Доповідь Багаторічна динаміка середньорічних рівнів забруднення атмосфери м. Києва

« Назад

Для дослідження динаміки забруднення атмосферного повітря нами були обрані середньорічні концентрації основних забруднювальних речовин: пилу, окису вуглецю, окисів азоту, двоокису сірки (саме цей набір був затверджений ВООЗ, як стандартний, для характеристики рівнів забруднення повітря); специфічних домішок: розчинних сульфатів, сірководню, фенолу, фтористого водню, хлористого водню, аміаку, формальдегіду, БП та ВМ.

Для основних та специфічних домішок для дослідження був обраний період 1985−2006 рр. (за виключенням деяких речовин, для яких через відсутність інформації були взяті коротші вибірки даних). Динаміка зміни середньорічних концентрацій більшості ВМ досліджувалася за період 1990−2006 рр., заліза − 1993−2006 рр.

Ворончук М.М., Щепець О.І. та Гавриленко Л.І., аналізуючи середньорічні концентрації забруднювальних речовин, в багаторічній динаміці домішок виділили дві складові − детермінований тренд, що характеризує плавні зміни рівнів і випадкові невпорядковані відхилення цих рівнів від тренду. В зазначено, що детерміновані тренди зумовлені антропогенними змінами обсягів викидів, а випадкові відхилення від них − впливом метеорологічних чинників, що визначають перенесення та розсіяння домішок в атмосфері.

Окис вуглецю на сьогодні є найбільш поширеною домішкою в атмосферному повітрі. За даними Владімірова А.М. щорічний об’єм викидів окису вуглецю сягає близько 380 Мт, з яких понад 70% припадає на спалювання бензину. В Києві за період 1992−2006 рр. середньорічні концентрації окису вуглецю не змінювалися.

Двоокис сірки є другою за масою забруднювальною домішкою, присутньою у складі атмосферного повітря. За приблизними оцінками, в тропосферу щорічно надходить близько 150 Мт SO₂, з них 70% утворюються при спалюванні вугілля і 16% − рідкого палива.

Забруднення атмосферного повітря міста двоокисом сірки за 1985−2006 рр. характеризується тенденцією до зниження (рис. 1). На тлі загальної тенденції чітко виділяються два періоди зростання, з максимумами в 1994 (0,035 мг/м³) та 2003 (0,019 мг/м³) рр. Максимальне значення спостерігалося на початку досліджуваного періоду (в 1985 р.) і становило 0,04 мг/м³, мінімальне − в 2006 р. – 0,009 мг/м³.

Рис. 1 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва двоокисом сірки в 1985−2006 рр.

У деяких містах Європи й Америки запиленість повітря за останнє десятиліття зросла більш, ніж на 30%. Кількість пилу, що в них випадає (за осередненими даними багаторічних вимірювань), може сягати більш 600 т на квадратний кілометр площі за рік, а середньодобова концентрація пилу в 1 м³ атмосферного повітря великих міст часто перевершує значення ГДК. В Києві за період 1988−2006 рр. середньорічні концентрації пилу лишалися без змін.

Щорічне надходження окисів азоту в атмосферне повітря в результаті людської діяльності оцінюється в 15–20 Мт. Одним з найпотужніших джерел викидів NO_х в атмосферне повітря є автомобільний транспорт. Окиси азоту утворюються під час згорання палива у двигуні, коли кисень реагує з азотом за високих температур згорання.

У викидах  95−98% припадає на , який, потрапляючи в атмосферу, окислюється до . Окиси азоту також беруть участь у вторинному забрудненні (спричинюють фотохімічний смог, руйнацію озонового шару), разом з окисами сірки призводять до кислотних дощів.

Як видно з рис. 2, зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря міста двоокисом азоту характеризується тенденцією до зростання.

Рис. 2 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва двоокисом азоту в 1985−2006 рр.

Протягом 1985−2006 рр. виділяється кілька періодів зростання та зменшення середньорічних концентрацій. Найзначнішим є зростання, що розпочалося в 2002 р. і тривало до 2006 р. (і швидше за все триватиме і в найближчі роки). Мінімальне значення протягом досліджуваного періоду було зафіксоване на рівні 0,050 мг/м³ (1985, 1989 та 2001 рр.), максимальне − 0,110 мг/м³ (2006 р.). Зазначимо також, що ГДК для двоокису азоту становить 0,040 мг/м³, тобто протягом останніх 22 років середньорічні концентрації перевищували ГДК.

В 2006 р. таке перевищення було у 2,75 рази. Зміна середньорічних концентрацій окису азоту протягом досліджуваного періоду характеризується складною динамікою (рис. 3): виділяються періоди стрімкого зниження концентрацій забруднювальної домішки (з 1986 до 1989 рр. − втричі) та зростання (1989−1992 рр., 2001−2003 рр. − в 2,5 рази).

У 1993−1998 рр. концентрації характеризувалися стабільністю. Максимального значення (0,060 мг/м³) середньорічні концентрації окису азоту сягнули в 1986 та 2005 рр. Мінімальні концентрації (0,020 мг/м³) зафіксовані в 1989 та 2001 рр.

Рис. 3 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва окисом азоту в 1985−2006 рр.

Нами також були проаналізовані зміни середньорічних рівнів забруднення повітря м. Києва наступними специфічними забруднювальними домішками: сірководнем, фенолом, аміаком, хлористим воднем, формальдегідом та БП.

Бензо(а)пірен надходить в атмосферне повітря від стаціонарних (промислові підприємства, ТЕЦ, опалювальні системи різної величини), та пересувних (транспорт) джерел. Процес горіння майже всіх видів палива призводить до вивільнення бензо(а)пірену в повітря, отже, джерелами надходження цієї речовини в атмосферу є практично всі виробництва, в процес яких входить горіння. Групою вчених на чолі з Ізраелем Ю.А. була досліджена антропогенна емісія бензо(а)пірену на території Радянського Союзу і зазначено, що в її структурі 69% припадає на промисловість, 3% − на паливну енергетику, 2% − на транспорт та 26% − на побутове опалення.

Дані, отримані в результаті проведення цього дослідження, є ще одним свідченням того, що стаціонарні джерела вносять значний вклад в забруднення атмосферного повітря бензо(а)піреном. Значна мінливість концентрацій бензо(а)пірену в атмосфері визначається видами палива, що використовується на даній території, способами спалювання та метеорологічними умовами розсіювання домішок.

Для дослідження забруднення повітря м. Києва цією ЗР нами були використані дані за 1990−2006 рр. (рис. 4). Протягом досліджуваних 17 років середньорічні концентрації бензо(а)пірену характеризуються тенденцією до зниження. Максимальне середнє значення було зафіксовано в 1990 р. і становило 5,4 нг/м³, що перевищувало ГДК в 5,4 рази. Період 1990−1994 рр. характеризується стрімким зниженням концентрацій даної домішки в повітрі міста (втричі).

На фоні загальної тенденції до зниження, спостерігаються два періоди незначного зростання концентрацій (1995−1996 та 1999−2000 рр.). Мінімальне значення середньорічної концентрації бензо(а)пірену в місті становило 0,6 нг/м³ (2006 р.).

Рис. 4 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва бензо(а)піреном у 1990−2006 рр.

Надходження в атмосферне повітря фенолу та формальдегіду перш за все пов’язують з роботою автотранспорту. Ці домішки є речовинами другого класу небезпеки. Середньорічні концентрації обох домішок у повітряному басейні м. Києва за період 1985−2006 рр. характеризуються тенденцією до зниження (рис. 5, 6). На фоні складної динаміки зміни концентрацій фенолу протягом 1985−2006 рр. чітко виділяється максимум в 1991 р. (який характеризується концентрацією 0,0080 мг/м³) та два слабше виражених максимуми 1987 та 2002 рр. 1987 р. порівняно з попереднім максимумом середньорічна концентрація фенолу зросла в 6 разів.

Мінімальна середня концентрація фенолу була зафіксована в 1986 р. на рівні 0,0010 мг/м³. Таким чином, ГДК_с.д. для фенолу встановлено на рівні 0,0030 мг/м³, тобто період з 1987 по 1994 рр., а також 2002 р. прикметні перевищеннями даного нормативу, в окремі роки більш ніж удвічі.

Рис. 5 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва фенолом в 1985−2006 рр.

Рис. 6 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва формальдегідом в 1985−2006 рр.

Концентрації формальдегіду протягом досліджуваного періоду характеризуються наявністю трьох суттєвих максимумів на фоні загальної тенденції до зниження.

В 1992 р. середньорічна концентрація формальдегіду в повітрі м. Києва становила 0,0100 мг/м³, в 2003 р. − 0,0090 мг/м³ і в 1988 – 0,0080 мг/м³. Мінімальне значення зафіксовано 1986 р. на рівні 0,0020 мг/м³. Для формальдегіду також характерні перевищення середніми значеннями відповідного ГДК. За період 1985−2006 рр. середньорічні концентрації були нижчими ГДК лише 1986 р. та протягом 1995−1999 рр.

Багаторічна динаміка концентрацій інших розглянутих специфічних забруднювальних домішок (сірководню, аміаку та хлороводню) також характеризується тенденцією до зниження їх концентрацій протягом досліджуваного періоду.

У Києві проводяться спостереження за вмістом в атмосферному повітрі восьми ВМ. Нами була проаналізована зміна середніх річних концентрацій кадмію, марганцю, міді, нікелю, свинцю, хрому та цинку за період 1990−2006 рр. та заліза – за 1993−2006 рр. Зміна середнього рівня заліза, марганцю, хрому та свинцю характеризується тенденцією до зниження.

Забруднення атмосферного повітря кадмієм та міддю (рис. 7) характеризується тенденцією до зростання концентрацій цих домішок в атмосферному повітрі. Характерно, що зростання середньорічних концентрацій міді в останні роки відбувалося досить стрімко (за період 2002−2005 рр. – в 12,5 разів).

Зміна середньорічних концентрацій нікелю та цинку характеризується складною динамікою, на тлі якої виділяється тенденція до слабкого зростання концентрацій.

Ряди часової динаміки середньорічних концентрацій забруднювальних домішок були апроксимовані нами лінійними та іншими типами функцій з використанням методу найменших квадратів, реалізованого програмою "Microsoft Excel". Параметр R² може слугувати оцінкою достовірності такої апроксимації. Чим більша величина R², тим краще підібрана функція описує реальну динаміку змін концентрацій або викидів шкідливих речовин. Результати апроксимації наведені в табл. 1.

Рис. 7 - Зміна середнього рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва міддю в 1990−2006 рр.

Таблиця 1

Тренди концентрацій шкідливих речовин в атмосферному повітрі м. Києва за 1985–2006 рр.

Подальша обробка результатів апроксимації дозволила встановити основні характеристики тенденцій формування рівня забруднення атмосферного повітря м. Києва основними та специфічними ЗР, а також ВМ протягом розглянутого періоду спостережень.

Для аналізу основних тенденцій зміни рівня забруднення атмосферного повітря міста протягом 1985−2006 років (для більшості домішок) було проведено узагальнення графічних матеріалів, отриманих у процесі роботи. При цьому розраховувались наступні показники:

1) абсолютний приріст концентрації забруднювальної речовини за період досліджень за формулою:

 (4.1)

де ΔС_абс − абсолютний приріст концентрації, мг/м³;

С_к − осереднене значення концентрації (визначається за встановленим трендом) в кінці періоду спостереження, мг/м³;

С_п − осереднене значення концентрації (визначається за встановленим трендом) на початку періоду спостереження, мг/м³;

2) відносний приріст концентрації забруднювальної речовини за період досліджень за формулою:

 (4.2)

де ΔС_від  − середній відносний приріст,%;

3) швидкість зміни концентрації за формулою:

 (4.3)

де V_ΔС  − швидкість зміни, (мг/м³)/рік;

ΔТ – період досліджень, роки.

Для зручності подальшого аналізу розраховані характеристики були представлені у вигляді табл. 2.

Таблиця 2

Статистичні характеристики зміни забруднення атмосферного повітря м. Києва основними, специфічними домішками та ВМ

Назва домішки	Період спостережень	Абсолютна зміна концентрації	Відносна зміна концентрації,%	Швидкість зміни концентрації (мг/м3)/рік*
Пил	1988−2006	0,00	0,00	0,00
Двоокис сірки	1985−2006	0,01	41,70	0,00046
Окис вуглецю	1992−2006	0,00	0,00	0,00
Двоокис азоту	1985−2006	0,025	39,68	0,0011
Окис азоту	1985−2006	0,001	2,50	0,000046
Сірководень	1985−2006	0,00003	3,33	0,0000014
Фенол	1985−2006	0,0024	50,00	0,00011
Хлороводень	1988−2006	0,046	32,62	0,0021
Аміак	1985−2006	0,108	91,53	0,0049
Формальдегід	1985−2006	0,0017	33,33	0,000077
Бензо(а)пірен	1990−2006	4,1	97,62	0,241
Кадмій	1990−2006	0,0062	91,18	0,00037
Залізо	1993−2006	3,5	83,33	0,25
Марганець	1990−2006	0,024	33,33	0,0014
Мідь	1990−2006	0,275	916,7	0,0162
Нікель	1990−2006	0,001	4,00	0,00006
Свинець	1990−2006	0,02	25,97	0,0012
Хром	1990−2006	0,04	72,73	0,0024

* − для БП − (нг/м³)/рік, для ВМ − (мкг/м³)/рік

Тенденції забруднення атмосферного повітря виражені за допомогою відносної зміни концентрації представлені графічно на рис. 8.

Рис. 8 - Відносна зміна концентрації забруднювальних домішок у м. Києві за 1985−2006 рр. (для ВМ – 1990−2006 рр.)

На діаграмі представлено всі домішки, для яких розраховувалися статистичні характеристики, за виключенням міді (через велике значення відносної зміни концентрації − 916,7%).

Таким чином, для зміни середньорічних концентрацій більшості основних та специфічних забруднювальних домішок за період 1985−2006 рр. та для ВМ за 1990−2006 рр. були встановлені наступні закономірності:

- концентрації пилу та окису вуглецю протягом досліджуваного періоду лишалися без змін;

- зросли концентрації окису азоту, кадмію та нікелю;

- середні концентрації окису азоту та сірководню характеризувалися ледь помітним зниженням (2,5% та 3,33% відповідно);

- середньорічні значення двоокису сірки, фенолу, хлороводню, аміаку, формальдегіду, заліза, марганцю, свинцю, хрому та бензо(а)пірену знизилися в межах 32,62% − 97,62%.

Проаналізувавши графічні матеріали, що характеризують зміни середніх рівнів забруднення атмосферного повітря м. Києва окремими домішками, можна зробити висновок, що для деяких ЗР в останні роки простежується зміна направленості тенденцій забруднення. Як ми вже зазначали, обсяги надходження шкідливих домішок в атмосферне повітря характеризуються зростанням починаючи з 2000 р. − від автомобільного транспорту та з 2002 р. − від стаціонарних джерел. Очевидно, саме цей фактор і став вирішальним у формуванні тенденції до зростання середньорічних концентрацій деяких домішок.

Для детальнішого аналізу основних тенденцій зміни рівня забруднення атмосферного повітря міста в останні роки нами була здійснена статистична обробка даних за 2000−2006 рр. Використання методу найменших квадратів дозволило встановити і апроксимувати тенденції формування забруднення атмосферного повітря м. Києва за вибраний період. Розраховані характеристики представлені у вигляді табл. 3.

Таблиця 3

Статистичні характеристики зміни забруднення атмосферного повітря м. Києва забруднювальними домішками за період 2000−2006 рр.

Назва домішки	Абсолютна зміна концентрації	Відносна зміна концентрації,%	Швидкість зміни концентрації, (мг/м3)/рік*
Пил	0	0,00	0,00
Двоокис сірки	0,002	13,79	0,00029
Окис вуглецю	0	0,00	0,00
Двоокис азоту	0,06	111,11	0,0086
Окис азоту	0,032	133,33	0,0046
Сірководень	0,00095	67,86	0,00014
Фенол	0,0002	7,41	0,000029
Хлороводень	0,019	19,39	0,0027
Аміак	0,004	36,36	0,00057
Формальдегід	0,0006	13,04	0,000086
Кадмій	0,002	16,00	0,00029
Залізо	1,00	100,00	0,14
Марганець	0,026	76,47	0,0037
Мідь	0,54	2700,00	0,077
Нікель	0,006	20,69	0,00086
Свинець	0,002	4,55	0,00029
Хром	0,017	54,84	0,0024
Бензо(а)пірен	1,4	75,68	0,2

* − для БП − (нг/м³)/рік, для ВМ − (мкг/м³)/рік

На рис. 9. графічно відображено відносну зміну концентрації забруднювальних домішок (за виключенням міді) за період 2000−2006 рр.

Рис. 9 - Відносна зміна концентрації забруднювальних домішок в м. Києві за 2000−2006 рр.

Слід зазначити, що середньорічні концентрації в атмосферному повітрі міді та двоокису азоту характеризуються зростанням протягом обох досліджуваних періодів.

За 2000−2006 рр. відносна зміна концентрації стала вищою для міді (2700%, водночас за період 1985−2006 рр. ця цифра становила 916,7%) і для двоокису азоту (39,68% за період 1985−2006 рр. і 111,11% − за 2000−2006 рр.). В останні роки (2000−2006 рр.) спостерігається тенденція до зростання концентрацій окису азоту. Протягом досліджуваного періоду відносна зміна концентрації становила 133,3%. Враховуючи збільшення об’ємів викидів від автотранспорту, зростання концентрацій окисів азоту в атмосферному повітрі є цілком закономірним.

Такі домішки як нікель і кадмій на фоні загальної тенденції до зростання в 2000−2006 рр. характеризуються зниженням. Важкі метали – залізо та марганець мають тенденцію до зростання і характеризуються відносною зміною концентрації відповідно 100% та 76,5%. Також зростають концентрації хлористого водню (19,4%).

Враховуючи складний характер динаміки вмісту досліджених забруднювальних речовин в атмосферному повітрі міста протягом останніх двох десятиліть та сучасну тенденцію забруднення атмосферного повітря м. Києва, що встановилася в останні роки, можна рекомендувати для оцінки сучасного стану якості повітря розрахунковий період 2002−2006 рр.

Вибір такого періоду обумовлений не тільки встановленими позитивними тенденціями зміни концентрацій забруднювальних речовин протягом 2000−2006 рр., а й методичними рекомендаціями щодо тривалості періоду осереднення даних моніторингу атмосфери для оцінки рівня забруднення.