Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В Кыргызской Республике в настоящее время наблюдается рост концентрации основных загрязнителей атмосферного воздуха, как из стационарных источников, так и вследствие увеличения численности автотранспорта, ухудшения качества топлива, особенно используемого в частном секторе и в автомобильном транспорте. При этом в Бишкеке часто наблюдается смог, вредный для здоровья населения, особенно для уязвимых групп. Оценка ситуации и, соответственно, дальнейшего ее развития возможна на основе ретроспективного анализа, на основе данных, опубликованных в справочной литературе и других источниках. Опубликованные данные, хотя и охватывают довольно большие периоды времени, в основном пятилетние, однако не дают картины развития ситуации в целом.

Интересным является также поиск взаимосвязи ситуации, закономерностей ее проявления, в локальном, на уровне городов, и в глобальном, на уровне Республики, масштабах. Для поиска таких закономерностей рассчитываются коэффициенты корреляции, производится сглаживание динамических кривых, изучаются темпы роста и прироста показателей.

Целью данной работы являлось изучение закономерностей, в рамках системного подхода, процессов распространения основных загрязнителей в Кыргызской Республике и в некоторых городах Чуйской области, таких как Бишкек, Кара-Балта, Токмок.

Материалы и методы исследования

В работе использованы методы вариационной статистики, к числу которых относится описательная статистика, анализ динамики изменения концентрации загрязнителей и индексов загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА), сглаживание данных, сравнение средних величин показателей динамики, корреляционный анализ и пр. и системного анализов, к числу которых относится ретроспективный анализ. Основой системного анализа, как известно, является системный подход, применяемый при анализе сложных объектов, явлений и примененный нами для анализа сложившейся ситуации с загрязнением атмосферного воздуха. Темпы прироста и коэффициенты вариации рассчитаны согласно справочнику по математической статистике [1].

Данные для анализа были взяты из различных источников, в том числе из сборников Нацстаткомитета Кыргызской Республики, посвященных охране окружающей среды, и др. [2].

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрены валовые выбросы загрязнителей атмосферного воздуха из стационарных источников по Кыргызстану в целом, Бишкеку и по Чуйской области. Так, для валового выброса, тыс. т, с 2000 по 2019 г., найдены следующие значения коэффициентов корреляций: для пары КР – Бишкек R = 0,686, Бишкек – Чуйская обл. R = 0,516, КР – Чуйская обл. R = 0,109. Из этих данных видно, что между показателями для пар Бишкек и КР, а также между Бишкеком и Чуйской областью коэффициенты корреляции, указывающие на зависимость между переменными, находятся на среднем (R = 0,516) и немного выше среднего уровня (R = 0,686). Между показателями КР и Чуйской области связь довольно слаба (R = 0,109). Для выбросов, приходящихся на одного человека, в кг, значение коэффициента корреляции для пары Бишкек – КР было на уровне несколько выше среднего (R = 0,682).

По темпам прироста показателей, в пятилетних интервалах, с 2000 по 2019 г., получены следующие значения, в отношении валовых выбросов, тыс. т (табл. 1).

Таблица 1

Темпы прироста показателей для валовых выбросов из стационарных источников для Кыргызской Республики в целом и в некоторых ее регионах, в %

Здесь видно, что наиболее значимые показатели прироста загрязнителей для КР и Бишкека имели место в 2005–2014 гг., где темпы прироста составили значения, Т= 61 % и Т = 83,4 % соответственно. Для Чуйской области наибольшее значение темпа прироста в 2010–2014 гг. составило величину Т = 70,2 %. С 2014 по 2019 г. имело место некоторое сокращение темпов прироста выбросов, в основном из стационарных источников, по КР и Бишкеку. А для Чуйской долины, наоборот, произошло увеличение объема выбросов. В 2009 г. произошел выброс загрязняющих веществ, на уровне 118,2 тыс. т, по Кыргызской Республике в целом, что и отразилось на значениях показателей темпа прироста в период с 2005 по 2009 г.

Далее, нами было рассмотрено изменение значений показателей, таких как концентрации основных загрязняющих веществ и индексы загрязнения атмосферы (ИЗА), по г. Бишкеку в 2000–2019 гг. Напомним известные факты об индексе ИЗА [3, 4]. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) применяется для информирования соответствующих государственных органов, общественных организаций и населения с целью принятия превентивных мер. При значении показателя ИЗА более 14 считается, что уровень загрязнения атмосферного воздуха очень высокий, обусловливающий риск различных заболеваний, в том числе бронхолегочных, онкологических, и детскую заболеваемость. При значениях ИЗА более 7, но менее 14 – уровень высокий, при ИЗА более 5, но менее 7 – относительно высокий, а при ИЗА менее 5 считается низким. Значения показателя ИЗА приведены на рисунке. По данным рисунка можно заключить, что уровень загрязнения атмосферного воздуха над Бишкеком за последние годы остается довольно высоким (ИЗА = 7,62 в 2016 г. и до ИЗА = 8,34 в 2019 г.). Возможен рост показателя и в последующие годы. В динамике кривая, приведенная на рисунке, напоминает затухающую экспоненту, в период с 2000 по 2015 г., с последующим возрастанием показателя начиная с 2016 г., от 7,62 до 8,93 (2018 г.) и 8,32 (2019 г).

Значения показателя ИЗА в Бишкеке с 2000 по 2019 г. (значения сглажены, многократно)

Для определения зависимости между показателями ИЗА и концентрациями в атмосферном воздухе над Бишкеком некоторых основных поллютантов, таких как диоксид серы, диоксид азота, оксид азота, аммиак и формальдегид, рассчитаны коэффициенты корреляции, которые приведены в нижеследующей, корреляционной, табл. 2.

Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что наиболее высокие значения коэффициентов корреляции наблюдаются практически для всех пар ИЗА с основными поллютантами. Это естественно, так как ИЗА рассчитывается исходя из концентраций основных загрязнителей атмосферного воздуха. За исключением диоксида азота, где связь отрицательна, близка к нулю. Для диоксида серы связи высоки с формальдегидом и аммиаком. У диоксида азота связь положительна и почти на среднем уровне только с оксидом азота. У формальдегида связь находится на среднем уровне с оксидом азота (R = 0,498) и с аммиаком (R = 0,725).

Темпы прироста значений показателей для основных загрязнителей атмосферного воздуха по г. Бишкеку приведены в табл. 3. Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что наиболее высокие темпы изменения показателя ИЗА наблюдаются в периоды с 2010 по 2014 г. и с 2015 по 2019 г., где они составляют величины Т = 57,7 и 46,8 % соответственно. Для диоксида серы наибольший показатель (Т = 50 %) наблюдался в период с 2010 по 2014 г. У остальных наибольшие значения темпа прироста наблюдались с 2015 по 2019 г., за исключением формальдегида, где имело место снижение показателя в отрицательную сторону, что связано с убыванием концентрации загрязнителя.

Нами были проанализированы также динамические кривые загрязнения атмосферного воздуха твердыми частицами РМ 2,5 и РМ 10, которые, как известно из литературы, приводят к большому количеству преждевременных смертей и заболеваемости, в том числе сердечно-сосудистыми и бронхо-легочными болезнями [5].

Таблица 2

Значения коэффициентов корреляции для ИЗА и концентрации основных загрязнителей атмосферного воздуха г. Бишкека

Таблица 3

Темпы прироста значений показателей с 2000 по 2019 г. по г. Бишкеку, %

Первые исследования концентрации таких микрочастиц в атмосферном воздухе г. Бишкека были произведены в НПО «Профилактическая медицина», а затем в КРСУ, на кафедре метеорологии, экологии и охраны окружающей среды [6, 7]. В этих исследованиях отмечено, что концентрация твердых микрочастиц увеличивается в осенне-зимний период, когда работает большинство котельных и печей в частном секторе, с целью отопления. В летний период концентрация микрочастиц снижается вплоть до нулевых значений. Распределение пылевых частиц по размеру описывается логнормальным законом. В отношении распределения концентраций загрязнителей в городской среде можно отметить их зависимость от скорости ветра и ее повторения («розы ветров»), орографии местности и близости к центру города, где загрязнение выше, чем в других районах города и пригородах. К настоящему времени выполнено большое число работ, в которых изучается корреляция между загрязнением атмосферы и соответствующими метеорологическим факторами [8, 9].

Распространение загрязнения в атмосферном воздухе нередко приводит к смогу, наблюдающемуся в крупных городах – мегаполисах, где содержание твердых частиц может быть повышено и в летнее время. Изучению смога в Бишкеке и устранению его причин был посвящен ряд статей [10–12]. Для сажевых частиц (копоти), содержащихся в составе автомобильных выбросов, при неполном сгорании топлива возможно канцерогенное действие, за счет адсорбции на их поверхности ряда соединений, в том числе и бенз(а)пирена – высокотоксичного вещества, обладающего мутагенным действием. Для снижения концентрации бенз(а)пирена в сажевых частицах предлагается способ, основанный на подборе режимов сгорания и определенного соотношения компонентов водоэмульсионной – воздушной смеси [13, 14].

В настоящее время в Бишкеке и в его пригородах применяются современные информационные технологии, где показатели качества атмосферного воздуха, рассчитанные по содержанию респирабельных микрочастиц, может узнать каждый практически в любое время и наметить меры личной безопасности – ношение масок, выезд на дачи, изменение места жительства на другие районы города и т.д. А также подобная информация необходима властям, МЧС с целью регулирования ситуации [15, 16]. Так, к примеру, в реальном времени можно узнать про загрязнение атмосферного воздуха микрочастицами РМ 2,5, с указанием значений индекса AQI-показателя вредности загрязнения атмосферы (США), для здоровья населения, особенно для уязвимых групп. Также приводятся карты распространенности загрязнения в виде значений показателя вредности – индекса AQI.

В отношении поведения концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе г. Бишкека, при длительном наблюдении можно отметить периодический характер их изменения. И аналогию этого явления с поведением математического маятника (гармонического осциллятора), где имеются как простые, свободные колебания (синусоидальные), так и вынужденные, при наличии тенденции к росту, концентрации загрязнителей, особенно в пиковых ситуациях. Так, для РМ 2,5 (приведены усредненные значения) концентрация в атмосферном воздухе г. Бишкека в январе достигает 11,74 ПДК, затем снижается до нуля в мае – июле и далее идет повышение до 9,2 ПДК в декабре. Для РМ 10 имеет место та же закономерность: в январе показатель составляет 6,97 ПДК, затем имеет место снижение до нуля в мае – июле и повышение до 5,52 ПДК в декабре [2]. Для периодических процессов, как известно, применимо разложение в ряды Фурье (гармонический, спектральный анализ). В некоторых случаях возможно найти и уравнение динамики процесса распространения поллютантов в атмосферном воздухе с целью прогноза [17].

Таблица 4

Сравнительная характеристика показателей уровня загрязнения атмосферного воздуха городов Чуйской области (сводная) в период с 2000 по 2019 г.

В настоящее время МЧС приводятся сведения о ежеквартальных изменениях загрязнения атмосферного воздуха в Бишкеке и его пригородах [18]. По влиянию на здоровье человека твердых ультрамикрочастиц (наночастиц), находящихся в составе поллютантов, возможности их определения, число литературных источников пока незначительно [5].

В табл. 4 приводится сравнительная характеристика показателей между г. Бишкеком и городами Чуйской области, такими как Кара-Балта и Токмок.

Расчет отношения показателей, исходя из средних величин за период с 2000 по 2019 г., приведен в табл. 4. Показано, что для пары Бишкек – Кара-Балта наиболее высокое значение показателя наблюдается для ИЗА, где превышение показателя в г. Бишкеке, в сравнении с г. Кара-Балта, составляет величину в 7,17 раз большую. Для пары Бишкек – Токмок это же отношение составляет 8,7 раз, а для пары Кара-Балта – Токмок соотношение показателей ИЗА довольно незначительно (1,21 раз). Менее высоким является отношение показателей для концентраций оксида азота, где оно составляет: для пары Бишкек – Кара-Балта 2,05 раз, Бишкек – Токмок – 3,11 раз, Кара-Балта – Токмок – 1,52 раз. Отношение максимальных значений показателей к средней величине находится в пределах от 1,3 до 2,88. В случае диоксида серы, к примеру, по г. Бишкеку отношение максимума показателя к средней величине составляет 2,88, по г. Кара-Балте – 2,31, по г. Токмоку – 2,75. Для ИЗА это отношение в случае г. Бишкека равно 2, г. Кара-Балты – 1,6, г. Токмока – 1,34.

Аналогично ведут себя показатели вариации, характеризующие отклонение (разброс) значений максимальных и минимальных величин относительно средней величины: для диоксида серы по г. Бишкеку – 40 %, г. Кара-Балте – 30 %, г. Токмоку – 41,3 %. Для ИЗА показатели вариации составляют по г. Бишкеку – 25,2 %, по г. Кара-Балте – 16,9 %, по г. Токмоку – 13 %.

Самым загрязненным в Чуйской области является г. Бишкек, который в настоящее время считается одним из наиболее загрязненных городов в мире.

Темпы прироста показателей динамики в городах Чуйской области наиболее высокими были в 2015–2019 гг. Так, для г. Кара-Балты в указанный период темп прироста показателя ИЗА составлял 122 %, диоксида азота – 100 %, а оксида азота – 50 %. Для диоксида серы, наоборот, имело место уменьшение показателя на 34 %.

Аналогичная закономерность прослеживается и для всех показателей г. Токмока. Здесь показатель ИЗА в 2015–2019 г. увеличился на 74,5 %, диоксида азота – на 100 %, оксида азота – на 150 %, а диоксида серы, наоборот, уменьшился на 33,4 %. Таким образом, в городах Чуйской области в период с 2015 по 2019 г. происходит увеличение показателей в соответствии с изменением уровня загрязнения.

Расчет парных коэффициентов корреляции, проведенный нами по г. Кара-Балте и г. Токмоку, показывает, что наиболее сильные связи имеют место для пар ИЗА – ИЗА (0,542), ИЗА – диоксид азота (0,608 и 0,722) соответственно, в этих городах ИЗА – оксид азота (0,520 и 0,642), т.е. все связи находятся на среднем уровне. Для пары диоксид азота – оксид азота коэффициенты корреляции составляют значения 0,245 и 0,391 соответственно, т.е. связь находится ближе к среднему уровню.

Заключение

1. Корреляционный анализ выявил наличие средней силы связи в отношении величины валовых выбросов из стационарных источников, для пар Бишкек – КР (R = 0,686), Бишкек – Чуйская обл. – R = 0,516. Для пары КР – Чуйская обл. связь незначительна – R = 0,109.

2. В городах Чуйской области в период с 2015 по 2019 г. происходило увеличение показателей, соответствующее изменению уровня концентрации загрязнителей в данный период. Имеется тенденция роста индекса загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА) по г. Бишкеку, наблюдаемая в тот же период.

3. Темпы прироста показателя, характеризующего качество атмосферного воздуха (ИЗА), неравномерны и наиболее высоки для г. Кара-Балты (Т = 122 %). По г. Токмоку темп прироста составляет величину Т = 74,5 %. По г. Бишкеку темп прироста ИЗА составляет величину Т = 46,8 %, несмотря на более высокий уровень в атмосферном воздухе концентрации загрязнителей.