Evaluation of atmospheric air quality in the north-eastern part of the Soviet district of Voronezh
Evaluation of atmospheric air quality in the north-eastern part of the Soviet district of Voronezh
Abstract
The aim of the study was to analyse changes in daily, monthly, seasonal and annual concentrations of the most common pollutants contained in the atmospheric air in the north-eastern part of the Sovetsky district of Voronezh; to evaluate carcinogenic and non-carcinogenic aerotechnogenic risks to public health. Research object: atmospheric air in the north-eastern part of the Soviet district of Voronezh. Research subject: atmospheric air quality according to sanitary and chemical indicators. It has been established that the average annual concentrations of three out of five pollutants, namely suspended solids, nitrogen dioxide and formaldehyde, exceed the normative values established by SanPiN 1.2.3685-21. The calculation of non-carcinogenic risks indicated that there is a dangerous risk associated with these three substances in the north-eastern part of the Sovetsky district of Voronezh.
1. Введение
Город Воронеж, являясь самым многонаселённым и развитым городом Центрально-Чернозёмного района, неизбежно сталкивается с ростом антропогенной нагрузки. При этом главным источником негативного воздействия на атмосферный воздух и здоровье населения является автотранспортный комплекс. Данное обстоятельство характерно для многих крупных промышленных городов (вклад автотранспорта в общую эмиссию загрязняющих веществ превышает 70%), однако Воронеж в большей степени подвержен негативному влиянию работы автомобилей (доля автотранспорта в общем загрязнении атмосферы свыше 88%) . Такая статистика объясняется ростом автомобильного транспорта на душу населения в городе Воронеже. Воронеж находится на четвёртом месте по обеспеченности легковыми автомобилями на 1000 жителей в крупнейших городах РФ (315 автомобилей на 1000 населения), уступая Краснодару, Санкт-Петербургу и Самаре . В связи с такой динамикой актуальность регулярного мониторинга состояния атмосферного воздуха и проведение исследований в данной области не только не уменьшилась, но и возросла.
Цель работы: анализ изменения суточных, среднемесячных, сезонных и годовых концентраций наиболее часто встречающихся загрязняющих веществ, содержащихся в атмосферном воздухе на территории северо-восточной части Советского района города Воронежа в сравнении с данными других стационарных постов наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха; оценка канцерогенных и неканцерогенных аэротехногенных рисков для здоровья населения.
2. Методы и принципы исследования
В исследовании использованы первичные материалы, полученные Воронежским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 2023 году, которые предоставлены авторам в рамках Договора о сотрудничестве и поставке первичной информации с кафедрой геоэкологии и мониторинга окружающей среды Воронежского государственного университета от 21.06.2025 г. В рамках данного Договора представлены данные за 2023 год (на платной основе). Провести сравнительный анализ данных за несколько лет для выявления трендов изменения качества воздуха требует дополнительных финансовых затрат, которые не предусмотрены финансированием выполняемого гранта РНФ в соответствии с заключенным Договором на поставку первичной информации. В открытых источниках первичные данные за многолетний период отсутствуют.
В исследуемом районе города Воронежа по адресу улица Ворошилова, дом 30 располагается стационарный пост наблюдения за загрязнением атмосферы №8 Росгидромета. При этом всего в городе Воронеже имеется 5 стационарных постов наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха: ПНЗ № 1 — г. Воронеж, ул. Ростовская, д.44 осуществляет наблюдения по загрязняющим веществам — взвешенные вещества (пыль), ангидрид сернистый (диоксид серы), оксид углерода, диоксид азота, оксид азота, формальдегид, углерод (сажа); ПНЗ № 7 (г. Воронеж, ул. Лебедева, д.2) по загрязняющим веществам — пыль, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, формальдегид, фенол; ПНЗ №8 (г. Воронеж, ул. Ворошилова, д.30) по загрязняющим веществам — пыль, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, формальдегид; ПНЗ №9 (г .Воронеж, ул. Лидии Рябцевой, д.51Б) по загрязняющим веществам пыль, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, фенол; ПНЗ №10 (г. Воронеж, ул. 9 Января, д. 49) по загрязняющим веществам — пыль, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, формальдегид. Ежегодно проводится от 843 (сажа, ПНЗ №1) до 4425 (диоксид азота, на всех ПНЗ) исследований на каждый компонент. На посту №8 наблюдения проводятся 3 раза в сутки (в 7:00, в 13:00 и 19:00). Вблизи выбранного поста, помимо передвижных источников загрязнения (автотранспорта), имеются и стационарные. Самые крупные из них — Воронежский Механический завод и Воронежский Керамический завод. Эти предприятия имеют всю необходимую экологическую документацию; по результатам плановых проверок контрольно-надзорных ведомств, замечаний в части соблюдения режимов санитарно-защитной зоны не выявлено; жалоб со стороны жителей района на загазованность и запыленность атмосферного воздуха по причине производственной деятельности предприятий не поступало . В целом, негативное влияние этих предприятий существенно меньше, чем воздействие автомобильного транспорта, так как предприятия не работают в регулярном режиме и не относятся к ведущим промышленным вкладчикам в загрязнение атмосферы города Воронежа .
В сформированной базе данных представлена информация о годовой динамике изменения концентрации загрязняющих веществ. Для анализа этих сведений выбраны 5 веществ, наиболее часто встречающихся в выхлопных газах автотранспорта, а именно: взвешенные вещества, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и формальдегид. В рамках исследования рассчитаны среднегодовые концентрации данных веществ, средние концентрации по месяцам и по времени суток, а также выявлены закономерности изменения этих концентраций в течение года. Заключительным этапом работы являлся расчет и анализ канцерогенного и неканцерогенного рисков, связанных с воздействием аэро токсикантов, а также времени наступления возможного токсического эффекта.
Результаты исследований сравнивались с требованиями СанПиН 1.2.3685-21 . Формулы для расчета рисков использованы из Р 2.1.10.3968-23 . Неканцерогенный риск (HQ) рассчитывается по формуле: HQ = Ci/RfC, где HQ — коэффициент опасности; Ci — средняя концентрация (мг/м3); RfC — референтная (безопасная) концентрация (мг/м3). Параллельно с расчётом коэффициента опасности (HQ) проводилось вычисление вероятного времени наступления токсического эффекта (T) по формуле: T=10^(LOG10(25)-LOG10((E4/D4)^b)), где b — класс опасности вещества, E4/D4 — кратность превышения ПДК, 25 — расчетное время гарантированного отсутствия токсического эффекта, на которое разрабатывается норматив (25 лет). Канцерогенный риск (CR) рассчитывается по формуле CR = ADD*SF, где ADD — средняя суточная доза в течение жизни, мг/(кг*день); SF — фактор канцерогенного потенциала мг/(кг*день)-1.
3. Основные результаты
3.1. Взвешенные вещества (пыль)
Пыль поступает в атмосферный воздух во время эксплуатации автомобиля (сгорание топлива в двигателях, износ покрышек и тормозных колодок), а также за счет вторичного загрязнения с асфальтобетонных покрытий при движении транспорта и наличии ветра. Повышенное содержание пыли в воздухе может оказать значительное негативное влияние на здоровье человека, в первую очередь, на дыхательную систему; опасность заключается в химическом составе пыли, так как она способна адсорбировать другие поллютанты, что увеличивает негативный эффект на здоровье человека .
Анализ данных о среднегодовой концентрации взвешенных веществ по ПНЗ г. Воронежа свидетельствует, что концентрация варьирует от 0,1906±0,0051 мг/м3 до 0,2890±0,0098 мг/м3 (табл. 1.)
Таблица 1 - Среднегодовые концентрации взвешенных веществ по ПНЗ города Воронежа
Пыль | ПНЗ№1 | ПНЗ№7 | ПНЗ№8 | ПНЗ№9 | ПНЗ№10 |
Среднее значение концентрации (М), мг/м3 | 0,235 | 0,289 | 0,190 | 0,206 | 0,230 |
Ошибка среднего (m), мг/м3 | 0,007 | 0,010 | 0,005 | 0,006 | 0,007 |
Результаты анализа на ПНЗ №8 показали, что среднегодовая концентрация пыли превысила ПДКс.г. более, чем в 2,5 раза. В динамике среднемесячных концентраций пыли максимальные значения (0,29–0,34 мг/м3) прослеживаются большую часть летнего периода (июль, август) и в сентябре (табл. 2).
Таблица 2 - Средние значения концентрации взвешенных веществ по месяцам и за весь год в целом
Период (месяц, год) | Концентрация (M±m), мг/м3 |
январь | 0,073±0,002 |
февраль | 0,060±0,002 |
март | 0,081±0,003 |
апрель | 0,095±0,004 |
май | 0,116±0,004 |
июнь | 0,118±0,003 |
июль | 0,296±0,009 |
август | 0,346±0,014 |
сентябрь | 0,313±0,008 |
октябрь | 0,199±0,005 |
ноябрь | 0,245±0,006 |
декабрь | 0,152±0,004 |
Год в целом (среднегодовая концентрация) | 0,190±0,005 |
Такая зависимость может быть объяснена синоптическими особенностями данного периода. Летом и в начале осени в Воронеже наблюдается большая сухость воздуха, чем зимой, весной и поздней осенью. Вращающиеся колеса автомобилей поднимают вверх взвешенные частицы с дорожного покрытия, которые надолго задерживаются в атмосфере при пониженной влажности воздуха (известно, что влага способствует более быстрому оседанию частиц пыли).
Изучение изменения концентрации пыли в зависимости от времени суток в течение года позволило выяснить, что наибольшие значения проявляются в дневное время (13:00) — до 1,47 ПДК. Вечерние значения составляют до 1,18 ПДК, а утренние — до 1,13 ПДК.
Такие результаты объясняются, во-первых, тем, что днём воздух наиболее нагрет, образуются восходящие потоки, которые поднимают часть взвешенных частиц вверх, во-вторых, интенсивным потоком транспорта на автомобильных дорогах, способствующих увеличению содержания пыли в атмосферном воздухе .
3.2. Диоксид серы
Сернистый ангидрид является токсичным веществом, воздействующим на органы дыхания и слизистые оболочки человека, и может приводить к появлению бронхитов, кашля, раздражению носоглотки и другим проблемам со здоровьем. Основными источниками выделения двуокиси серы в атмосферный воздух считаются ТЭЦ и промышленные предприятия. Автомобильный транспорт вносит вклад в загрязнение атмосферы диоксидом серы, однако этот вклад считается несущественным. Среднегодовые концентрации диоксида серы по ПНЗ города Воронежа представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Среднегодовые концентрации диоксида серы по ПНЗ города Воронежа
Диоксид серы | ПНЗ№1 | ПНЗ№7 | ПНЗ№8 | ПНЗ№9 | ПНЗ№10 |
Среднее значение концентрации (М), мг/м3 | 0,006 | 0,008 | 0,005 | 0,005 | 0,005 |
Ошибка среднего (m), мг/м3 | 0,0001 | 0,0002 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 |
В Советском районе города Воронежа среднегодовая концентрация сернистого ангидрида составила лишь 0,005 мг/м3, что в 10 раз ниже среднегодовой ПДК. Такие результаты, связаны с отсутствием в пределах исследуемого района тепловых электростанций, большого количества котельных, которые могут быть причиной увеличения концентрации SO2. Находящиеся поблизости Воронежский Механический Завод и Керамический завод незначительно участвуют в эмиссии этого газа. К тому же, в общем объеме автотранспорта города Воронежа преобладают автомобили, потребляющие бензиновое топливо, для которых характерна меньшая объемная доля диоксида серы в выбросах (0–0,002%), чем потребляющих дизельное топливо (0–0,03%).
Анализ сезонной динамики изменения концентрации сернистого ангидрида в течение года показал, что наибольшие значения наблюдались в период с июля по сентябрь (примерно в 3 раза выше, чем в остальные месяцы). Зависимость содержания SO2 от времени суток на протяжении года не выявлена.
3.3. Углерода оксид
Основными антропогенными источниками выделения в атмосферу угарного газа, так же как и диоксида серы, являются автомобильный транспорт, ТЭЦ, промышленные производства и котельные. Однако, «вина» автотранспорта в появлении в воздухе CO намного больше (около 75% от общего загрязнения). Оксид углерода может негативно воздействовать на сердечно-сосудистую и центральную нервную систему человека. Этот газ блокирует способность гемоглобина переносить кислород, что приводит к гипоксии и может вызвать отравление, вплоть до летального исхода .
Таблица 4 - Среднегодовые концентрации оксида углерода на ПНЗ города Воронежа
Оксид углерода | ПНЗ№1 | ПНЗ№7 | ПНЗ№8 | ПНЗ№9 | ПНЗ№10 |
Среднее значение концентрации (М), мг/м3 | 1,233 | 1,630 | 0,819 | 0,841 | 1,036 |
Ошибка среднего (m), мг/м3 | 0,024 | 0,028 | 0,012 | 0,014 | 0,014 |
В атмосферном воздухе Советского района города Воронежа, несмотря на наличие двух заводов и высокой интенсивности движения автомобильного транспорта, среднегодовая концентрация угарного газа находится в рамках санитарно-гигиенических нормативов и составляет 0,819 мг/м3 при ПДКс.г. = 3 мг/м3 . Взаимосвязи между сезоном года и изменением концентрации оксида углерода практически нет. Такой же вывод можно сделать по суточной динамике изменения содержания CO. В вечернее время концентрация угарного газа незначительно больше, чем в утренние и дневные часы (0,936 мг/м3 против 0,665 мг/м3 и 0,857 мг/м3 соответственно).
3.4. Диоксид азота
Двуокись азота является одним из самых распространённых веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей. Опасность этого газа для здоровья человека заключается в его раздражающем действии на слизистые оболочки, кровеносную систему. Длительное воздействие NO2 особенно пагубно для лиц престарелого возраста, детей и лиц, имеющих хронические заболевания органов дыхания . Помимо автотранспорта, источниками загрязнения атмосферы диоксидом азота являются ТЭЦ, промышленные предприятия и другие производства, для которых характерны процессы высокотемпературного сгорания различных видов топлива (природного газа, угля, бензина, мазута). Среднегодовые концентрации диоксида азота представлены в табл. 5.
Таблица 5 - Среднегодовые концентрации диоксида азота по ПНЗ города Воронежа
Диоксид азота | ПНЗ№1 | ПНЗ№7 | ПНЗ№8 | ПНЗ№9 | ПНЗ№10 |
Среднее значение концентрации (М), мг/м3 | 0,061 | 0,081 | 0,058 | 0,059 | 0,070 |
Ошибка среднего, мг/м3 | 0,001 | 0,001 | 0,0008 | 0,0009 | 0,0009 |
В северо-восточной части Советского района (ПНЗ №8) среднегодовая концентрация диоксида азота превышает нормативные значения почти в 1,5 раза (1,45 ПДКс.г.). С июля отмечается увеличение среднемесячной концентрации NO2 практически в 2 раза относительно значений июня (0,076 мг/м3 и 0,039 мг/м3 соответственно). Рост содержания двуокиси азота наблюдается до октября, далее значения постепенно идут на спад.
Анализ динамики изменения концентрации диоксида азота по времени суток позволяет сделать вывод о том, что содержание NO2 увеличивается с 7:00 до 19:00 (табл. 6).
Таблица 6 - Концентрация диоксида азота (в долях ПДК среднесуточных) по временам суток (усредненные данные за год) на ПНЗ №8
Вещество | Утро (7:00) | День (13:00) | Вечер (19:00) |
Диоксид азота NO2 | 0,49 | 0,60 | 0,65 |
Данные результаты можно объяснить повышенной транспортной нагрузкой в вечернее время. К тому же, в течение суток диоксид азота накапливается и его содержание в атмосферном воздухе немногим больше вечером, чем утром (за ночь часть NO2 успевает рассеяться).
3.5. Формальдегид (метаналь)
Формальдегид является канцерогеном. В связи с этим обстоятельством мониторинг содержания данного вещества, содержащегося в выхлопных газах автомобилей, имеет первостепенное значение. Главными антропогенными источниками появления CH2O в атмосфере считаются автомобильный транспорт и промышленные предприятия (производство пластмасс, резины, лаков, смол). Наиболее поражаемыми органами и системами по результатам токсикологических исследований и научно-практических работ по оценке аэротехногенного риска здоровью населения являются центральная нервная и дыхательная системы, желудочно-кишечный тракт, печень, почки, селезенка, надпочечники, глаза, кожа .
Среднегодовые концентрации формальдегида представлены в табл. 7.
Таблица 7 - Среднегодовые концентрации формальдегида на ПНЗ города Воронежа
Формальдегид | ПНЗ№1 | ПНЗ№7 | ПНЗ№8 | ПНЗ№9 | ПНЗ№10 |
Среднее значение концентрации (М), мг/м3 | 0,016 | 0,019 | 0,014 | не входит в программу наблюдений | 0,017 |
Ошибка среднего, мг/м3 | 0,0005 | 0,0006 | 0,0004 | не входит в программу наблюдений | 0,0005 |
При всей опасности, которую несет это вещество, его среднегодовая концентрация в атмосферном воздухе Советского района составляет 0,014 мг/м3, что более, чем в 4,5 раза выше предельно допустимой среднегодовой концентрации. Максимумы загрязнения атмосферного воздуха формальдегидом приходятся на летний и осенний период (рис. 1).
Рисунок 1 - Концентрация формальдегида (в долях ПДК среднесуточной) по сезонам года в Советском районе города Воронежа на ПНЗ №8
Столь высокие концентрации метаналя летом и осенью объясняются повышенной солнечной активностью в эти времена года, что способствует образованию фотохимических реакций с участием оксидов азота и летучих органических соединений .
В суточной динамике изменения концентрации CH2O на ПНЗ №8 также наблюдаются перепады: наименьшие величины характерны для утренних часов (0,011 мг/м3), в дневное и вечернее время концентрация выше (0,014 и 0,015 мг/м3 соответственно).
В связи с имеющимися фактами превышения предельно допустимых среднегодовых концентраций некоторых веществ было принято решение провести расчёт уровней канцерогенного и неканцерогенного риска от вдыхания этих веществ для ПНЗ №8, т.к. объектом исследования, согласно названию статьи являлась территория северо-восточной части Советского района города Воронежа.
По результатам расчёта неканцерогенного риска на территории северо-восточной части Советского района можно сделать вывод о том, что по 3 из 5 выбранных для исследования поллютантов (диоксиду азота, формальдегиду и пыли) наблюдаются настораживающие и высокие уровни рисков. Дополнительную опасность представляет тот факт, что все эти поллютанты воздействуют на органы дыхания, что создает на них большую нагрузку и может привести к болезням дыхательной системы. Расчёт вероятного время наступления токсического эффекта (T) также говорит об опасном уровне риска по пыли, формальдегиду и диоксиду азота (табл. 3).
Таблица 8 - Результаты расчётов неканцерогенного риска и вероятного времени наступления токсического эффекта
Вещество | Референтная концентрация (RfC), мг/м3 | ПДК среднегодовая, мг/м3 | Среднегодовая концентрация, мг/м3 | Коэффициент опасности (неканцерогенный риск) HQ (безразмерный) | Вероятное время наступления токсического эффекта (Т), лет | Уровень риска |
углерода оксид | 3,0 | 3,0 | 0,82 | 0,27 | 91 | допустимый |
серы диоксид | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,10 | 250 | допустимый |
азота диоксид | 0,04 | 0,04 | 0,058 | 1,45 | 17 | настораживающий |
формальдегид | 0,003 | 0,003 | 0,014 | 4,67 | 3 | высокий |
взвешенные вещества (пыль) | 0,075 | 0,075 | 0,190 | 2,53 | 10 | настораживающий |
Примечание: fC и уровни риска по Р 2.1.10.3968-23 [3]; ПДК среднегодовая по СанПиН 1.2.3685-21 [2]
На территории северо-восточной части Советского района канцерогенный риск от вдыхания формальдегида находится на уровне 8,05х10-5, т.е. приблизительно 8 случаев дополнительных онкологических заболеваний на 100 тысяч населения в течение средней продолжительности жизни, что по критериям приемлемости выше величины целевого (минимального) риска, принятого для условий населенных мест в России (1х10-6).
4. Обсуждение
Результаты анализа базы данных по стационарному посту №8 показали, что на территории выбранного для исследования района среднегодовые концентрации трёх из пяти приоритетных поллютантов: взвешенных частиц (пыли), диоксида азота и формальдегида, превышают установленные СанПиН 1.2.3685-21 предельно допустимые среднегодовые концентрации .
В сравнении с другими ПНЗ города Воронежа можно сделать вывод, что по содержанию (среднегодовые концентрации) взвешенных веществ из 5 ПНЗ территория северо-восточной части Советского района относительно благополучна, т.к. среднегодовая концентрация пыли (0,190 мг/м3) ниже, чем на других ПНЗ. По концентрации диоксида серы (0,005 мг/м3) соизмерима с ПНЗ №9 и №10 и ниже, чем на ПНЗ №1 и №7. При этом максимум среднегодовой концентрации диоксида серы отмечен на ПНЗ №8 (0,008 мг/м3). Среднегодовая концентрация оксида углерода на ПНЗ №8 имеет минимальное значение (0,819 мг/м3) по отношению к другим четырем ПНЗ города Воронежа. Эта же закономерность отмечена для диоксида азота: среднегодовая концентрация диоксида азота на ПНЗ №8 имеет минимальное значение (0,058 мг/м3) по отношению к другим четырем ПНЗ города Воронежа. среднегодовая концентрация формальдегида (0,014 мг/м3) по отношению к другим четырем ПНЗ города Воронежа также имеет минимальное значение. ПНЗ №8 (г. Воронеж, ул. Ворошилова, д.30), расположенный на селитебной территории северо-восточной части Советского района города Воронежа может служить относительно благополучной «точкой отсчета» при оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха города Воронежа. Вместе с тем, даже на относительно благополучном ПНЗ можно сделать вывод о наличии опасных неканцерогенных рисков по трём веществам. Результаты нашего исследования в целом согласуются с материалами других работ, свидетельствующих о повышенных неканцерогенных и канцерогенных рисках в городах, связанных с воздействием аэротехногенных загрязнителей , .
5. Заключение
Таким образом, выявлено негативное влияние автомобильного транспорта и, в меньшей степени, производств Воронежского Механического завода и Керамического завода на качество атмосферного воздуха на территории северо-восточной части Советского района города Воронежа. В этой связи существует необходимость проведения мероприятий в области охраны здоровья населения, например, увеличение количества зеленых насаждений в непосредственной близости к пересечению улиц Космонавтов и Ворошилова города Воронежа, оптимизация организации схемы дорожного движения (зеленая волна, одностороннее движение по параллельным улицам, расширение проезжей части, где это возможно).