ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗВЯГІНЦЕВА Ганна Вікторівна

УДК 502.34:352

Обґрунтування методів оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери

промислових міст

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі комп’ютерних систем моніторингу.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Аверін Геннадій Вікторович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри комп'ютерних систем моніторингу

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Качинський Анатолій Броніславович,

Інститут проблем національної безпеки РНБО України

(м. Київ),

завідувач відділу стратегії національної безпеки

доктор технічних наук, професор

Поліщук Сергій Зіновійович,

Інститут проблем природокористування та екології

НАН України (м. Дніпропетровськ),

завідувач відділу системного аналізу і моделювання процесів природокористування

Провідна установа: | Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України (м. Луганськ),

кафедра охорони праці та безпеки життєдіяльності

Захист дисертації відбудеться 03.10.2006 р. о _13_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 11.051.09 у Донецькому національному університеті за адресою: 83055, м. Донецьк, вул. Університетська, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету за адресою: 83055, м. Донецьк, вул. Університетська, 24.

Автореферат розісланий 30.08.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради Білоусов В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забруднення повітряного басейну промислових міст є однією з найгостріших екологічних проблем для багатьох регіонів України. Це пов’язано з високою концентрацією промислового виробництва, розвиненою транспортною інфраструктурою та великою щільністю населення. Наслідком цього є значне навантаження на біосферу в таких містах як Маріуполь, Донецьк, Кривий Ріг, Луганськ, Запоріжжя, Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, Макіївка та ін. Щорічно в зазначених містах викиди шкідливих речовин від стаціонарних джерел перевищують 100 тис. тон. В Україні на 15 великих міст припадає більше 50 % викидів шкідливих речовин в атмосферне повітря, а обсяги викидів на підприємствах Донецько-Придніпровського регіону складають більше 80 % від загального обсягу викидів по країні. Небезпечний рівень забруднення атмосфери – один з основних факторів підвищення ризику смертності в містах з сильним і дуже сильним забрудненням атмосферного повітря. Наприклад, середній показник смертності населення в таких містах на 8 – 10 % більше, ніж у містах з відносно чистою атмосферою.

Складна ситуація з забрудненням навколишнього середовища і станом здоров'я людей у багатьох промислових містах України, зниження якості і тривалості життя населення, неефективність природоохоронних заходів настійно потребують зміни і переносу акцентів з проблем гігієнічного нормування на кількісну оцінку потенційної і реальної небезпеки від техногенних впливів. У цьому плані розвиток методів оцінки й аналізу ризику є основою для розробки і пошуку оптимальних форм та методів управління екологічною безпекою і спрямований на збереження здоров'я людини і забезпечення сталого соціально-економічного розвитку держави.

У зв’язку з цим обраний напрямок досліджень, пов’язаний з обґрунтуванням методів оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери промислових міст, є актуальним і має велике значення для екологічної безпеки й удосконалення науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Донецького національного технічного університету – держбюджетної НДР Д-25-03 “Разработка основ комплексной оценки воздействий на окружающую среду в системе экологического мониторинга промышленно развитых регионов” (№ держ. реєстрації 0103U001732) та госпрозрахунковими НДР № 04-270, 05-270 “Разработка и внедрение государственной системы экологического мониторинга окружающей природной среды г. Донецк” (№ держ. реєстрації 0104U005749), № 06-271 “Разработка и издание Доклада о состоянии окружающей природной среды г. Донецк в 2004 – 2005 гг.”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення особливостей і закономірностей забруднення атмосферного повітря на територіальному рівні для розробки методів оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери, а також удосконалення на цій основі науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу промислових міст.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені та вирішені наступні задачі досліджень.

1. Провести ідентифікацію небезпек, виконати аналіз територій промислових міст за показниками, що характеризують рівень забруднення атмосфери, і встановити особливості процесів забруднення атмосферного повітря.

2. Виконати теоретичний аналіз зв'язків у системі “ризик-небезпека” і розробити кількісні моделі для оцінки ризику впливів при забрудненні атмосферного повітря промислових міст.

3. Провести узагальнення статистичних даних при впливах шкідливих речовин і встановити параметри залежності “доза-ефект” для пріоритетних забруднювачів повітря, що підлягають контролю при екологічному моніторингу промислових міст.

4. Розробити методи оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин і виконати аналіз територіальних ризиків при забрудненні атмосфери промислових міст Донецької області.

5. Розробити засоби науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу промислових міст, спрямовані на визначення екологічної небезпеки забруднення атмосфери з використанням методології оцінки ризику.

Об'єкт дослідження – техногенні небезпеки, що пов'язані з забрудненням атмосферного повітря, та їх впливи на населення.

Предмет дослідження – закономірності формування небезпечних процесів при забрудненні атмосфери на територіальному рівні.

Методи дослідження – систематизація, узагальнення і статистичний аналіз даних про забруднення атмосфери і впливи шкідливих речовин; функціональний і термодинамічний аналіз; математичне, об'єктно-орієнтоване та імітаційне моделювання; застосування технології візуального моделювання при створенні комп'ютерних моделей і проведенні обчислювальних експериментів; пошук науково-обґрунтованих методичних підходів і практична апробація результатів роботи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Аналітично з використанням термодинамічного підходу встановлено, що при оцінці небезпеки забруднення атмосфери кількісний показник небезпеки пропорційний негентропії системи і характеризується пробіт-функцією логарифмічного вигляду. Уперше на основі аналізу функцій розподілу ризиків показано, що для слабких впливів при вихідному допущенні адитивності небезпек і ризиків спостерігається лінійний характер зв'язку “ризик-небезпека”. Для сильних впливів характер зв'язку “ризик-небезпека” визначається нелінійним диференціальним рівнянням, а загальним рішенням рівняння є функція ризику вигляду подвійного показникового розподілу, що у випадку забруднення атмосферного повітря може бути представлена розподілом Вейбулла щодо коефіцієнту небезпеки.

2. Запропоновані двостадійні моделі оцінки ризиків для різних видів впливів при забрудненні атмосфери пріоритетними шкідливими речовинами. На цій основі вперше розроблені кількісні моделі залежності “доза-ефект”, що узагальнюють експериментальні токсикологічні дані і враховують невизначеність даних ризику за допомогою методів стохастичного моделювання.

Розроблено метод оцінки ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери, що відрізняється урахуванням закономірностей розподілу ризиків і використовує стохастичні моделі залежності “доза-ефект” та статистичні дані суб'єктів екологічного моніторингу.

3. Уперше на основі аналізу статистичних даних про забруднення атмосфери і ризику різних видів впливів при забрудненні атмосферного повітря шкідливими речовинами встановлено, що:

– випадкова функція розподілу небезпечних концентрацій шкідливих речовин на постах контролю підпорядковується логарифмічно-нормальному законові розподілу;

– функція ризику є нелінійним перетворенням, що дозволяє згладжувати ризики при слабких впливах, і являє собою нелінійний фільтр для виявлення небезпечних подій;

– теоретично встановлений вигляд залежності для функції ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосферного повітря, що характеризується розподілом Вейбулла, підтверджується існуючими експериментальними даними.

4. Запропоновано метод прогнозування територіальних ризиків, що використовує закономірності формування небезпечних процесів при забрудненні атмосферного повітря і моделі залежності “доза-ефект”. Уперше встановлені значення територіальних ризиків хронічної та гострої дії при забрудненні атмосфери промислових міст Донецької області для різних методичних підходів щодо нормування впливів: при виборі в якості безпечного рівня впливу гранично допустимих концентрацій та при виборі в якості безпечного рівня референтних концентрацій.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються: застосуванням методів системного аналізу на основних етапах методології оцінки ризику; використанням фундаментальних положень теорії термодинаміки; застосуванням апробованих методів статистичної обробки даних і математичного моделювання складних систем; представницьким обсягом експериментальних даних, зібраним для статистичного аналізу; використанням загальноприйнятих методів ідентифікації небезпек, оцінки залежностей “доза-ефект” і характеристики ризику; адекватністю розроблених моделей і залежностей та статистичною сумісністю результатів моделювання параметрів забруднення атмосфери з експериментальними даними суб'єктів моніторингу; апробацією отриманих результатів у практиці роботи суб'єктів моніторингу й адміністративних природоохоронних структур.

Наукове значення роботи полягає в удосконаленні методів оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери з використанням аналітичних методів теорії небезпеки і ризику та сучасних інформаційних технологій.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено рекомендації з оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери промислових міст. Рекомендації впроваджені у Донецькому обласному гідрометеоцентрі і Донецькій міській СЕС при аналізі забруднення атмосфери промислових міст Донецьк, Макіївка і Маріуполь.

Отримані в роботі результати використані при розробці технічного завдання на систему екологічного моніторингу навколишнього природного середовища Донецька у частині оцінки і прогнозування ризиків забруднення атмосферного повітря. Відповідні алгоритми використані у програмному забезпеченні апаратно-програмного комплексу АКІАМ, дослідний зразок якого заплановано впровадити у Донецьку в 2007 році.

Результати роботи використані Донецькою міською радою і наведені в офіційному виданні Доклад о состоянии окружающей природной среды города Донецка”, що видається з 2003 року (2003, 2004 і 2005 рр.). Результати оцінки ризику різних видів впливів при забрудненні атмосферного повітря передані суб'єктам моніторингу для використання в процесі розробки і прийняття рішень в галузі екологічної безпеки.

Наукові і практичні результати з оцінки ризиків використані у Територіальному управлінні по Донецькій області Держпромгірнагляду України і Державному екологічному інституті Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, робота яких пов'язана з промисловою й екологічною безпекою.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, що приведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Авторові належать: основні ідеї, постановка та розв’язування задач досліджень, аналіз сучасного стану питання й оцінки екологічної ситуації промислових міст Донбасу з використанням методів аналізу ризику, результати аналітичних і експериментальних досліджень, розробка комп'ютерних моделей і обґрунтування методів оцінки та прогнозування ризиків при екологічному моніторингу забруднення атмосфери, узагальнення результатів обчислювальних експериментів, формулювання висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на VI і VII Міжнародних науково-практичних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство” (м. Київ, 2003 і 2004 рр.), на Міжнародному симпозіумі “Межрегиональные проблемы экологической безопасности” (м. Суми, 2003 р.), на Міжнародних науково-практичних конференціях “Экологические проблемы индустриальных мегаполисов” (м. Донецьк, 2004 р.; м. Москва, 2005 р.; м. Донецьк, 2006 р.), на VIII Міжнародному симпозіумі молодих вчених, аспірантів та студентів “Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и перспективы” (м. Москва, 2004 р.), на конференції з інформаційних технологій “Экософт-2005” (м. Київ, 2005 р.), на IV і V Міжнародних наукових конференціях аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (м. Донецьк, 2005 і 2006 рр.), на науково-практичній конференції “Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України” (м. Київ, 2005 р.) і Міжнародній науковій конференції “Моделювання-2006” (м. Київ, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано: 13 друкованих праць (з них 7 у професійних наукових виданнях, доданих до Переліку ВАК України, і 6 у наукових виданнях і в збірниках тез доповідей на Міжнародних науково-практичних конференціях і симпозіумах).

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації: 213 сторінок машинописного тексту, враховуючи список літератури з 161 найменування, 20 таблиць, 30 рисунків та 2 додатка на 32 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначена актуальність, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна, показані обґрунтованість і вірогідність роботи, а також наукове і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконана оцінка рівня забруднення атмосфери промислових міст України і наведено огляд існуючих методів аналізу ризиків при забрудненні атмосферного повітря. Останнім часом багато хто з фахівців з екологічної безпеки й охорони довкілля вказують на необхідність комплексного підходу до оцінки стану природного середовища регіонів на основі вивчення тенденцій виникнення небезпечних ситуацій і аналізу територіального ризику.

Теорія аналізу ризику створена відомими вченими: В. Маршалом, Е. Хенлі, Х. Кумамото. Ними запропонована методологія оцінки небезпеки і ризику, що широко застосовується у світовій практиці. Питання оцінки техногенних і екологічних ризиків знайшли також широке відображення в роботах С.Л. Аваліані, П.Г. Бєлова, Г.M. Грея, А.Б. Качинського, А.В. Кісєльова, Д. Маккея, С.М. Мягкова, Ман-Сунга Ім., С.М. Новікова, С.З. Поліщука, Н.Ф. Реймерса, Н.П. Тіхомірова, Ж.С. Еванса та ін. Однак багатьма авторами визначається, що, незважаючи на велику кількість наукових праць у цьому напрямку, питання, пов'язані з вивченням особливостей і закономірностей небезпечних процесів у навколишньому природному середовищі і розробкою моделей небезпек і ризику, маловивчені.

Нині в екологічній безпеці важливою науковою задачею є розвиток аналітичних підходів у дослідженнях небезпеки і ризику, а також удосконалення методів оцінки і нормування ризиків.

Основою методології оцінки ризику є ідентифікація і визначення рівня небезпеки. Для кожного великого міста України визначений список пріоритетних шкідливих речовин, що підлягають контролю при екологічному моніторингу атмосфери. Кількісна оцінка небезпеки і ризику виконана в роботі для списку речовин, які підлягають контролю в промислових містах: аміак, діоксид азоту, оксид азоту (II), діоксид сірки, оксид вуглецю, фенол, формальдегід, пил, сірководень, бенз()пірен, кадмій, залізо, марганець, мідь, нікель, свинець, хром і цинк.

Більшість визначень ризику для здоров'я населення при впливі шкідливих речовин, що забруднюють атмосферне повітря, зводяться до того, що ризик – це ймовірність реалізації потенційної небезпеки, викликаної впливом зовнішніх факторів і діяльністю людини, що сприяє виникненню негативних наслідків. У кількісному плані ризик визначається умовною ймовірністю нанесення шкоди людині (біосистемі) і ймовірністю настання несприятливих подій і розраховується за формулою:

(1)

де – умовна ймовірність нанесення шкоди людині (біосистемі) у випадку реалізації небезпеки величиною ; – ймовірність реалізації небезпеки при настанні несприятливих подій; – число можливих небезпек одного класу.

Таке рівняння застосовується для оцінки різних загроз у багатьох галузях теорії безпеки.

Нині у загальній методології оцінки ризику при аналізі небезпеки забруднення навколишнього середовища існує ряд загальноприйнятих положень (гіпотез).

1. Головне положення полягає в тому, що ризик (R) пов'язаний з небезпекою (), яка може бути обмірювана або кількісно визначена, тобто ризик можна зобразити як ймовірнісний розподіл, що залежить від небезпеки:

. (2)

2. Багато небезпек при забрудненні природного середовища піддаються кількісному виміру і мають властивість адитивності (можливо з визначеною вагою ). З цього випливає, що:

, (3)

де – кількісний показник -тої небезпеки.

У питанні про те, яку величину варто приймати за кількісний показник небезпеки при забрудненні навколишнього середовища, поки що не існує повної згоди серед фахівців. При складанні небезпек одного класу для їхньої оцінки в теорії аналізу ризику застосовують різні показники – коефіцієнти небезпеки (НQ), логарифми концентрацій шкідливих речовин і коефіцієнтів небезпеки, пробіт-функції, що залежать від концентрації С и часу вигляду , або тільки від коефіцієнту небезпеки вигляду , різні кількісні показники, визначені експериментально, тощо.

3. При ранжуванні небезпек застосовується пороговий принцип з використанням тих або інших порогів впливів. Для кількісної оцінки ризику небезпечних ефектів використовується формула розрахунку коефіцієнта небезпеки:

, (4)

де – поріг (рівень) безпечного впливу для i -тої небезпеки одного класу, заданий у тих самих одиницях, що і кількісний показник небезпеки .

У світовій практиці при дії хімічних небезпек в якості порогів використовується велике число рівнів безпечного впливу – це референтні дози та концентрації (RfD та RfC), гранично допустимі концентрації (ГДК), рівні мінімального ризику (MRL) тощо.

4. Пороговий принцип і положення про адитивність небезпек дозволяють при вимірі кумулятивних небезпек користуватися різними адитивними індексами. Звичайно індекс небезпеки () розраховується за формулою:

. (5)

5. В теорії аналізу ризиків прийнято, що ризики при малих значеннях (R<<1) складаються, тобто:

. (6)

При великих значеннях ризиків ( ) сумарні (кумулятивні) ризики визначаються відповідно до правила додавання і множення ймовірностей спільної появи незалежних подій:

. (7)

У теорії аналізу ризику також вважається, що функції ризиків якісно однакові (описуються однаковими функціональними залежностями) для небезпек одного класу.

6. Експериментальна обробка великого обсягу статистичних даних при впливах різних шкідливих хімічних речовин дозволила прийняти гіпотезу про зображення функції (2) у вигляді S-образного розподілу, що моделюється логарифмічно-нормальним або експоненціальним розподілом, розподілом Вейбулла або гамма-розподілом тощо.

Наприклад, в існуючій методології оцінки ризику здоров'ю і життю людин при впливі хімічних речовин нині широко використовують логарифмічно-нормальний розподіл вигляду:

. (8)

Верхня межа інтегрування є так званою пробіт-функцією (), що відбиває зв'язок між ймовірністю ураження і поглиненою (впливовою) дозою (концентрацією). Для її обчислення використовується логарифмічна залежність вигляду:

, (9)

де і – параметри, що залежать від токсикологічних властивостей речовини та видів впливів, – концентрація шкідливої речовини.

Результати першого розділу роботи сприяли узагальненню основних експериментальних і системних закономірностей щодо формування ризиків. Ці закономірності в подальшому були покладені в основу теоретичної частини роботи.

В другому розділі щодо вибору кількісного показника небезпеки й аналізу зв'язків у системі “ризик-небезпека” використовувався прийнятий у термодинаміці підхід, суть якого полягає в накладенні функціональних обмежень на змінні складної системи на основі узагальнення важливих системних закономірностей, що характеризують досліджуваний процес або об'єкт. Для обґрунтування цієї величини стосовно атмосферного повітря, забрудненого шкідливими речовинами, використовувалася властивість адитивності небезпеки і поняття ентропії системи, що є адитивною термодинамічною функцією.

На основі функціонального аналізу двох залежних адитивних функцій було показано, що кількісний показник небезпеки лінійно пропорційний негентропії системи, що характеризує, як відомо, якість енергії.

З огляду на зміну ентропії ідеального шкідливого газу був установлений кількісний показник небезпеки, який є одним з видів пробіт-функції для коефіцієнтів небезпеки вигляду:

. (10)

При використанні даного кількісного показника небезпеки і гіпотез вигляду (2) – (7) для визначення кумулятивного ризику як функції небезпеки, де адитивна небезпека кількісно характеризується залежністю (3), здобуто нелінійне диференціальне рівняння вигляду:

. (11)

Тут , , – коефіцієнт небезпеки, а крайові умови мають вигляд ; .

У випадку, якщо (адитивність коефіцієнтів небезпеки), рішення (11) для функції ризику представляється відомим експоненціальним розподілом.

У роботі показано, що для випадку забруднення атмосферного повітря функція дорівнює постійній величині, якщо в якості показника небезпеки вибирається пробіт-функція вигляду (10). У цьому випадку рішення (11) для функції ризику відображається розподілом Вейбулла щодо коефіцієнту небезпеки .

Проведені теоретичні дослідження дозволили виявити закономірності залежності “доза-ефект”, суть яких полягає в тому, що для різних категорій ефектів залежність можна представити визначеними зонами, обмеженими S-образною функцією у вигляді розподілу Вейбулла для сильних впливів і лінійною залежністю для слабких впливів. При цьому встановлено, що для кількісної оцінки залежності “доза-ефект” при інгаляційних впливах найбільш прийнятна двостадійна модель з якісно різними рівняннями для слабких і сильних впливів.

Нині при розрахунках ризиків прийнята методика оцінки, суть якої полягає у визначенні консервативних оцінок для слабких впливів відповідно верхній лінійній межі можливих ризиків, отриманій на основі рівня впливу NOAEL або іншого порогового рівня (наприклад, поріг хронічної або рефлекторної дії тощо).

Комп'ютерні методи дозволяють провести оцінку ризиків для слабких впливів відповідно верхньої і нижньої можливим межам з використанням генераторів випадкових чисел. За верхню межу при слабких впливах приймається консервативна оцінка, визначена щодо лінійної залежності, а за нижню межу – оцінка за розподілом Вейбулла, параметри якого визначені за рівнем відсутності шкідливих ефектів NOAEL або за іншим аналогічним порогом.

Зазначений метод реалізовано у вигляді комп'ютерної моделі розрахунку параметрів залежності “доза-ефект” для різних речовин. Для приклада на рисунку 1 показані результати моделювання залежності “доза-ефект” для аміаку й оксиду вуглецю. В другому розділі розроблені також об'єктні комп'ютерні моделі залежності “доза-ефект” для різних речовин, що дозволяють проводити оцінку ризиків хронічної, гострої короткочасної і рефлекторної дії, а також канцерогенної дії при забрудненні атмосферного повітря. Моделі в кількості 90 штук наведені у вигляді набору об'єктів графічної бібліотеки Simulink.

а)

б)

Рис. 1. Залежність “доза-ефект” при хронічній дії для оксиду вуглецю (а) і аміаку (б): 1 – з використанням даних про ; 2 – з використанням даних про .

У третьому розділі роботи узагальнені статистичні дані Донецького гідрометеоцентру і СЕС щодо забруднення атмосфери у містах Донецьк, Макіївка, Маріуполь за період з 2000 по 2005 роки. У цих промислових містах гідрометеослужбою України спостереження за забрудненням атмосфери здійснюється на 13 постах контролю за 16 інгредієнтами.

Статистична інформація збиралася у вигляді текстових файлів у форматі, прийнятому відповідно керівного документа “Руководство по контролю загрязнения атмосферы” РД 52.04.186-89. Зібрані дані верифіціровалися, усереднювалися і задавалися у вигляді середньодобових концентрацій пріоритетних шкідливих речовин. Загальна кількість даних склала більш 200000.

Оцінка ризику різних видів впливів при забрудненні атмосферного повітря шкідливими речовинами виконана з використанням статистичних даних про забруднення атмосфери і застосуванням розроблених моделей “доза-ефект”.

У результаті аналізу встановлено, що функція ризику є нелінійним перетворенням, яке дозволяє згладжувати ризики при слабких впливах, і являє собою нелінійний фільтр для виявлення небезпечних подій (див. рис. 2 – 4). З рисунків видно, що чим менше середньорічна концентрація шкідливої речовини в порівнянні з ГДКс.д., тим менше подій з небезпечним рівнем ризику.

В результаті статистичного аналізу кількості випадків перевищення ГДКс.д. на стаціонарних постах контролю забруднення атмосфери встановлено, що випадкова функція розподілу небезпечних концентрацій шкідливих речовин підпорядковується логарифмічно-нормальному законові розподілу. Показано також, що ймовірність виникнення небезпечних подій лінійно пов'язана з середньорічною концентрацією шкідливої речовини.

В експериментальній частині роботи здійснено також узагальнення токсикологічних і статистичних даних при впливі шкідливих речовин, що забруднюють атмосферу. У результаті проведення статистичного експерименту отримані параметри залежності “доза-ефект” для оксиду вуглецю, діоксиду азоту, аміаку, сірководню, формальдегіду і діоксиду сірки при впливі зазначених шкідливих речовин від порогових концентрацій хронічної дії до смертельних концентрацій і часу дії від 1 години до 70 років. При постановці статистичних експериментів використовувалися дані різних джерел з ризику впливів, концентрацій та часу дії шкідливої речовини. Проведення статистичних експериментів будувалося на застосуванні загальноприйнятої методики імітаційних експериментів. При визначенні параметрів залежності “доза-ефект” використовувалися отримані у роботі дані з кількісної оцінки фонових ризиків захворюваності щодо захворювань, які можуть бути обрані в якості індикаторів при інгаляційних впливах різних шкідливих речовин.

Результати експериментальних досліджень підтверджують теоретично встановлений вигляд залежності для функцій ризику, що задається розподілом Вейбулла. Обробка результатів експериментів проводилася шляхом апроксимації теоретичних рішень рівняння (11) при побудові залежності вигляду (12):

. (12)

Постійні коефіцієнти і здобуті методами регресійного аналізу шляхом обробки отриманих масивів експериментальних даних для кожної пріоритетної шкідливої речовини (див. табл. 1). При визначенні коефіцієнту небезпеки в якості рівня безпечного впливу використовувалася величина , час дії () визначався в хвилинах впливу шкідливої речовини. Залежність (12) дає консервативні оцінки ризику при слабких впливах, її рекомендується застосовувати при концентрації шкідливої речовини від порогу хронічної дії та вище.

Виконані дослідження дозволили запропонувати метод оцінки ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери, що відрізняється новизною.

У четвертому розділі роботи для оцінки територіальних ризиків була розроблена об'єктна комп'ютерна модель у середовищі Matlab-Simulink. Дана модель була покладена в основу методу прогнозування територіальних ризиків. До складу моделі відноситься блок моделювання системи екологічного моніторингу, блок оцінки ризику з використанням залежності “доза-ефект” для кожної шкідливої речовини і блок розрахунку територіальних ризиків. При оцінці ризиків у моделі використовуються реальні дані концентрацій шкідливих речовин на стаціонарних постах контролю, що представлені у вигляді тимчасових рядів, узагальнених в Matlab-функціях. При прогнозуванні ризиків ці функції замінюються генераторами, що моделюють логарифмічно-нормальний розподіл небезпечних концентрацій шкідливих речовин.

З використанням даного методу виконані оцінки територіального ризику в містах Донецьк, Макіївка, Маріуполь (див. табл. 2).

Цей метод дозволяє прогнозувати територіальні ризики з урахуванням зміни небезпечних концентрацій шкідливих речовин на постах контролю.

Таблиця 1 –

Параметри залежності “доза-ефект” для пріоритетних шкідливих речовин

Шкідлива речовина | Параметри рівняння (12), що характеризують вплив

на людин | на тварин

Оксид вуглецю | -15,80 | 0,693 | 0,858 | 195 | -21,02 | 1,392 | 0,947 | 130

Діоксид сірки | -26,10 | 1,321 | 0,958 | 155 | -28,42 | 1,881 | 0,901 | 80

Сірководень | -29,45 | 1,510 | 0,982 | 165 | -36,48 | 2,387 | 0,822 | 100

Діоксид азоту | -21,59 | 1,028 | 0,966 | 155 | -24,81 | 1,627 | 0,927 | 130

Аміак | -30,56 | 1,563 | 0,968 | 125 | -33,48 | 2,234 | 0,881 | 100

Формальдегід | -27,25 | 1,365 | 0,979 | 115 | -38,36 | 2,553 | 0,796 | 30

– коефіцієнт кореляції; – число статистичних експериментів

зміна середніх по місту середньодобових концентрацій протягом трьох років | ризик впливу при хронічній дії

протягом трьох років

Рис. 2. Тимчасові ряди зміни концентрації і ризику при забрудненні атмосфери м. Донецьк діоксидом азоту (Ссер. = 0,063 мг/м3; ГДКс.д. = 0,04 мг/м3).

зміна середніх по місту середньодобових концентрацій протягом трьох років | ризик впливу при хронічній дії

протягом трьох років

Рис. 3. Тимчасові ряди зміни концентрації і ризику при забрудненні атмосфери м. Маріуполь пилом (Ссер. = 0,18 мг/м3; ГДКс.д. = 0,15 мг/м3).

зміна середніх по місту середньодобових концентрацій протягом трьох років | ризик впливу при хронічній дії протягом трьох років

Рис. 4. Тимчасові ряди зміни концентрації і ризику при забрудненні атмосфери м. Маріуполь оксидом вуглецю (Ссер. = 2,5 мг/м3; ГДКс.д. = 3,0 мг/м3).

У п'ятому розділі роботи розроблені рекомендації з оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери промислових міст, що являють собою комплекс засобів науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу. Рекомендації спрямовані на визначення екологічної небезпеки забруднення атмосфери на основі застосування методології аналізу ризику і впроваджені в практичній роботі суб'єктів екологічного моніторингу.

Таблиця 2 –

Характеристика територіального ризику

№ | Види впливів | Територіальний ризик міст:

Донецьк | Макіївка | Маріуполь

1. | Хронічна дія щодо всіх контрольованих речовин, оцінена з урахуванням методології | 3,37?10-3 | 4,65?10-3 | 1,92?10-3

2. | Хронічна дія щодо пріоритетних речовин, оцінена з урахуванням методології | 3,35?10-3 | 4,61?10-3 | 1,73?10-3

3. | Хронічна дія щодо всіх контрольованих речовин, оцінена з урахуванням методології | 4,29?10-2 | 5,75?10-2 | 5,13?10-2

4. | Хронічна дія щодо пріоритетних речовин, оцінена з урахуванням методології | 4,19?10-2 | 5,65?10-2 | 4,96?10-2

5. | Гостра короткочасна дія щодо всіх речовин, оцінена з урахуванням методології | 4,91?10-5 | 1,09?10-5 | 5,97?10-5

6. | Рефлекторна дія щодо всіх речовин, оцінена з урахуванням методології | 8,85?10-3 | 1,65?10-2 | 2,07?10-3

7. | Канцерогенна дія | 3,27?10-4 | 4,5?10-4 | 1,9?10-4

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-прикладної задачі в галузі екологічної безпеки, яка полягає в обґрунтуванні методів оцінки техногенного ризику при забрудненні атмосфери промислових міст.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, що здобуті в роботі, полягають у наступному.

1. Розроблено методи оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери промислових міст. Для цього запропоновано аналітичний підхід для вивчення зв'язків у системі “ризик-небезпека”. Встановлено, що при вихідному допущенні адитивності небезпек при забрудненні атмосферного повітря кількісний показник небезпеки пропорційний негентропії системи і характеризується пробіт-функцією логарифмічного вигляду, яка залежить від концентрації шкідливої речовини, віднесеної до рівня безпечного впливу.

2. Отримано нелінійні диференціальні рівняння, що дозволяють встановити розподіл ризиків у вигляді функцій, які залежать від коефіцієнтів небезпек. Показано, що при забрудненні атмосферного повітря для слабких впливів ризик характеризується лінійною залежністю, а для сильних впливів функція ризику має вигляд розподілу Вейбулла щодо коефіцієнту небезпеки. Запропоновані двостадійні моделі оцінки ризиків для різних видів інгаляційних впливів при забрудненні атмосферного повітря шкідливими речовинами. Моделі розроблені для оцінки хронічної, гострої короткочасної і рефлекторної дії при забрудненні атмосфери і дозволяють врахувати невизначеність оцінок ризику за допомогою методів стохастичного моделювання. Інформаційною базою для оцінки ризиків є дані суб’єктів екологічного моніторингу.

3. Експериментально встановлені особливості процесів забруднення атмосфери промислових міст і доведено, що випадкова функція розподілу небезпечних середньодобових концентрацій шкідливих речовин на постах контролю підпорядковується логарифмічно-нормальному законові, а ймовірність виникнення небезпечних подій лінійно пов'язана з середньорічною концентрацією шкідливої речовини.

4. Виконано узагальнення статистичних даних при впливах шкідливих речовин, що забруднюють атмосферне повітря. У результаті проведення статистичного експерименту встановлені параметри узагальненої залежності “доза-ефект” для оксиду вуглецю, діоксиду азоту, аміаку, сірководню, формальдегіду і діоксиду сірки при впливі зазначених шкідливих речовин від порогових концентрацій хронічної дії до смертельних концентрацій і часу дії від 1 години до 70 років. Результати експериментальних досліджень підтверджують теоретично встановлений вигляд залежності для функції ризику, що при забрудненні атмосфери характеризується розподілом Вейбулла. На основі аналізу статистичних даних захворюваності і смертності для Донецької області запропоновані індикатори ризику інгаляційних впливів пріоритетних шкідливих речовин і приведені кількісні оцінки відповідних фонових ризиків.

5. Виконано оцінку територіальних ризиків забруднення атмосфери для міст Донецьк, Макіївка, Маріуполь. Оцінка ризику проведена на основі використання різних рівнів безпечного впливу – як референтних концентрацій так і гранично допустимих концентрацій. Встановлено, що для зазначених промислових міст Донецької області територіальні ризики при хронічній дії шкідливих речовин, що оцінені з використанням референтних концентрацій, складають 1,5?10-3 5,0?10-3 і відповідно при оцінках ризику з використанням гранично допустимих концентрацій – 4,0?10-2 6,0?10-2. Ці дані є основою для завдання критичних значень впливів при забрудненні атмосфери промислових міст з позицій оцінки соціально прийнятних рівнів ризику за різними методичними підходами.

6. Для визначення екологічної небезпеки забруднення атмосфери на основі застосування методології оцінки ризику розроблено комплекс засобів науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу і, зокрема, методичне, інформаційне, математичне і програмне забезпечення, орієнтоване на застосування суб'єктами моніторингу.

7. Наукові і практичні результати роботи апробовані при аналізі забруднення атмосфери міст Донецької області і впроваджені в проектних і контролюючих організаціях, робота яких пов'язана з екологічною і промисловою безпекою.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Звягинцева А.В. Количественная модель оценки риска воздействия при загрязнении атмосферного воздуха вредными веществами // Cб. научных трудов Национального горного университета. – Днепропетровск: РВК НГУ. – 2005. – № 22. – С. 217 – 222.

2. Звягинцева А.В. Стохастическое прогнозирование распределений полей загрязняющих веществ в атмосфере над промышленным городом на основе построения объектных моделей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка. Вип. 93. Донецьк: ДонНТУ. – 2005. – С. 99 – 105.

3. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. Оценка рисков при воздействии химических веществ, загрязняющих атмосферный воздух // Проблемы экологии. – 2004. – № 1 – 2. – С. 9 – 14.

4. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. Математические модели опасности и риска в теории техногенной безопасности // Вісник Донецького університету. Сер. природн. наук. – 2005. – № 2. – C. 296 – 302.

5. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. Функциональный анализ связей в системе “риск-опасность” и использование термодинамического подхода в теории безопасности // Математичне моделювання. – 2005. – № 2(14). – С. 74 – 78.

6. Кишкань Р.В., Аверин Г.В., Звягинцева А.В., Аверин Д.Г. Стан і контроль повітряного басейну Донецька // Безпека життєдіяльності. – 2005. – № 12. – С. 4 – 8.

7. Звягинцева А.В. Обобщение экспериментальных и статистических данных при воздействии химических веществ, загрязняющих атмосферный воздух // Вісник Донецького університету. Сер. природн. наук. – 2006. – № 1. – C. 362 – 368.

8. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. Математические модели риска в экологической безопасности // Сб. трудов конф. “Моделирование-2006”. К. 2006. – С. 95 – 98.

9. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. Оценка риска загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами на основе использования моделей “Доза-эффект” // Материалы VIII Международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов “Техника экологически чистых производств в ХХI веке: проблемы и перспективы”. – М.: МГУИЭ. – 2004. – С. 213 – 216.

10. Аверін Г.В., Звягінцева Г.В. До питання нормування екологічних ризиків // Збірка тез доповідей наук.-практ. конф. “Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України”. – К.: ІГМЕ АМН України. – 2005. – С. 15 – 16.

11. А.В. Звягинцева. Объектно-ориентированные модели для анализа процессов загрязнения атмосферного воздуха промышленных городов // Труды II-ой научно-практ. конф. “Экологические проблемы индустриальных мегаполисов”. – М.: МГУИЭ. – 2005. – С. 95 – 96.

12. Г.В. Аверин, А.В. Звягинцева, М.Ю. Сухоруков. База данных вредных выбросов промышленных предприятий Донецко-Макеевского региона // Збірка тез доповідей VII Міжнар. наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. – К. – 2004. – С. 75.

13. Аверин Г.В., Звягинцева А.В. О подходах к комплексной экологической оценке шахт // Сб. тр. симпозиума “Межрегиональные проблемы экологической безопасности МПЭБ-2003”. – Сумы: Довкілля. – 2003. – C. 384 – 389.

Особистий внесок здобувача: [3] – виконано аналіз екосистемних показників якості атмосферного повітря і наведено порівняльну оцінку критеріїв впливів при забрудненні атмосфери промислових міст Донецької області, [4] – узагальнені особливості і закономірності небезпечних процесів у техносфері, сформульована математична модель залежності ризику від кількісного показника небезпеки при забрудненні атмосфери шкідливими речовинами, [5] – показано, що використання термодинамічного підходу в теорії безпеки дозволяє встановити закономірності, що характеризують небезпечні процеси при забрудненні атмосфери [6] – проаналізовано стан забруднення атмосфери м. Донецьк та визначено тенденції, що характеризують рівень забруднення атмосферного повітря, [8] – запропоновані математичні моделі для оцінки небезпечних процесів забруднення атмосферного повітря шкідливими речовинами та узагальнені експериментальні дані, що характеризують небезпечні події забруднення атмосфери промислових міст, [9] – запропоновано метод визначення параметрів залежності “доза-ефект” для оцінки ризику впливів на населення шкідливих речовин, які забруднюють атмосферу, [10] – виконано огляд існуючих методів оцінки умовних меж різних зон ризику при впливі шкідливих речовин на людин, [12] – запропонована структура баз даних шкідливих викидів промислових підприємств, [13] – наведено огляд методичних підходів, що використовуються при аналізі небезпечних впливів у процесі комплексної екологічної оцінки шахт.

АНОТАЦІЇ

Звягінцева Г.В. Обґрунтування методів оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин при забрудненні атмосфери промислових міст. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – екологічна безпека. – Донецький національний університет, Донецьк, 2006.

Дисертацію присвячено важливій науково-прикладній задачі в галузі екологічної безпеки, яка полягає в обґрунтуванні методів оцінки техногенного ризику при забрудненні атмосфери промислових міст.

Проведено ідентифікацію небезпек, виконано аналіз різних видів впливів. Проаналізовані існуючі моделі і загальна методологія процедур оцінки ризику. Здійснено теоретичний аналіз функцій розподілу ризиків та виконано аналіз можливих показників, що кількісно характеризують небезпеку забруднення атмосферного повітря, встановлені статистичні закономірності забруднення атмосфери.

Кількісна оцінка параметрів залежності “доза-ефект” проведена шляхом виконання статистичних експериментів і розробки моделей розрахунку ризиків для основних пріоритетних шкідливих речовин. Розроблено методи оцінки та прогнозування ризику впливів шкідливих речовин з використанням технології візуального моделювання. На основі розробленої комп'ютерної моделі і даних суб'єктів моніторингу виконана оцінка територіальних ризиків забруднення атмосфери міст Донецьк, Макіївка і Маріуполь. Розроблено комплекс засобів науково-технічного забезпечення систем екологічного моніторингу.

Ключові слова: забруднення атмосфери; оцінка ризику; методи і науково-технічне забезпечення екологічного моніторингу.

Звягинцева А.В. Обоснование методов оценки и прогнозирования риска воздействий вредных веществ при загрязнении атмосферы промышленных городов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – экологическая безопасность. – Донецкий национальный университет, Донецк, 2006.

Диссертация посвящена важной научно-прикладной задаче в области экологической безопасности, связанной с обоснованием методов оценки техногенного риска при загрязнении атмосферы промышленных городов.

Теория анализа риска создана известными учеными: В. Маршалом, Э. Хенли, Х. Кумамото. Ими разработана методология оценки опасности и риска, которая широко применяется в мировой практике. Вопросы оценки техногенных и экологических рисков нашли также широкое отражение в работах С.Л. Авалиани, П.Г. Белова, Г.M. Грея, А.Б. Качинского, А.В. Киселева, Д. Маккея, С.М. Мягкова, Ман-Сунга Им., С.М. Новикова, С.З. Полищука, Н.Ф. Реймерса, Н.П. Тихомирова, Ж.С. Эванса и др. Однако многие авторы отмечают, что,