Демонстрационный пример расчета загрязнения воздуха в г.Щелково от одного предприятия.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Таблицы

Рисунки

Работа рассматривалась как имеющая в первую очередь методический характер. Поэтому выводы относятся к методике расчета, с тем, чтобы их можно было использовать и в других подобных работах. Все расчеты проводились с помощью программного комплекса EHIPS, разработанного в ИКИ РАН.

Исходные данные и методика

Картосхемы, использованные в работе, взяты с сайтов свободного доступа в Интернете. Использованы также детальные планы и схемы города и территории предприятия. Имеются 3 варианта санитарно-защитных зон: радиусом 1000 м (установлен ранее, для всего производственного объединения, частью которого является предприятие), радиусом 500 м (действует в настоящее время) и радиусом 300 м (предлагается на будущее). Эти зоны, а также и окружающая их часть города, были положены в основу территориального разбиения.

Рисунок 1 Карта г. Щелково, использованная в работе

Рисунок 2 Рабочая часть карты с нанесенными тремя вариантами санитарно-защитной зоны

Рисунок 3 Клетки расчетной сетки. Двойные круги: внешний – СЗЗ радиусом 1000 м, средний – 500 м, внутренний – 300 м. Территория вне СЗЗ 1000 м названа «Жилая зона».

Приняты следующие данные по предельно допустимым концентрациям (максимально разовым и среднесуточным). Они соответствуют цифрам, использованным в официальных расчетах ПДВ предприятия.

Таблица 1 ПДК, принятые в качестве референтных уровней для сравнения с модельными концентрациями, мг/м3

Вещество Азота диоксид Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
ПДК м.р. 0,085 - - 0,3
ПДК с.с. 0,04 0,01 0,002 0,1

В части, посвященной расчету риска, использованы другие показатели токсичности веществ. Для аэрозолей это дополнительная смертность на 1000 человек населения в год, рассчитанная по соответствующему показателю для 10-микронной фракции взвешенных частиц, считая ее равной 0,55 от общей концентрации аэрозолей. Для остальных веществ (а также для тех аэрозолей, для которых этот показатель определен) это индекс опасности, рассчитанный как отношение к соответствующей референтной концентрации, рекомендуемой EPA. Эти данные сведены в следующую таблицу (исходя из данных о коэффициенте оседания, алюминия оксид и ванадия пятиокись рассматривались как аэрозоли и включались в оба типа риска).

Таблица 2 Референтные уровни для оценки риска.

Вещество Азота диоксид Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность на 1 мг/м3 - 0,0041 0,0041 0,0041
Референтная концентрация RFC 0,04 0,005 0,00007 -

Следует обратить внимание на большую разницу в отношении референтных уровней алюминия оксида и ванадия пятиокиси для ПДК и для риска. Это приводит к тому, что в терминах риска ванадия пятиокись играет значительно большую роль, чем в терминах ПДК.

Оценка дополнительной смертности по всему городу не проводилась, т.к. концентрации загрязнителей резко менялись в пределах жилой территории, а мы не располагали детализацией численности населения по территориям внутри города, которая позволила бы рассчитать риски по угрожаемым территориям. Полная численность населения города была принята равной 107 000 по состоянию на 2000 г. EHIPS позволяет проводить расчет риска согласно рекомендациям EPA - с детальным заданием сценариев экспозиции по территориям и группам населениям, учетом дозовой нагрузки и т.д. Однако в данной работе для этого не было исходных данных.

Расчет проводился по методике, положенной в основу ОНД-86, с дополнениями, описанными в книге [М.Е.Берлянд. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Гидрометеоиздат. Л., 1975]. Эти дополнения позволяют учесть текущую температуру воздуха, скорость и направление ветра (но не текущую устойчивость атмосферы и высоту инверсии). Метеоданные имелись на период сентябрь 2001 – сентябрь 2002 г. с интервалом в 3 часа. Расчеты средних значений велись в двух вариантах – в одном не учитывались нулевые значения, которые получались, когда ветер дул в сторону от расчетной точки, в другом – учитывались. Второй вариант более корректен с формальной точки зрения, но практика показывает, что он хуже соответствует усреднению данных прямых измерений – возможно, за счет неучета фоновых концентраций. Он рассмотрен в конце данной работы.

Таблица 3 Схема цветокодирования, использованная на приводимых ниже картах. Минимальное значение – фиолетовый цвет, максимальное – красный. Между ними цветокод линеен по значению. Черный цвет – значения ниже установленного минимума. Белый цвет – значения выше установленного максимума, либо «нет данных».

Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра Палитра

Среднегодовые значения

Таблица 4 Среднегодовые концентрации в среднем по зонам города, мг/м3

  Азота диоксид Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 0.0008012 0.00364 0.0002288 0.002607
СЗЗ 500 0.0004464 0.00183 0.0001311 0.001511
СЗЗ 1000 0.000201 0.0008064 6.147 10-5 0.0007091
Жилая зона 7.979 10-5 0.0003273 2.492 10-5 0.0002899

Вывод: среднегодовые концентрации в среднем по зоне не представляют опасности даже для наиболее загрязненной зоны СЗЗ 300. Однако это само по себе не значит, что в отдельных точках зоны не может быть опасности.

Для определения наличия среднегодовой опасности в отдельных клетках каждой зоны построены карты среднегодовых концентраций по каждому загрязнителю. Они нормированы на ПДК с.с., а для загрязнителей с очень малыми концентрациями – на 0,1 ПДК с.с.

Рисунок 4 Среднегодовые концентрации диоксида азота. Максимум – красный цвет – равен 0,1 ПДК с.с.

Рисунок 5 Среднегодовые концентрации пыли с содержанием 20-70% Si. Максимум – красный цвет – равен 0,1 ПДК с.с.

Рисунок 6 Среднегодовые концентрации пятиокиси ванадия. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с.

Рисунок 7 Среднегодовые концентрации алюминия оксида. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с. Карта построена в большем масштабе, т.к. далее мы сосредоточимся именно на этом веществе.

Выводы.

  1. Сделанный выше вывод об отсутствии среднегодовой опасности справедлив и для каждой точки всех зон, включая СЗЗ 300.
  2. Следует рассмотреть меньшие временные интервалы, к которым применима ПДК с.с., – месяцы и дни.
Далее приводятся аналогичные карты для помесячных концентраций в течение одного года (сентябрь 2001 – октябрь 2002). Для экономии места это сделано только для наиболее опасного вещества – алюминия оксида. Также для него приводится таблица концентраций в наиболее «горящей» клетке за каждый месяц.

Рисунок 8 Среднемесячные концентрации алюминия оксида за сентябрь 2001 г. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с. Карта в большем масштабе для удобства идентификации клеток на последующих картах.

Таблица 5 Средняя концентрация за месяцы и год. Максимальная клетка по зонам. Алюминия оксид.

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Год 0.005337 0.002943 0.001834 0.0006331
09/2001 0.009249 0.00316 0.002103 0.001099
10/2001 0.006619 0.003402 0.002564 0.001329
11/2001 0.0048 0.0023 0.001545 0.0006665
12/2001 0.009569 0.004716 0.003056 0.0009938
01/2002 0.007392 0.005094 0.003267 0.001171
02/2002 0.007417 0.003532 0.002031 0.0008325
03/2002 0.004965 0.003114 0.001951 0.0007488
04/2002 0.0115 0.008237 0.005071 0.001408
05/2002 0.009616 0.005022 0.002785 0.001076
06/2002 0.009369 0.005342 0.002808 0.001115
07/2002 0.008413 0.00402 0.001843 0.0009347
08/2002 0.005868 0.004115 0.002743 0.0009447
09/2002 0.007958 0.004498 0.002377 0.0008668
10/2002 0.007047 0.004036 0.002575 0.0009189

Таблица 6 Среднемесячные концентрации алюминия оксида. Максимум цветокода – красный цвет – равен ПДК с.с. Превышение максимума  - белый цвет.

Рисунок 9 Октябрь 2001 Рисунок 10 Ноябрь 2001 Рисунок 11 Декабрь 2001
Рисунок 12 Январь 2002 Рисунок 13 Февраль 2002 Рисунок 14 Март 2002
Рисунок 15 Апрель 2002 Рисунок 16 Май 2002 Рисунок 17 Июнь 2002
Рисунок 18 Июль 2002 Рисунок 19 Август 2002 Рисунок 20 Сентябрь 2002

Выводы. Как видно из этой и последующих карт, уже помесячные концентрации, в отличие от годовых, в некоторые месяцы и в некоторых клетках подходят вплотную к ПДК с.с. (красные клетки). Однако, во-первых, они  почти нигде не превосходят ПДК с.с. (за исключением одной клетки в апреле 2002 г., имеющей белый цвет), а во-вторых, все высокие значения концентраций лежат внутри самой тесной СЗЗ 300. Таким образом, и на этом временном интервале можно говорить об отсутствии опасности.

Дальнейший анализ сосредоточен на малых временных интервалах: от дня до трех часов -  минимального интервала между метеоданными, т.е. между моментами моделирования. Последние результаты мы будем для краткости именовать почасовыми. Поскольку все эти интервалы уже невозможно изобразить и оценить визуально, мы будем использовать различные приемы идентификации максимальных концентраций на этих интервалах: гистограммы, ранжировку и т.п.

Максимальные среднесуточные значения в среднем по зонам (все загрязнители)

В разных клетках в течение года достигаются разные максимальные значения концентрации. Для характеристики этого вида опасности в среднем по зоне, ниже приводятся значения максимумов отдельных клеток, усредненные в пределах каждой зоны. Т.е. сначала для каждой клетки находился годичный максимум среднесуточных концентраций, а потом эта величина усреднялась по клеткам, лежащим в каждой зоне.

Таблица 7 Годовой максимум среднесуточных концентраций в клетке, усредненный по зонам города, мг/м3

  Азота диоксид Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 0.007034 0.04294 0.002177 0.02365
СЗЗ 500 0.004629 0.02305 0.001398 0.01538
СЗЗ 1000 0.002189 0.009869 0.0006613 0.007375
Жилая зона 0.0009253 0.004123 0.0002858 0.003244

Для сравнения приводим рассчитанные в ПДВ (по другой методике) значения в контрольных точках на границе СЗЗ и в точке максимума внутри СЗЗ.

Таблица 8 Абсолютный максимум концентраций по ПДВ, усредненный по контрольным точкам  на внешней границе каждой зоны (для СЗЗ 300 м – в центре), мг/м3

  Азота диоксид Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 0.02 0.15 0.008 0.08
СЗЗ 500 0.004 0.011 0.0011 0.012
СЗЗ 1000 0.003 0.008 0.0005 0.007

Видно, что в ряде случаев максимумы среднесуточных концентраций превосходят ПДК с.с. для соответствующего загрязнителя. Для ванадия пятиокиси это происходит в зоне СЗЗ 300, а для алюминия оксида – и в зоне СЗЗ 500 (и даже в зоне СЗЗ 1000 расчетная концентрация подходит вплотную к ПДК с.с.). Поскольку речь идет о средних значениях по зоне, такой результат означает, что опасность имеется даже не в отдельных клетках, а для всей зоны в целом.

Видно также, что результаты настоящего расчета и расчетов по ПДВ более или менее согласуются для зон 500 и 1000 м. Рассогласование для зоны 300 м естественно, т.к. абсолютные максимумы, рассчитанные по ПДВ для ближней зоны, не могут быть воспроизведены довольно грубой клеточной системой, использованной здесь. Этого и не нужно, т.к. эти максимумы имеют точечный характер и вообще достаточно условны.

Ниже соответствующие результаты приведены в графической форме. Для сравнения рядом также приведены и среднегодовые значения, которые уже обсуждались выше.

Рисунок 21 Годовые средние по зонам города, мг/м3 Рисунок 22 Годовой максимум среднесуточных концентраций в клетке, усредненный по зонам города, мг/м3

Выводы относительно средних по зонам максимумов среднесуточных концентраций.

  1. Внутри СЗЗ с радиусом 300 м имеется значительное превышение ПДК с.с. по алюминия оксиду и незначительное – по ванадия пятиокиси. Поскольку это рабочая зона как в настоящее время, так и в предлагаемом на будущее варианте, такая ситуация не нарушает санитарные нормы.
  2. Внутри СЗЗ с радиусом 500 м имеется двукратное превышение ПДК с.с. по алюминия оксиду. Таким образом, этот загрязнитель представляет основную опасность, и далее мы сосредоточимся именно на нем. Необходимо более детально рассмотреть структуру его расчетных концентраций в пространстве и времени. Дело в том, что в пространственном разрезе речь идет о среднем значении по зоне СЗЗ 500, т.е. о превышении нормативной концентрации в зоне в целом, а не в какой-то отдельной ее точке, что, конечно, серьезно. С другой стороны, во временном разрезе речь идет, возможно, всего об 1-2 днях в год, что, снижает опасность.

Таким образом, наряду с рассмотренным выше разрезом данных (максимум по времени, усреднение в пространстве), мы рассмотрим те же данные сначала в детализации по пространству (сохраняя максимизацию по времени), а затем в детализации и по пространству, и по времени.

Приводимые ниже карты детализируют по клеткам ту информацию, которая выше была приведена в среднем по зонам. В клетке, оставленной пустой, проглядывает граница зоны СЗЗ 300. Наиболее важная карта – для алюминия оксида – приведена в двух вариантах нормировки цвета. Один – нормировка по ПДК – дан для сравнимости с картами других загрязнителей, другой – нормировка на 2,5 ПДК с.с. – для большей ясности пространственного паттерна.

Рисунок 23 Годовой максимум среднесуточных концентраций диоксида азота. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с.

Рисунок 24 Годовой максимум среднесуточных концентраций пыли с содержанием 20-70% Si. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с.

Рисунок 25 Годовой максимум среднесуточных концентраций пятиокиси ванадия. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с. Белые клетки – превышение максимума.

Рисунок 26 Годовой максимум среднесуточных концентраций алюминия оксида. Максимум – красный цвет – равен ПДК с.с. Рисунок 27 Годовой максимум среднесуточных концентраций алюминия оксида. Максимум – красный цвет – равен 2,5 ПДК с.с.

Выводы.

  1. Естественно, детализация по клеткам приводит к тому, что появляются клетки с опасными концентрациями даже там, где в среднем по зоне опасности нет. Так, по ванадия пятиокиси есть несколько клеток с превышением, лежащих хотя и вплотную к зоне СЗЗ 300, но все же уже на территории СЗЗ 500. По азота диоксиду и пыли опасности нет.
  2. По алюминия оксиду ситуация, очевидно, намного хуже, чем по пятиокиси ванадия. Даже за пределами зоны СЗЗ 500, внутри зоны СЗЗ 1000, есть много клеток с годовым максимумом среднесуточных концентраций, превышающим ПДК с.с. Таким образом, если требовать соблюдения ПДК с.с. для «наихудшего дня в году», то и зона с радиусом 500 м оказывается недостаточной, а достаточна только изначальная зона с радиусом 1000 м.

В этой ситуации естественен вопрос, постоянно ли работают источники наиболее опасного загрязнителя, и насколько вероятно совпадение их рабочего периода с датой расчетного максимума среднесуточных концентраций. Поскольку в данной работе мы не занимаемся производственной частью проблемы, рассмотрим вторую половину вопроса – как часто происходят превышения среднесуточного норматива. Этот вопрос можно решать как в целом по зоне (если имеется зона, опасная в целом, как для алюминия оксида), так и для отдельных клеток.

Временной разрез максимальных значений (алюминия оксид)

Теперь рассмотрим детализацию максимума по времени до уровня месяцев. Это позволит определить, насколько регулярным является появление превышений ПДК. Первая строка – среднегодовые значения - это те же данные, что в предыдущем разделе.

Таблица 9 Максимальная концентрация за месяцы и год в среднем по зонам. Алюминия оксид

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Год 0.04396 0.02362 0.01051 0.004483
09/2001 0.03567 0.01804 0.007953 0.00339
10/2001 0.03532 0.01864 0.008307 0.003552
11/2001 0.03791 0.01949 0.008695 0.003795
12/2001 0.04166 0.02029 0.008837 0.003759
01/2002 0.0355 0.01789 0.00781 0.003174
02/2002 0.04221 0.02153 0.009626 0.00403
03/2002 0.03264 0.01688 0.007509 0.003078
04/2002 0.03696 0.02021 0.008565 0.00354
05/2002 0.04162 0.02136 0.009298 0.003961
06/2002 0.03926 0.01998 0.008484 0.003666
07/2002 0.03789 0.01914 0.008402 0.003525
08/2002 0.03699 0.01921 0.00852 0.003645
09/2002 0.03567 0.0188 0.00836 0.003571
10/2002 0.03617 0.01885 0.008352 0.003583

Вывод. По алюминия диоксиду зона с радиусом 500 м (не говоря уже о зоне 300 м) является опасной как целое хотя бы один день в каждый месяц. Зона 1000 м, взятая как целое, уже уходит под опасный уровень. (Поскольку после определения максимума использовалось усреднение клеток внутри зоны, годовое значение в таблице не равно максимуму из месячных значений, а всегда несколько выше).

Охарактеризуем теперь каждую зону по ее «худшей точке». Естественно, получатся значительно более высокие цифры концентраций, чем при усреднении по зонам.

Таблица 10 Максимальная концентрация за месяцы и год. Максимальная клетка по зонам. Алюминия оксид

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Год 0.08 0.04266 0.0238 0.008463
09/2001 0.07049 0.03381 0.01877 0.006027
10/2001 0.07049 0.03381 0.01909 0.00668
11/2001 0.07214 0.03434 0.01912 0.007017
12/2001 0.08 0.03931 0.02066 0.007183
01/2002 0.08 0.04007 0.0209 0.007134
02/2002 0.07906 0.04266 0.0238 0.007259
03/2002 0.07954 0.03584 0.02124 0.007416
04/2002 0.07814 0.04055 0.02199 0.007352
05/2002 0.07912 0.04052 0.02059 0.008463
06/2002 0.07909 0.04134 0.0208 0.007682
07/2002 0.07716 0.03621 0.0197 0.007004
08/2002 0.07552 0.03643 0.0197 0.006994
09/2002 0.07214 0.03624 0.01901 0.006963
10/2002 0.06758 0.03312 0.01862 0.006663

Вывод. По алюминия оксиду даже зона с радиусом 1000 м не является абсолютно безопасной: превышение ПДК с.с. в какой-либо ее точке – регулярное явление, оно повторяется каждый месяц.

Для рассмотрения повторяемости ежедневных превышений ПДК с.с., будем строить гистограммы либо среднесуточных, либо почасовых значений. Их «хвосты» в области больших значений (т.е. справа) могут быть более или менее весомыми, и это характеризует частоту повторяемости больших значений. Гистограммы с большим, но однократным максимальным значением менее опасны. Чтобы отстроиться от таких уникальных, хоть и больших, значений концентрации, мы характеризуем гистограмму ее квантилем по уровню 95%, т.е. значением концентрации, которое бывает превышено в 5% случаев. Берется либо само это значение, либо среднее от пятипроцентного «хвоста» гистограммы.

Сначала рассмотрим гистограммы почасовых значений. Ниже приводится карта среднего «хвоста» годовой гистограммы по каждой клетке. Это значение для клетки, с одной стороны, должно увеличиваться по сравнению с приведенным выше максимумом среднесуточных концентраций, а с другой, уменьшаться. Увеличивается оно потому, что нет сглаживающего эффекта усреднения за сутки, а уменьшается потому что берется уже не абсолютный максимум («кончик хвоста»), а «центр тяжести хвоста». В результате баланса этих факторов получается примерно та же картина (ср. Рисунок 27 ).

Рисунок 28 Карта средних значений хвоста годовых гистограмм почасовых значений выше квантиля 95% (по клеткам). Алюминия оксид. Нормировка максимума 0,03 мг/м3. Граница синего и зеленого цвета - ПДК с.с.

Вывод. Наряду с годовыми максимумами среднесуточных концентраций, можно использовать для сравнения с ПДК с.с. 95% квантиль годовой гистограммы почасовых концентраций (или центр тяжести хвоста гистограммы, находящегося выше этого уровня). В одних случаях удобнее одно, в других – другое.

Ниже мы приводим гистограммы и их «хвосты» для каждой клетки (сгруппировав их для удобства по зонам).

Рисунок 29 Годовые гистограммы клеток в СЗЗ 300 м – часть выше квантиля 95%. Алюминия оксид.

Рисунок 30 Годовые гистограммы клеток в СЗЗ 500 м. Алюминия оксид.

Рисунок 31 Годовые гистограммы клеток в СЗЗ 500 м– часть выше квантиля 95%. Алюминия оксид

Рисунок 32 Годовые гистограммы клеток в СЗЗ 1000 м. Алюминия оксид.

Рисунок 33 Годовые гистограммы клеток в СЗЗ 1000 м– часть выше квантиля 95%. Алюминия оксид.

На этих гистограммах легко идентифицировать значение квантиля для каждой клетки – это просто значение, левее которого в гистограмме нет заполненных клеток (так выражается урезание гистограммы по квантилю). В СЗЗ 300 у большинства клеток это значение (и, соответственно, хвост гистограммы) лежит далеко за пределами ПДК с.с. В СЗЗ 500 таких клеток меньше, но достаточно много (примерно половина). Для СЗЗ 1000, ввиду большого числа клеток, гистограмму уже неудобно представлять в трехмерном виде, и применен «вид сверху».  На нем высота ячейки гистограммы кодируется цветом, одной ячейке – одной гистограмме – соответствует строка, и квантиль – это место в строке, откуда налево идут одни пустые клетки. Видно, что и в этой зоне есть несколько клеток (их гистограммы уходят далеко направо), у которых квантиль превышает ПДК с.с.

Вывод. Рассмотрение гистограмм и их квантилей подтверждает выводы, сделанные выше по максимуму среднесуточных концентраций, об опасности по алюминия оксиду в различных территориальных зонах. Однако, в отличие от максимума среднесуточных концентраций, гистограммы позволяют с уверенностью судить о регулярности этих превышений.

Максимальные значения по алюминия оксиду с учетом нулевых концентраций

В этом разделе мы повторяем те же вычисления, что и выше, но включаем в средние значения все нулевые расчетные концентрации, которые выше по умолчанию исключались. В результате, естественно, все средние значения значительно уменьшаются, за исключением среднего по времени от максимальной клетки в пределах зоны (потому что у этой величины нулей практически не бывает). Мы рассматриваем здесь влияние этого варианта вычислений только на значения типа «максимум по времени», потому что среднегодовые значения, как мы видели, и без этого всегда меньше, чем  ПДК с.с. Начнем с почасовых концентраций.

Рисунок 34 Карта 95% квантилей почасовых значений за год. Алюминия оксид. Нормировка максимума 5 ПДК с.с.Видно, что учет нулей снизил концентрации, но не резко (ср. Рисунок 28). При этом превышения ПДК (синие клетки и выше) практически перестали выходить за пределы СЗЗ 500. Более детальное рассмотрение отдельных клеток в каждой зоне по гистограмме приведено ниже.

Рисунок 35 Годовые гистограммы с учетом всех нулей. Алюминия оксид. Клетки в СЗЗ 300 м.Большая часть квантилей превышает ПДК с.с. Но даже в наихудших клетках эти квантили не превышают 3 ПДК с.с.

Рисунок 36 Хвосты годовых гистограмм выше квантиля 95%. Алюминия оксид. Клетки СЗЗ 500 м. Рисунок 37 Хвосты годовых гистограмм выше квантиля 95% с учетом нулей. Клетки СЗЗ 500 м.

На приведенном выше рисунке ясно виден эффект учета нулей (справа) по сравнению с исходным вариантом (слева). (Обратите внимание на разный масштаб по оси абсцисс). Если в исходном варианте значительное число клеток имели квантили от 2 до 3 ПДК с.с., то с учетом нулей только 1-2клетки имеют небольшие превышения ПДК с.с.

Рисунок 38 Хвосты годовых гистограмм выше квантиля 95% с учетом нулей. Клетки СЗЗ 1000 м. Рисунок 39 Хвосты годовых гистограмм выше квантиля 95% с учетом нулей. Клетки жилой зоны.

В СЗЗ 1000, в отличие от случая без учета нулей,  нет превышений ПДК с.с., и большая часть клеток имеет 95%-квантили меньше, чем 0,5 ПДК с.с. В жилой зоне ситуация еще более благополучная.

Вывод. С учетом нулей, зона 500 м почти целиком превращается в безопасную по алюминия оксиду, если сравнивать с ПДК с.с. 95%-квантиль годовой гистограммы почасовых концентраций.

Теперь рассмотрим, как влияет учет нулей на максимум среднесуточных концентраций.

Чтобы определить наличие в каждой зоне превышений ПДК, удобно построить ранжировку вышеуказанной величины по клеткам отдельно по каждой зоне (см. Рисунок 40 ниже ). Сразу видно, сколько клеток в каждой зоне превышают порог. Видно, что в зоне 300 м таких клеток большинство (как было и без учета нулей), в зоне 500 м их всего 2, а в других зонах нет вообще. Это подтверждает вывод о приближении 500-м зоны к безопасному порогу, если включать в средние значения нули. В данном случае изменяется результат усреднения за каждый день, в котором присутствуют нулевые почасовые значения. На отбор же максимума из суточных значений наличие нулей, естественно, не влияет.

Рисунок 40 Максимум за год от суточных средних каждой клетки. Ранжировка по клеткам внутри каждой зоны. Алюминия оксид.

Далее приведем для среднесуточных значений такие же гистограммы, какие были даны в выше для почасовых значений. Поучительно их сравнить. Однако вопрос о том, какое число повторений превышения ПДКс.с. считать допустимым в течение года, мы в данной работе не рассматриваем, и поэтому не делаем выводов об опасности по этим гистограммам. Во всяком случае, 95%-квантиль для них использовать уже некорректно.

Рисунок 41 Гистограммы суточных средних каждой клетки. Алюминия оксид. Клетки в СЗЗ 300 м.

Рисунок 42 Гистограммы суточных средних каждой клетки. Алюминия оксид. Клетки в СЗЗ 500 м.

Рисунок 43 Наложенные гистограммы суточных средних каждой клетки. Алюминия оксид. Клетки в СЗЗ 500 м.

Выше для удобства мы спроектировали трехмерную гистограмму для зоны 500 м на плоскость. При этом легче оценить, какая часть совокупности гистограмм выходит за значение ПДК. Это своего рода оценка повторяемости опасности для зоны в целом. Поскольку суммарное число случаев в хвосте гистограммы надо здесь разделить на число точек, по которым построен этот хвост, получим оценку повторяемости – несколько случаев в год.

Рисунок 44 Гистограммы суточных средних каждой клетки. Алюминия оксид. Клетки в СЗЗ 1000 м.На вышеприведенном рисунке для зоны 1000 м приведена другая форма представления, по которой тоже можно оценить повторяемость. Видно, что для наихудших клеток она составляет несколько случаев в год, если же отнести эту величину к зоне в целом, получится меньше одного случая в год.

Общие выводы о сравнительной опасности разных вариантов СЗЗ

  1. Среднегодовые значения, по сравнению с ПДК с.с., не представляют опасности ни в одной зоне и ни для одного загрязнителя.
  2. Максимальные почасовые значения за год в наихудшей точке зоны представляют опасность по алюминия оксиду – для всех зон, за исключением жилой, по ванадия пятиокиси – для зоны 300 м. При этом для корректного сопоставления с ПДК с.с. используется не абсолютный максимум, а 95%-квантиль гистограммы почасовых значений.
  3. Максимальные значения среднесуточной концентрации дают качественно те же результаты, что и 95%-квантиль гистограммы почасовых значений.
  4. Включение нулевых расчетных концентраций в ряд суточных значений приводит к тому, что зона 500 м становится почти безопасной с точки зрения вышеуказанных критериев. При этом под понятием «безопасная» имеется в виду не абсолютное отсутствие превышений ПДК где-либо в пределах зоны, а частота повторяемости таких превышений не более нескольких раз в год и не более, чем в нескольких клетках зоны.
  5. Имеется неплохое согласие между расчетами, проведенными здесь на основе максимальных значений среднесуточной концентрации без учета нулей и сравнимыми с ПДК с.с., и расчетами по ПДВ, проведенными на основе той же ОНД-86, но по другой методике, для максимальных разовых концентраций и сравнимыми с ОНД м.р. Это означает, что, с некоторой осторожностью и только для данного предприятия, можно использовать комбинацию «ПДВ – ПДК с.с.», если в качестве критерия принять абсолютное отсутствие превышения ПДК с.с. в течение года. В зависимости от того, какая частота превышения считается допустимой, подходящий норматив для сравнения будет сдвигаться от ПДК с.с. в направлении ПДК м.р.

Расчет рисков

Мы рассматриваем три варианта значений риска, в зависимости от того, по какому типу концентраций они рассчитаны. Первый – риски по среднегодовым концентрациям, второй – по максимуму среднесуточных концентраций за год, третий – по среднегодовым, с учетом нулевых значений расчетной концентрации при вычислении средних значений по времени. Для быстрой визуальной идентификации опасных значений индекса риска соответствующие клетки в таблицах выделяются цветом: зеленым – при незначительном превышении порога (от 1 до 2), желтым – при среднем превышении (от 2 до 5), красным – при значительном превышении (свыше 5). Для дополнительной смертности аналогичного выделения нельзя сделать, так как для нее нет пороговых нормативов.

Среднегодовые значения

Следующая таблица дает наиболее интегральное представление риска.

Таблица 11 Среднегодовые риски в сумме по всем загрязнителям

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Дополнительная смертность 1.615 0.8657 0.3932 0.1601
Индекс риска по EPA 4.016 2.25 1.044 0.4235

Вывод. Если сравнить эти данные с тем, что дает Таблица 4 , видно что индекс риска по отношению к своему порогу (единице) значительно выше, чем концентрации загрязнителей по отношению к своим порогам (ПДК). Это объясняется как суммацией риска по загрязнителям, так и тем, что референтные концентрации по алюминия оксиду и особенно по ванадия пятиокиси значительно строже, чем соответствующие ПДК с.с.

Рассмотрим вклады отдельных загрязнителей в оба типа риска.

Таблица 12 Дополнительная смертность в среднем по зонам. Вклады загрязнителей.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 1.615 - - 0.9077 0.05704 0.6501
СЗЗ 500 0.8657 - - 0.4563 0.03269 0.3767
СЗЗ 1000 0.3932 - - 0.2011 0.01533 0.1768
Жилая зона 0.1601 - - 0.08161 0.006215 0.07228

Таблица 13 Индекс риска в среднем по зонам. Вклады загрязнителей.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 4.016 0.02003 - 0.728 3.268 -
СЗЗ 500 2.25 0.01116 - 0.366 1.873 -
СЗЗ 1000 1.044 0.005024 - 0.1613 0.8782 -
Жилая зона 0.4235 0.001995 - 0.06546 0.356 -

Видно, что индекс риска формируется в основном за счет ванадия пятиокиси. Дополнительная смертность формируется в сравнимых долях за счет алюминия диоксида и пыли. Это верно для любой зоны.

Ниже, для удобства оценки опасности в каждой зоне, те же данные приводятся в несколько другом разрезе.

Таблица 14 Регион:СЗЗ 300. Средний по территории риск обоих типов в разбивке по загрязнителям.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 1.615 - - 0.9077 0.05704 0.6501
Индекс риска по EPA 4.016 0.02003 - 0.728 3.268 -

Таблица 15 Регион:СЗЗ 500. Средний по территории риск обоих типов в разбивке по загрязнителям.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.8657 - - 0.4563 0.03269 0.3767
Индекс риска по EPA 2.25 0.01116 - 0.366 1.873 -

Таблица 16 Регион:СЗЗ 1000. Средний по территории риск обоих типов в разбивке по загрязнителям.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.3932 - - 0.2011 0.01533 0.1768
Индекс риска по EPA 1.044 0.005024 - 0.1613 0.8782 -

Таблица 17 Регион: Жилая зона. Средний по территории риск обоих типов в разбивке по загрязнителям.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.1601 - - 0.08161 0.006215 0.07228
Индекс риска по EPA 0.4235 0.001995 - 0.06546 0.356 -

Вывод. Если рассматривать зоны в целом, то среднегодовая опасность с точки зрения индекса риска покрывает зоны СЗЗ 300, СЗЗ 500 и примерно равна порогу в зоне СЗЗ 1000. Она формируется в основном за счет ванадия пятиокиси.

Рассмотрим теперь пространственную структуру среднегодовых рисков. Это особенно существенно для зоны СЗЗ 1000, через которую проходит пороговый уровень по индексу риска.

Рисунок 45 Индекс риска по EPA по среднегодовым концентрациям. Максимум (красный цвет) – 6. Пороговое значение 1 соответствует темно-синему цвету.

Видно, что в довольно значительной части зоны СЗЗ 1000, примыкающей к границе с зоной СЗЗ 500, пороговое значение индекса риска превышено. С точки зрения индекса риска и при используемом здесь среднегодовом подходе без учета нулей, следовало бы провести границу СЗЗ именно здесь – чуть шире зоны СЗЗ 500.

Рисунок 46 Дополнительная смертность. Максимум (красный цвет) - 2.5 случаев в год на 1000 населения.

Вывод. Несмотря на то, что индекс риска и дополнительная смертность формируются разными загрязнителями, они имеют практически идентичную пространственную структуру. Поэтому между ними на всех территориях сохраняется пропорциональность, и, несмотря на отсутствие нормативов по дополнительной смертности, для нее имела бы смысл та же граница СЗЗ, что и для индекса риска. При этом автоматически установился бы пороговый уровень по дополнительной смертности, равный приблизительно 0,5 случая в год на 1000 населения. 

Максимальные среднесуточные значения

Для полноты представления данных мы приводим значения не только индекса риска, но и дополнительной смертности, рассчитанной по годовому максимуму среднесуточных значений. Поскольку дополнительная смертность, рассматриваемая в данной работе, формируется по долговременному механизму, расчет по максимуму среднесуточных концентраций не имеет для нее прямого физического смысла, но позволяет оценить временной механизм формирования среднегодовых значений. Такую дополнительную смертность можно назвать условной, поскольку она как бы предполагает, что имеет место пожизненная экспозиция к концентрациям, равным максимальной среднесуточной.

Индекс же риска, в принципе, отражает как краткосрочные, так и долгосрочные эффекты. Поэтому цифры индекса риска, рассчитанные по максимуму среднесуточных концентраций, могут иметь смысл, а могут и не иметь, в зависимости от того, какие загрязнители дают в них вклад.

Следующая таблица дает наиболее интегральное представление риска.

Таблица 18 Максимум среднесуточных рисков в сумме по всем загрязнителям

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Дополнительная смертность 17.15 9.93 4.465 1.908
Индекс риска по EPA 39.86 24.7 11.48 4.93

Вывод. С точки зрения превышения порога максимальным за год среднесуточным индексом риска, вся использованная в данной работе сетка является зоной опасности. Разумеется, необходимо рассмотреть вопрос, насколько применим к индексу риска такой «максималистский» подход: он уместен только для острых, а не хронических типов ущерба для здоровья, а это может различаться для разных загрязнителей, дающих вклад в индекс риска.

Поэтому далее рассмотрим вклады отдельных загрязнителей в оба типа риска.

Таблица 19 Максимум среднесуточных значений дополнительной смертности в среднем по зонам. Вклады загрязнителей.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 17.15 - - 10.71 0.5428 5.898
СЗЗ 500 9.93 - - 5.747 0.3487 3.835
СЗЗ 1000 4.465 - - 2.461 0.1649 1.839
Жилая зона 1.908 - - 1.028 0.07126 0.8088

Таблица 20 Индекс риска в среднем по зонам. Вклады загрязнителей.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 39.86 0.1759 - 8.588 31.1 -
СЗЗ 500 24.7 0.1157 - 4.609 19.98 -
СЗЗ 1000 11.48 0.05473 - 1.974 9.447 -
Жилая зона 4.93 0.02313 - 0.8245 4.082 -

Вывод. Высокие значения индекса риска формируются загрязнителями, для которых референтные концентрации установлены по хроническим эффектам. Поэтому индекс риска, рассчитанный по максимальным среднесуточным концентрациям, не может быть применен напрямую. Однако его высокие значения являются основанием для того, чтобы учитывать и кратковременные экспозиции, а не только среднегодовые концентрации. Однако для этого должны использоваться другие референтные уровни, чем те, что применялись в данной работе.

Еще один аргумент в пользу учета максимальных концентраций – то, что приведенные цифры относятся к средним величинам по зонам. Для отдельных клеток внутри зон они могут быть еще выше, как это показывают следующие карты.

Рисунок 47 Дополнительная смертность (условно – при пожизненной экспозиции к максимальным среднесуточным концентрациям). Максимум (красный цвет) - 35 случаев в год на 1000 населения.

Рисунок 48 Индекс риска по EPA по максимальным среднесуточным концентрациям.Максимум (красный цвет) – 80.

Для более глубокого понимания механизма формирования среднегодовых значений риска из среднесуточных приведем в качестве иллюстрации гистограммы последних для зоны СЗЗ 500. Максимальные значения, рассмотренные в данном разделе, - это кончик хвоста гистограммы, а среднегодовые значения – центр ее тяжести. Соотношение этих величин разное для разных клеток, и оно определяет, насколько актуален учет максимальных среднесуточных рисков в дополнение к среднегодовым. В данной работе мы не будем углубляться дальше в этот вопрос.

Рисунок 49 Гистограммы среднесуточных значений вклада в дополнительную смертность для каждой клетки из СЗЗ 500.

Рисунок 50 Гистограммы среднесуточных значений индекса риска для каждой клетки из СЗЗ 500.

Вывод. Использование гистограмм делает «максималистский» подход более корректным: позволяет рассмотреть соотношение вкладов в среднегодовое значение риска от обычных и от экстремальных суточных значений. Это относится в равной мере и к индексу риска, и к дополнительной смертности. Наиболее корректный подход к учету больших кратковременных рисков состоит как раз в свертке гистограммы с неким профилем реакции, учитывающим как значение суточного «парциального» риска, так и частоту его повторяемости.

Среднегодовые значения с учетом нулевых концентраций

В этом разделе воспроизводятся среднегодовые результаты с коррекцией на учет нулей в средних значениях. Именно эти цифры соответствуют традиционному подходу к оценке риска.

Следующая таблица дает наиболее интегральное представление риска.

Таблица 21 Среднегодовые риски в сумме по всем загрязнителям с учетом нулевых концентраций.

  СЗЗ 300 СЗЗ 500 СЗЗ 1000 Жилая зона
Дополнительная смертность 1.078 0.5633 0.2574 0.1045
Индекс риска по EPA 2.675 1.456 0.6796 0.2748

Вывод. Учет нулей приводит к снижению цифр риска примерно в 1,5 раза. При этом зона СЗЗ 500 подходит достаточно близко к порогу по индексу риска, чтобы имело смысл рассматривать вопрос о допустимости ее сокращения.

Для удобства сравнения воспроизводим здесь те же разрезы риска по загрязнителям и территориям, какие были приведены в разделе о среднегодовом риске без учета нулей.

Таблица 22 Индекс риска по EPA. Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 2.675 0.01325 0 0.4887 2.173 0
СЗЗ 500 1.456 0.007194 0 0.2399 1.209 0
СЗЗ 1000 0.6796 0.003261 0 0.1063 0.57 0
Жилая зона 0.2748 0.001291 0 0.04301 0.2305 0

Таблица 23 Дополнительная смертность. Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
СЗЗ 300 1.078 0 0 0.6093 0.03792 0.4308
СЗЗ 500 0.5633 0 0 0.2991 0.0211 0.2431
СЗЗ 1000 0.2574 0 0 0.1326 0.00995 0.1149
Жилая зона 0.1045 0 0 0.05362 0.004023 0.04686

Таблица 24 Регион:СЗЗ 300 Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 1.078 0 0 0.6093 0.03792 0.4308
Индекс риска по EPA 2.675 0.01325 0 0.4887 2.173 0

Таблица 25 Регион:СЗЗ 500. Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.  

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.5633 0 0 0.2991 0.0211 0.2431
Индекс риска по EPA 1.456 0.007194 0 0.2399 1.209 0

Таблица 26 Регион:СЗЗ 1000. Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.2574 0 0 0.1326 0.00995 0.1149
Индекс риска по EPA 0.6796 0.003261 0 0.1063 0.57 0

Таблица 27 Регион:Жилая зона. Среднегодовые риски по загрязнителям и зонам с учетом нулевых концентраций.

  Все вещества Азота диоксид Серная кислота Алюминия оксид Ванадия пятиокись Пыль 20-70% Si
Дополнительная смертность 0.1045 0 0 0.05362 0.004023 0.04686
Индекс риска по EPA 0.2748 0.001291 0 0.04301 0.2305 0

Все выводы, сделанные ранее без учета нулей (о вкладе загрязнителей в риск и т.д.) остаются в силе, но меняются цифры.

Для определения границы территории с допустимыми значениями риска, построим карты обоих типов риска. 

Рисунок 51 Дополнительная смертность – карта среднегодовых значений с учетом нулей. Максимум – красный цвет – равен 2 случаям в год на 1000 чел.

Рисунок 52 Индекс риска – карта среднегодовых значений с учетом нулей. Максимум – красный цвет – равен 5. Пороговое значение 1 соответствует темно-синему цвету.

Зеленые, желтые и красные клетки на этой карте соответствуют значениям индекса риска, которые в приводимых выше таблицах отмечались желтой заливкой. Синие клетки на карте соответствуют зеленым клеткам таблиц.

Следующая карта воспроизводит информацию  предыдущей, но, для удобства визуализации границы угрожаемой территории, максимум цветокода установлен в единицу. Таким образом, белые клетки на этой карте соответствуют всем значениям, которые в таблицах отмечались заливкой.

Рисунок 53 Индекс риска – карта среднегодовых значений с учетом нулей. Максимум – красный цвет – равен 1. Превышения порога – белый цвет.

Вывод. С точки зрения среднегодового индекса риска, учитывающего нулевые концентрации, именно СЗЗ 500 наилучшим образом соответствует требуемой санитарно-защитной зоне. Правда, с учетом розы ветров, ее следовало бы не проводить концентрическим образом вокруг источников выброса, а слегка сдвинуть на юго-восток.

Общий вывод о наличии опасности

Выводы по концентрациям.

  1. Используются среднесуточные ПДК, т.к. для основных загрязнителей максимально разовые не определены. Среднегодовые расчетные концентрации не представляют опасности ни по одному загрязнителю и ни на одной территории, даже в наихудшей клетке наиболее тесной зоны радиусом 300 м.
  2. Среднемесячные расчетные концентрации изредка превышают ПДК с.с., но только в единичных клетках внутри зоны 300 м, так что с этой точки зрения она обеспечивает безопасность.
  3. При рассмотрении среднесуточных концентраций оценка опасности зависит от допустимой частоты превышения ими ПДК с.с. Если недопустимы даже однократные превышения, то по ванадия пятиокиси безопасность обеспечивается лишь зоной радиусом 500 м, а по алюминия оксиду – лишь зоной радиусом 1000 м. Если же допустима 5% частота превышения, причем при ее расчете учитываются и моменты времени с нулевой расчетной концентрацией, то по ванадия пятиокиси зона 300 м полностью обеспечивает безопасность, а по алюминия оксиду зона 300 м обеспечивает безопасность везде, за исключением 1-2 клеток. Таким образом, по этому критерию небольшая коррекция границы 300 м зоны может сделать ее допустимой по отдельным загрязнителям (без учета суммации). Учет суммации осуществлялся по рискам.
  4. Основной загрязнитель, определяющий размер санитарно-защитной зоны, - алюминия оксид.

Выводы по рискам.

  1. При учете нулевых концентраций и использовании в качестве критерия среднегодового значения индекса риска по EPA (интегрально по всем вносящим в него вклад загрязнителям), граница порогового значения критерия примерно соответствует СЗЗ с радиусом 500 м, с некоторым смещением.
  2. Основной загрязнитель, формирующий индекс риска по EPA, - ванадия пятиокись.
  3. В силу наличия систематической повторяемости высоких значений среднесуточного индекса риска, представляется, что необходим их учет, наряду со среднегодовым значением. Стандартной методики такого учета нет, но представляется, что в любом случае это увеличит требования к санитарно-защитной зоне.
  4. Если принять СЗЗ по среднегодовому индексу риска, то на ее границе дополнительная смертность будет около 0,5 случаев на 1000 чел. населения в год. Оценить ожидаемую дополнительную смертность в абсолютных величинах было невозможно из-за отсутствия детальных данных о населении по территориям.