Разработка методики определения средневзвешенных концентраций органических загрязнителей для мониторинга атмосферного воздуха города Алматы AP09058606
Руководитель проекта Байматова Насиба
Участники проекта:​

• Ибрагимова Ольга, научный сотрудник, докторант
• Омарова Анара, научный сотрудник
• Букенов Бауыржан, научный сотрудник, докторант
• Тұрсұн Казбек, лаборант

Загрязнение атмосферного воздуха является причиной повышенной заболеваемости населения и существенных экономических потерь. В Казахстане отсутствует полноценная научная характеристика загрязнения воздуха органическими загрязнителями и его ассоциации с онкологическими заболеваниями. Одним из основных этапов деятельности по уменьшению влияния загрязнённого воздуха является мониторинг.
Цель проекта – разработка методики определения средневзвешенных концентраций органических загрязнителей в атмосферном воздухе города Алматы для мониторинга и оценки риска возникновения онкологических заболеваний. 

Задачи программы
Задача 1. Исследование вклада различных источников загрязнения в концентрацию мелких частиц PM2.5 в атмосферном воздухе для отдельных городов Казахстана с использованием химического анализа их состава и рецепторного моделирования.
В рамках Задачи 1 будут установлены две станции отбора проб в городах Алматы и Нур-Султан. Для исследования источников загрязнения PM2.5 будет проанализирован химический состав частиц и их массовые концентрации. Для проведения определения источников путем рецепторного моделирования требуется анализ: массовых концентраций ионов, тяжелых металлов, органического и элементарного углерода. Положительная матричная факторизация будет использоваться в качестве рецепторной модели.
Задача 2. Изучение концентраций различных фракций взвешенных частиц (PM2.5, PM10), летучих органических соединений, тяжелых металлов и полициклических ароматических углеводородов в воздухе отдельных городов Казахстана.
В Задаче 2 массовые концентрации PM2.5, PM10, летучих органических соединений, тяжелых металлов и полициклических ароматических углеводородов будут определены в Алматы и Нур-Султане. Полученные концентрации позволят оценить уровень загрязнения атмосферного воздуха и его зависимость от погодных условий и времени года.
Задача 3. Оценка пространственных и временных изменений загрязнителей воздуха в выбранных городах Казахстана с использованием установленных концентраций и данных национальной мониторинговой сети наземных станций.
В рамках Задачи 3 будут проанализированы пространственные и временные изменения концентраций загрязнителей воздуха. Данные с наземных станций мониторинга Казгидромета и веб-сайта www.airkaz.org будут собраны и проанализированы для выбранных городов. Такие изменения позволят оценить влияние метеорологических параметров и местоположения на уровни загрязнения воздуха. В Задаче 3 будут проанализированы такие загрязнители, как PM2.5, PM10, NO2, CO, SO2 и O3.
Задача 4. Оценка смертности, заболеваемости и экономического ущерба от загрязнения воздуха.
В рамках Задачи 4 оценка преждевременной смертности, связанной с экспозицией к PM2.5, будет проводиться с использованием новой функции «концентрация-реакция» глобальной модели расчета смертности от экспозиции (GEMM). Будут оценены коэффициенты смертности, связанные с пятью причинами: инфекциями нижних дыхательных путей, хронической обструктивной болезнью легких, раком легких, ишемической болезнью сердца и инсультом.
Задача 5. Разработка индикаторов качества воздуха на основе полученных данных и результатов моделирования.
Полученные результаты по определению вклада источников, концентрациям загрязняющих веществ и их процентилям будут использованы для разработки индикаторов качества воздуха для города Алматы и Нур-Султана. Будут рассмотрены возможные варианты сокращения выбросов различными способами и принятием мер, и будут предложены показатели качества воздуха для постепенного улучшения качества воздуха до 2030 года.
Задача 6. Разработка научно обоснованной программы улучшения качества воздуха с использованием современных инструментов моделирования качества воздуха.
План мероприятий по улучшению качества воздуха будет разработан для городов Алматы и Нур-Султан. Рекомендации по улучшению качества воздуха будут представлены и обсуждены с уполномоченными органами и соответствующими заинтересованными сторонами. План действий будет содержать: 1) анализ существующей ситуации с загрязнением воздуха в выбранных городах; 2) анализ передового международного опыта и 3) рекомендации по улучшению качества воздуха.

Цель проекта – лучшее понимание загрязнения воздуха: от его формирования в источниках до распределения и разработка плана действий по эффективному контролю загрязнения с использованием современных методов таких как химический анализ, рецепторное моделирование, статистический анализ наземных наблюдений.

Задачи проекта
Задача 1: Оценка пространственных и временных изменений загрязняющих веществ в воздухе в Алматы с использованием сети наземных станций мониторинга.
В рамках задачи 1: Почасовые измерения (по станциям) показателей загрязняющих веществ (PM2.5, PM10, NO2, SO2 и CO) и метеорологические данные будут получены от Национальной Гидрометеорологической Службы Республики Казахстан (РГП «Казгидромет»). Эти данные будут использованы для оценки качества воздуха и оценки динамики изменений атмосферы и тенденций загрязнения в г. Алматы. Оценка качества воздуха в Алматы включает временные, пространственные и сезонные различия в уровнях загрязнения.
Задача 2: Определение источников мелкодисперсных частиц PM2.5.
В рамках задачи 2: Основными видами деятельности являются установка станций отбора проб, сбор образцов PM и химическая характеристика образцов PM (с применением методов химического анализа). Одна станция мониторинга PM будет установлена в центре города Алматы для ежедневного массового забора образцов. Будут проанализированы массовая концентрация в воздухе и химический состав полученных образцов. Определение источников является ключевым шагом в любых планах и структурах управления загрязнением воздуха в городской местности. Потенциальные вклады источников будут определены с использованием новейших рецепторных моделей.
Задача 3: Изучение основных тенденций и факторов загрязнения воздуха.
В рамках задачи 3: Сначала будет количественно определена пространственная структура загрязнения воздуха, а затем будут изучены связи концентраций загрязнителей воздуха с несколькими социально-экономическими и метеорологическими факторами для выбранных городов с использованием корреляционного анализа в годовом и сезонном масштабах. Социально-экономические факторы включают в себя (но, не ограничиваясь ими) потребление энергии, валовой внутренний продукт (ВВП), численность населения, доходы домашних хозяйств, площадь жилого фонда и т.д.
Задача 4: Разработка плана действий с эффективными мерами по снижению загрязнения воздуха для политиков.
В рамках задачи 4: Будет разработан план действий с эффективными мерами по снижению загрязнения воздуха для политиков. Контроль качества воздуха часто является сложным и междисциплинарным заданием, и существует множество мер и технологий по сокращению количества выбросов, которые могут иметь различный потенциал сокращения объемов выбросов и экономическую эффективность. Будут перечислены и расставлены по приоритетам меры по снижению объемов загрязнения с использованием метода Многокритериального Инструмента Поддержки Принятия Решений (MCDA). Будет представлен план действий по эффективному контролю загрязнения. Данный план будет обсужден с лицами, принимающими политические решения, и соответствующими заинтересованными сторонами. Результаты исследования будут распространяться посредством публикаций в рецензируемых журналах. Кроме того, на местном уровне будет проведен Национальный Семинар по качеству воздуха для распространения результатов проекта с приглашением заинтересованных сторон, включая ключевых лиц, принимающих политические решения, академические учреждения, неправительственные организации и средства массовой информации.

Результаты исследований проекта

В рамках проекта была проведена оценка пространственных и временных изменений загрязнителей воздуха и метеорологических параметров в городе Алматы с использованием сети наземных станций мониторинга, проведено исследование химического состава частиц РМ2.5 для определения источников, также разработан план действий по эффективному снижению загрязнения воздуха для города Алматы.
В городе Алматы наблюдается серьезное ухудшение качества воздуха, что подтверждается как национальной сетью мониторинга качества воздуха, так и независимой сетью мониторинга Airkaz. По данным Airkaz.org значения годовой концентрации PM2.5 превышали годовую норму, установленной ВОЗ (5 мкг/м3), в 9,4–11,8 раз в 2017–2020 гг. Годовые концентрации РМ2.5 в Алматы имеют существенные различия по районам города. Минимальное превышение наблюдалось в Медеуском районе (в 6,4-7,0 раза), а самое большое наблюдается в Турксибском (в 13,4–13,8 раза) и Алатауском районах (в 14,8-19,6 раза). Среднемесячные концентрации PM2.5 имеют ярко выраженный ход в течение года. Максимальные значения среднемесячных концентраций наблюдаются в зимние месяцы (86 до 134 мкг/м3), когда практически во все дни среднесуточные концентрации превышали суточную норму ВОЗ для PM2.5. Минимальные месячные концентрации наблюдаются в летний (16-23 мкг/м3 в летний период среднесуточные концентрации превышали суточную норму ВОЗ в большей степени в Турксибском и Алатауском районах.
Высокие концентрации в холодное время года могут быть объяснены увеличением выбросов в атмосферу и метеорологическими условиями. В зимнее время высоким концентрациям РМ2.5 способствовали низкие значения температуры, скорости ветра, количества осадков и высокие значения относительной влажности. Более того в холодное полугодие (с октября по март) наблюдались низкие значения PBLH (392,5 м. н.у.з.), которые соответствовали более высоким концентрациям PM2.5 за счет уменьшения вертикального перемешивания.
Впервые в городе Алматы были выполнены исследования по определению металлов, ионов, ОС и ЕС в составе частиц РМ2.5 с использованием пробоотборника SASS PM2.5 ambient chemical speciation sampler (производитель Met One Instruments, Inc., США). Всего за весь период исследования было собрано 427 образцов и 39 выездных бланков. Были оценены временные вариации металлов (19 элементов), катионов и анионов (12 ионов), ОС и ЕС, максимальные концентрации которых были в зимний период.
За период исследования за концентрация многих исследуемых элементов на частицах PM2.5 были подвержены сезонным колебаниям. Максимальные концентрации элементов приходился на зимний период: максимальные среднемесячные концентрации для Al, K, Ca, Sc, Fe, Ni, Cu, Zn, As и Pb – 4,421, 2,720, 2,507, 0,053, 3,710, 1,411, 0,167, 0,551, 0,155 и 0,046 мкг/м3 соответственно.
Средние концентрации ионов Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+, F-, Cl-, SO42-, Br-, NO3- и PO43- составили 0,081, 2,194, 0,122, 0,007, 0,170, 0,012, 0,379, 2,85, 0,050, 3,923 и 0,033 мкг/м3, соответственно. Среднегодовая концентрация всех анионов в PM2.5 составила 7,25 мкг/м3, что в 2,8 раза превышает суммарную концентрацию катионов, равную 2,6 мкг/м3. Кроме того, было отмечено, что сульфат, нитрат, аммоний, натрий, калий и хлорид-ионы имеют ярко выраженную сезонность, причем повышенные концентрации отмечаются в зимние месяцы.
Концентрации ОС и ЕС также показали четкое различие в зависимости от сезона. Максимальные значения были обнаружены в зимний период ОС варьировались от 2,6 до 71,4 мкг/м3 и ЕС от 0,2 до 13,3 мкг/м3. В среднем зимние концентрации ОС и ЕС превышали летние значения в 4,7 и 8,5 раз, соответвенно.
По результатам рецепторной модели РСА главными источниками являлись (1) сжигание угля, и вторичное образование частиц РМ2.5 (46,6%), (2) выбросы автотранспорта, дорожная пыль или почвенный покров (25,7%), (3) предприятий малой промышленности или печного отопления, износ резиновых шин (14,7%). Оставшиеся 13% относятся к комбинациям других статистически незначительных параметров.
Выявление главного источника посредством суммирования всех загрязняющих веществ и выявление главного источника загрязнения приводит к неэффективным мерам по борьбе с загрязнением воздуха и игнорированию основных источников PM. Решение проблемы загрязнения воздуха в г. Алматы требует комплексного подхода. Поэтому необходимы меры по снижению потребления угля на ТЭЦ 2, ТЭЦ-3, частном секторе и предприятиях, поощрению устойчивых энергетических практик и защите общественного здоровья из-за значительных рисков, связанных с чрезмерным потреблением угля путем ужесточения экологического регулирования. Параллельно необходимо улучшение качества топлива: необходимо повысить качество бензина и дизельного топлива, ужесточить требования к техническому состоянию личного автотранспорта, а также внедрить стимулы для перехода на более чистые виды топлива как для населения, так и для транспортных компаний.
По результатам исследования были опубликованы две публикации в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых базами данных Web of Science (WoS, Q1-Q2), и доложены шесть докладов в пяти международных и Казахстанских конференциях (Приложение Е). В рамках проекта подготовлена одна Ph.D. диссертация к защите (Приложение Е).
Социально-экономический эффект данного исследования заключается в определении источников образования частиц РМ2.5 путем определения их химического состава, что значительно поможет в улучшении контроля над качеством воздуха и планирования энергопотребления на основе фактических источников данных. А также результатом данного проекта является повышение осведомленности ответственных лиц, принимающих решения, академического сообщества и местного населения о серьезности проблемы, предоставлением данных о состоянии качества воздуха, полученных при помощи передовых методов и технологий. Влияние такой исследовательской деятельности неоценимо на мероприятия и планы действий, направленных на снижение загрязнения воздуха.
Более того, результаты исследования по данным о качестве воздуха и источниках загрязнения помогут повысить осведомленность среди всего населения Казахстана. Ожидается также, что данное исследование создаст эффект домино за счет повышения осведомленности лиц, принимающих политические решения (включая в системе здравоохранения), местных поставщиков технологий, местных муниципалитетов и академического сообщества, включая на уровне среднего образования.
Результаты исследования были распространены среди потенциальных пользователей, сообщества ученых и широкой общественности, на сайте и социальных сетях (Telegram и Instagram) лаборатории «Экология биосферы» и в социальных сетях руководителя проекта (Приложение Е). Работа над публикациями результатов проекта продолжаются и предполагается, что исследование положит начало будущим исследованиям качества воздуха в Казахстане и может стать основой для развития выдающегося центра исследований качества воздуха в Центральной Азии.