of the Kazan Federal University, there were studied the meteorological conditions of accumulation (dispersion) of impurities and the air quality in the large-scale industrial city of the Volga Federal District.

Keywords: air quality, monitoring of air pollution, the concentration of impurity, pollution assessment, the meteorological potential for self-purification of the atmosphere of harmful substances, the surface layer of the atmosphere.

Переведенцев Юрий Петрович, доктор географических наук, профессор Е-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru

Xабутдинов Юрий Г айнетдинович, кандидат географических наук, доцент E-mail: Khabutdinov@ksu.ru

Kазанский (Приволжский) федеральный университет 420008, Россия, г. ^зань, ул. ^емлевская, iS

Perevedentsev Yu.P.,

doctor of geography, professor

E-mail: Yuri.Perevedentsev@ksu.ru

Khabutdinov Yu.G.,

candidate of geography, associate professor E-mail: Khabutdinov@ksu.ru

Kazan (Volga) Federal University 420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18.