Загрязненность атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге. Методология и программное обеспечение расчетов загрязнения атмосферного возду

Примечание. ВВ — взвешенные вещества (пыль), SO₂ — диоксид серы, СО — оксид углерода, NO — оксид азота, NO₂ — диоксид азота, С₆Н₅ОН — фенол, NH₃ — аммиак, НС1 — хлористый водород, Н₃СОН — формальдегид, С₆Н₆ — бензол, С₆Н₄(СН,)₂ — ксилол, С₆Н₅СН, — толуол, С₆Н₅С₂Н₅ — этилбензол.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Карта-схема расположения стационарных постов наблюдений за загрязненностью атмосферного воздуха Санкт-Петербурга.

 

 

По данным [14] динамику концентраций приоритетных загрязняющих примесей в атмосферном  воздухе  Санкт-Петербурга за период с 1992 по 2001 гг., то есть за десятилетний период, можно представить в виде графика (см. рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Динамика концентраций диоксида азота (а), взвешенных веществ (б), диоксида серы (в), (в целом по городу в долях ПДК_СС)

 

Представленные данные показывают, что за весь рассматриваемый период наблюдалось постоянное превышение над среднесуточными ПДК (ПДК_СС) среднегодовых концентраций диоксида азота. Для взвешенных веществ (пыли) зафиксировано превышение ПДК_СС с 1992 по 1996 г. и в период 2000 - 2001 гг. Для диоксида серы не зафиксировано превышение среднегодовых концентраций (в целом по городу) ПДК_СС в течение всего рассматриваемого периода с 1992 по 2001 гг.

Степень суммарного загрязнения воздуха оценивается по комплексному «индексу загрязнения атмосферы» (ИЗА):

где  I_i — частное (единичное, парциальное) значение индекса для i-й примеси;

n — число рассматриваемых примесей;

C_i — средняя за год концентрация примеси i;

ПДК_CCi — среднесуточная предельно допустимая концентрация примеси i;

К_i — константа, принимающая значения 1,5; 1,3; 1,0; 0,85 соответственно для I, II, III и IV классов опасности веществ, позволяющая привести степень вредности первого вещества к степени вредности диоксида серы.

Оценка качества атмосферного воздуха Санкт-Петербурга в 2001 году дана на основе  [14].

Концентрации взвешенных веществ. Средний уровень загрязненности воздуха города в 2001 году составил 1,4 ПДК. Запыленность воздуха города высокая, она определяется значением максимальной разовой концентрации — 5,8 ПДК. Наибольшее загрязнение воздуха этой примесью наблюдалось в Василеостровском (пост №7), Московском (пост №46) районах: здесь среднегодовые концентрации превысили норму в 2 раза. Высокий уровень загрязненности воздуха взвешенными веществами определяется выбросом предприятий «Ленэнерго» и строительных предприятий.

Концентрации диоксида серы. Средние и разовые значения концентраций не превышали установленные нормы. В годовом ходе четко прослеживается увеличение содержания диоксида серы в зимний период, что объясняется увеличением выбросов отопительными предприятиями в связи с понижением температурного режима.

Концентрации оксида углерода. Средняя за год концентрация в целом по городу составила 0,5 ПДК. Загрязнение воздушного бассейна города оксидом углерода характеризуется как повышенное. Максимальная из разовых концентраций (4,0 ПДК) была зафиксирована в январе на посту №7. В годовом ходе увеличение содержания оксида углерода в воздухе наблюдалось в теплый период (с апреля по июль), что может быть обусловлено увеличением интенсивности эксплуатации транспортных средств.

Концентрации диоксида азота/оксида азота. Средняя за год концентрация диоксида азота в целом по городу составила 1,8 ПДК. Практически во всех районах города, где проводились наблюдения за содержанием диоксида азота в воздухе, уровень загрязненности воздуха квалифицируется как высокий (максимальные разовые концентрации составляли 3—7 ПДК). В Центральном районе (посты №6 и №10) воздух по сравнению с другими районами значительно сильнее загрязнен этой примесью: среднегодовые концентрации на этих постах составили 3,3 и 2,9 ПДК соответственно, что квалифицирует уровень воздуха в этом районе как очень высокий. Максимальная из разовых концентраций (13,2 ПДК - октябрь) была зафиксирована в этом районе на посту №10.

Среднегодовая концентрация оксида азота составила 0,7 ПДК, максимальная из разовых концентраций в сентябре на посту №7 — 1,5 ПДК.

Концентрации бензапирена. Результаты наблюдений свидетельствуют о значительном загрязнении воздуха города этой примесью. Средняя за год концентрация превысила рекомендуемый органами здравоохранения критерий в 2,1 раза, наибольшая среднемесячная концентрация (январь, пост № 1) превысила этот критерий в 5,7 раза.

Концентрации специфических примесей. Средняя за год концентрация фенола составила 0,7 ПДК, на посту №46 (Московский район) — 1,3 ПДК. Максимальная из разовых концентраций (2,6 ПДК) была зафиксирована в феврале на посту №12 (Красносельский район).

Средняя за год концентрация формальдегида составила 2 ПДК. На всех постах, где определялось содержание формальдегида в воздухе, среднегодовые концентрации превысили санитарную норму (1,7 — 2 ПДК). В отдельные месяцы средние концентрации этой примеси достигали 3 — 5 ПДК (посты №5,12). Максимальная из разовых концентраций (1,9 ПДК) была зафиксирована в январе на посту №2 (Фрунзенский район).

Средняя за год концентрация аммиака составила 1,9 ПДК. Наибольшее загрязнение воздуха аммиаком отмечалось в районе поста №5: среднегодовая концентрация составила 2,5 ПДК, в отдельные месяцы среднемесячные концентрации достигали 3 — 5 ПДК. Максимальная из разовых концентраций (3,1 ПДК) была зафиксирована в июне на посту № 1 (Петроградский район).

Средняя за год концентрация хлористого водорода составила 0,7 ПДК. Максимальная из разовых концентраций — 2,3 ПДК.

Максимальная концентрация сероводорода в декабре составила 1,4 ПДК (пост № 7), бензола в декабре  — 4,3 ПДК (пост №6), ксилола в апреле — 3,4 ПДК (пост № 7), толуола в декабре  — 2,1 ПДК (пост № 6), этилбензола в апреле — 7 ПДК (пост № 7).

Содержание  тяжелых металлов в воздухе города не превышало ПДК.

Уровень загрязнения воздуха в целом  по городу можно квалифицировать как очень высокий. Наибольший вклад в загрязнение воздуха вносит диоксид азота: максимальная концентрация составила 13,2 ПДК. ИЗА=13,0 указывает на высокий уровень загрязнения воздуха, который определяется концентрациями бензапирена (ИЗА=3,0), формальдегида (ИЗА=2,4), диоксида азота (ИЗА=2,2). Обычно область очень высокого загрязнения воздуха располагается в Центральном районе (посты №6 и №10), на остальной территории города наблюдается высокое (посты № 2,7,12,27,63) и повышенное загрязнение (посты №1,5,8).

В 2001 г. примеси атмосферного воздуха Санкт-Петербурга в порядке приоритетности могут быть ранжированы следующим образом (в порядке уменьшения вклада в загрязнение воздуха, определяемого величиной I_i):

бензапирен > формальдегид > аммиак > диоксид  азота > пыль > оксид азота > фенол > оксид углерода > бензол > диоксид  серы

Характер  и величина загрязнения воздуха в Санкт-Петербурге в значительной степени определяются объемом выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников (в первую очередь — автотранспорта).

2.3. Качественный  и количественный состав выбросов загрязняющих веществ

 

Источниками  выбросов загрязняющих веществ в  атмосферный воздух являются  многие отрасли промышленности.  Ряд  отраслей промышленности на протяжении десятилетий остаются лидерами антропогенного загрязнения окружающей среды.  Информация о  долевом распределении выбросов между ведущими отраслями промышленности  представлена на диаграмме (рис. 3).

Характер  и величина загрязнения атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге определяются объемом выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников.

Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу  Санкт-Петербурга от стационарных и передвижных источников в 2001 г. согласно [14] составил 203,1 тыс. тонн. Диаграмма, отражающая качественный и количественный состав валового выброса загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников в атмосферу Санкт-Петербурга, представлена на рис. 4.

Выбросы загрязняющих веществ  в атмосферу от стационарных источников в 2001 г. составили 57,8 тыс. тонн. Качественный и количественный состав выбросов от стационарных источников представлен на диаграмме (рис. 5).

 

Рис 3

 

Рис 4 и рис 5

 

2.4. Влияние  автотранспорта на качество атмосферного  воздуха

2.4.1. Характеристика  автомобильного транспорта как  источника  загрязнения атмосферы

 

В настоящее  время одним из мощных источников загрязнения городской воздушной  среды мегаполисов является автомобильный транспорт.

Общий мировой парк автомобилей  насчитывает 800 млн единиц, из которых 83...85% составляют легковые автомобили, а 15..17% - грузовые и автобусы. Выставленные бампер к бамперу, они составили бы цепочку длиной в 4 млн. км, которой 100 раз можно обернуть земной шар по экватору. Если тенденции роста выпуска автотранспортных средств останутся неизменными, то к 2015 г. число автомобилей может возрасти до 1,5 млрд шт.

Автомобильный транспорт, с одной стороны, потребляет из атмосферы кислород, а с другой - выбрасывает в нее отработавшие газы, картерные газы и углеводороды из-за испарения их из топливных баков и негерметичности систем подачи топлива.

Автомобиль  отрицательно воздействует практически  на все 
составляющие биосферы: атмосферу, водные ресурсы, земельные 
ресурсы, литосферу и человека. Масштабы этого воздействия 
схематично представлены на рис. 6.

Оценка экологической опасности через ресурсоэнергетические  переменные всего цикла жизни автомобиля с момента добычи минеральных ресурсов, нужных для его производства, до рециклирования отходов после окончания его службы показала, что экологическая «стоимость» 1-тонного автомобиля, в котором примерно 2/3 массы составляет металл,  равна от 15 до 18т твердых и от 7 до 8 т жидких отходов, размещаемых в окружающей среде.

Выхлопы от автотранспорта распространяются непосредственно  на улицах города вдоль дорог, оказывая непосредственное вредное воздействие на пешеходов, жителей расположенных рядом домов и растительность.

 

 

 

Рис. 6. Схема и масштабы воздействия автомобилей на окружающую среду  

 

Выявлено, что  зоны с превышением ПДК по диоксиду азота и оксиду углерода охватывают до 90% городской территории.

Автомобиль — самый  активный потребитель кислорода  воздуха. Если человек потребляет воздуха  до 20 кг (15,5 м³) в сутки и до 7,5 т в год, то современный автомобиль для сгорания 1 кг бензина расходует около 12 м³ воздуха или в кислородном эквиваленте около 250 л кислорода. Так, весь автомобильный транспорт США потребляет в 2 раза больше кислорода, чем его регенерирует природа, на всей их территории.

Таким образом, в крупных мегаполисах автомобильный  транспорт поглощает кислорода  в десятки раз больше, чем все их население.

Исследования, проведенные на автомагистралях  Москвы, показали, что при тихой  безветренной погоде и низком атмосферном  давлении на оживленных автомобильных  трассах сжигание кислорода в воздухе нередко повышается до 15% его общего объема.

С другой стороны, на этих магистралях не просто мало кислорода, но воздух еще насыщен  вредными веществами автомобильного выхлопа. Исследования НИИ нормальной физиологии показывают, что в Москве 92...95% загрязнения воздуха дает автомобильный транспорт. Дым, выбрасываемый заводскими трубами,  испарения химических производств, гарь от котельных и все прочие отходы деятельности большого города составляют примерно всего 7% общей массы загрязнений.

В состав выбросов от автомобилей  входит около 200 химических соединений, которые в зависимости от особенностей воздействия на организм человека подразделяют на 7 групп [17].

В 1-ю группу входят химические соединения, содержащиеся в естественном составе атмосферного воздуха: вода (в виде пара), водород, азот, кислород и диоксид углерода. Автотранспорт выбрасывает в атмосферу такое огромное количество пара, что в Европе и Европейской части России оно превышает по массе испарения всех водоемов и рек. Из-за этого растет облачность, а число солнечных дней заметно снижается. Серые, без солнца, дни, непрогретая почва, постоянно повышенная влажность воздуха – все это способствует росту вирусных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Во 2-ю группу включен оксид углерода (ПДК 20 мг/м³; 4 кл.). Это бесцветный газ без вкуса и запаха, очень слабо растворимый в воде. Вдыхаемый человеком, он соединяется с гемоглобином крови и подавляет его способность снабжать ткани организма кислородом. В результате наступает кислородное голодание организма и возникают нарушения в деятельности центральной нервной системы. Последствия воздействия зависят от концентрации оксида углерода в воздухе; так, при концентрации 0,05% через 1 ч появляются признаки слабого отравления, а при 1% наступает потеря сознания после нескольких вдохов.

В 3-ю  группу входят оксид азота (ПДК 5 мг/м³, 3 кл.) - бесцветный газ и диоксид азота (ПДК 2 мг/м³, 3 кл.) - газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Указанные газы являются примесями, способствующими образованию смога. Попадая в организм человека, они, взаимодействуя с влагой, образуют азотистую и азотную кислоты (ПДК 2 мг/м³, 3 кл.). Последствия воздействия зависят от их концентрации в воздухе, так, при концентрации 0,0013% происходит слабое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, при 0,002% - образование метагемоглобина, при 0,008% - отек легких.