Исследование содержания мелкодисперсных частиц в атмосферном воздухе вблизи автомобильных дорог

0,035 мг/м³ (PM 2.5 ) и 0,06 мг/м³ (PM 10 ); максимальная разовая – 0,16 мг/м³ и 0,3 мг/м³; среднегодовая – 0,025 мг/м³ и 0,04 мг/м³ соответственно [7]. . Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха взвешенными частицами является востребованным, вместе с тем до 2016 г. определения концентраций мелкодисперсной пыли носили научно-исследовательский характер [4–6, 8, 9, 14, 18, 22], за исключением организованного автоматизированного мониторинга в г. Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Казани [16, 17]. С введением в действие в марте 2016 г. РД 52.04.830-2015 «Массовая концентрация взвешенных частиц РМ 10 и РМ 2.5 в атмосферном воздухе» и РД 52.04.840-2015 «Применение результатов мониторинга качества атмосферного воздуха, полученных с помощью методов непрерывных измерений» установлен эталонный гравиметрический метод измерений массовой концентрации взвешенных частиц диаметром менее 10 мкм и менее 2,5 мкм, позволяющий также определять корректировочный коэффициент для автоматического анализатора.

Особенностью российской системы нормирования является 20-минутное осреднение данных, в том числе полученных с помощью методов непрерывных измерений [20]. Методы прямых измерений с помощью газоанализаторов и пылемеров позволяют организовать фонд данных о состоянии и загрязнении атмосферного воздуха городов [20].

В условиях крупного промышленного центра поступление мелкодисперсных частиц в атмосферу в основном обусловлено антропогенными источниками: выбросами автотранспорта и промышленных предприятий [1]. Например, в Пекине, по оценкам Пекинского центра охраны и мониторинга окружающей среды, частицы РМ 2.5 образуются, главным образом, в результате сжигания угля и выброса выхлопных газов [2].

В процессе сгорания топлива и работы дизельных двигателей автотранспортных средств образуется большое число мелкодисперсных частиц [10]. Помимо непосредственных выбросов от работы двигателей, мелкодисперсные частицы образуются также в результате износа дорожного полотна и автомобильных шин. Мелкодисперсные частицы сажи за счет своих малых размеров, обусловливающих медленное естественное выведение из атмосферы, и сорбционных свойств могут увеличивать свою токсичность поглощением вредных веществ из выбросов и переносить на тысячи километров, представляя угрозу здоровью человека и окружающей среде [10]. В загрязнении атмосферного воздуха крупных городов доля выбросов автотранспорта может достигать 60–90 % [11]. Автомобильные выбросы содержат десятки различных токсичных веществ, среди которых в приоритете наряду с бенз(а)пиреном и сажей мелкодисперсные частицы РМ2.5, РМ10 [1, 14, 15, 18].

Целью настоящей работы являлось исследование содержания мелкодисперсных частиц РМ 2.5 , РМ 10 в атмосферном воздухе вблизи автомобильных дорог.

Материалы и методы. Для определения содержания мелкодисперсных частиц в атмосферном воздухе использовали анализатор пыли DustTrak, модель 8533, имеющий диапазон размеров регистрируемых частиц 0,1–15 мкм. Диапазон измерения массовой концентрации частиц аэрозоля 0,01–150 мг/м³ [21]. Инструментальные исследования содержания мелкодисперсных частиц и суммы взвешенных частиц (TSP) в атмосферном воздухе выполняли в теплый период (весна – лето) 2016 г. Измерения были организованы по сокращенной программе согласно ГОСТ 17.2.3.01-86 на базе маршрутных постов, размещаемых на территориях, примыкающих к асфальтированным магистралям с интенсивным движением транспорта – до 1200 автомобилей в час на исследуемых участках [12]. Продолжительность измерений и период усреднения при определении разовых концентраций составляли 20 мин, регистрация единичных значений посекундная. Высота размещения прибора составляла 1,5 м. Замеры сопровождались измерением температуры воздуха и скорости ветра.

Измерение уровня загрязнения воздуха, обусловленного выбросами автотранспорта [19], проводили при различных метеоусловиях и интенсивности движения автотранспорта. Согласно нормативным требованиям [19], точки выбраны в районах с интенсивным движением транспорта в местах частого торможения автомобилей – на перекрестках автомагистралей и остановочных пунктах. Подсчет количества проходящих транспортных средств производили за период измерения концентрации аэрозоля (20 мин). Транспортные средства делили на две категории: бензиновые – легковые автомобили, мотоциклы; дизельные – автобусы и грузовые автомобили. Кроме того, выполняли оценку уровня загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсными частицами РМ2.5 и РМ10 на остановках, где население проводит сравнительно небольшое количество времени, но при этом, как предполагается, получает сравнительно большую дозу мелкодисперсных частиц.

Полученные данные сравнивали с максимальными разовыми величинами ПДК взвешенных частиц РМ 2.5 и РМ 10 в атмосферном воздухе населенных мест [7]. Статистическая обработка данных включала расчеты и оценку критерия Фишера, коэффициента корреляции, с учетом уровня значимости < 0,05.

Результаты и их обсуждение. Измерение уровня загрязнения атмосферного воздуха на остановочных пунктах показало, что в условиях непрерывных ежесекундных измерений, в том числе во время торможения, остановки и разгона автобусов, разовые концентрации взвешенных частиц возрастают до величин 1,5 ПДК мр . Однако при усреднении данных, полученных за 20-минутный интервал, превышения ПДК мр не установлено (табл. 1, 2, рис. 1, 2).

Таблица 1

Результаты измерений максимальной разовой концентрации мелкодисперсных частиц РМ 2.5 и РМ 10 , а также общей пыли до 15 мкм (TSP) на остановках

Место измерения: остановка	Транспортная нагрузка, ед. машин/20 мин		Максимальная разовая концентрация РМ2.5, ± Δ, мг/м 3	Максимальная разовая концентрация РМ10, ± Δ, мг/м 3	Максимальная разовая концентрация TSP, ± Δ, мг/м 3
	дизельный двигатель	бензиновый двигатель
			Величина ПДК максимальная разовая, мг/м 3
			0,160	0,300	–
№ 1, n = 4	95	836	0,025 ± 0,005	0,063 ± 0,013	0,111 ± 0,022
№ 2, n = 11	195	822	0,055 ± 0,011	0,073 ± 0,015	0,091 ± 0,018
№ 3, n = 2	80	520	0,014 ± 0,003	0,041 ± 0,008	0,079 ± 0,016
№ 4, n = 2	160	1400	0,027 ± 0,005	0,038 ± 0,008	0,039 ± 0,008
№ 5, n = 2	120	720	0,014 ± 0,003	0,030 ± 0,006	0,047 ± 0,009
№ 6, n = 2	40	480	0,016 ± 0,003	0,053 ± 0,011	0,095 ± 0,019

Таблица 2

Результаты измерений максимальной разовой концентрации мелкодисперсных частиц РМ 2.5 и РМ 10 , а также общей пыли до 15 мкм (TSP) на перекрестках

Место измерения: перекресток	Транспортная нагрузка, ед. машин/20 мин		Максимальная разовая концентрация РМ2.5, ± Δ, мг/м 3	Максимальная разовая концентрация РМ10, ± Δ, мг/м 3	Максимальная разовая концентрация TSP, ± Δ, мг/м 3
	дизельный двигатель	бензиновый двигатель
			Величина ПДК максимальная разовая, мг/м 3
			0,160	0,300	–
№ 1, n = 30	120	1039	0,050 ± 0,010	0,063 ± 0,013	0,080 ± 0,016
№ 2, n = 4	450	3185	0,031 ± 0,006	0,040 ± 0,008	0,051 ± 0,010
№ 3, n = 4	277	1250	0,024 ± 0,005	0,028 ± 0,006	0,040 ± 0,008
№ 4, n = 2	160	1000	0,051 ± 0,010	0,093 ± 0,019	0,100 ± 0,020
№ 5, n = 2	100	1080	0,011 ± 0,002	0,020 ± 0,004	0,034 ± 0,007

Рис. 1. Зависимость максимальной разовой            Рис. 2. Зависимость максимальной разовой концентрации частиц РМ2.5 на остановочных пунктах     концентрации взвешенных частиц РМ2.5 и РМ10

от числа автотранспорта с дизельным двигателем,   на остановке № 2 от числа автотранспорта с дизельным проезжающего по асфальтированной автодороге;      двигателем, проезжающего по асфальтированной n = 23, F = 38,2, p <0,05                           автодороге; n = 11, F = 14,6, p <0,05

Уравнение линейной зависимости у = 0,0002 х + 0,0062 характеризуется коэффициентом корреляции 0,6452; критерий Фишера F составил 38,2, p < 0,05, что подтверждает гипотезу о весомой доле вклада выбросов дизельных автотранспортных средств в загрязнение атмосферного воздуха мелкодисперсными частицами.

В ходе исследований для остановочного пункта № 2, далекого от светофора, в условиях кольцевого движения автотранспорта получены зависимости массовой концентрации взвешенных частиц ( у ) РМ 2.5 и РМ 10 , а также TSP от числа автотранспортных средств с дизельными двигателями ( х ) (см. рис. 2).

Достоверность аппроксимации и адекватность линейной зависимости подтверждена рассчитанными значениями коэффициента корреляции и коэффициента Фишера: для РМ _2.5 у = 0,0001 х + 0,0329 ( R ² = 0,6192, F = 14,6, p < 0,05), для PМ 10 у = 0,0001 х + 0,0445 ( R ² = 0,6196, F = 14,7, p < 0,05), у = 0,0002 х + 0,051 для TSP ( R ² = 0,6203, F = 14,7, p < 0,05). Увеличение концентраций частиц в атмосферном воздухе линейно связано с возрастанием доли частиц в выхлопных газах в условиях торможения и разгона, а фоновый уровень концентраций мелкодисперсных частиц, скорее всего, сформирован выхлопными газами автотранспортных средств, проезжающих с постоянной скоростью, и вторичным вовлечением пыли с поверхности. В условиях других остановочных пунктов рядом находились перекрестки со светофорами, соответственно, присоединялись факторы торможения, остановки и разгона всех транспортных средств, а также выхлопы на холостом ходу при стоянии в утренних и вечерних пробках (рис. 3).

Согласно полученным уравнениям, прогнозируя ситуацию, можно предположить, что достижение и дальнейшее превышение ПДК мр (РМ 2.5 ) может произойти на остановке у автодороги, загруженной дизельными автотранспортными средствами, число которых за 20 мин превышает 770 единиц вблизи светофора или 1271 вдали от светофора. В связи с этим непрерывный мониторинг максимальных разовых концентраций взвешенных мелкодисперсных частиц целесообразно вести вблизи автодорог с загруженностью, близкой к указанной.

Результаты замеров максимальных разовых концентраций на перекрестках автомагистралей представлены в табл. 2. Измеренные значения концентраций мелкодисперсных частиц РМ 2.5 и РМ 10 не превышали ПДК мр . Кроме того, при определении максимальной разовой концентрации мелкодисперсных частиц на перекрестках достоверной зависимости от числа автотранспорта не установлено.

Выводы. При исследовании мелкодисперсных частиц на автомагистралях г. Перми с интенсивностью движения до 2,5 тыс. машин в час массовые концентрации взвешенных частиц, усредненные за 20-минутный период, на остановках и перекрестках не превышали установленных гигиенических нормативов.

Установлены и параметризованы линейные зависимости между числом дизельного автотранспорта на остановках и концентрациями взвешенных частиц РМ 2.5 , РМ 10 , TSP, что позволяет прогнозировать уровень загрязнения атмосферы дизельными автотранспортными средствами при их торможении и разгоне.

Рекомендуется выполнять непрерывный мониторинг среднесуточных концентраций взве-

Рис. 3. Зависимость максимальной разовой концентрации взвешенных частиц РМ 2.5 , РМ 10 от времени суток

шенных мелкодисперсных частиц вблизи крупных автомагистралей, а также максимальных разовых концентраций взвешенных мелкодисперсных частиц вблизи автодорог с загруженностью в 769–1270 дизельных автотранспортных средств за 20 мин и более.

Выполненные исследования могут быть использованы для расчета рисков для здоровья населения от воздействия выбросов автотранспортных средств и объективной оценки содержания мелкодисперсных частиц РМ 2.5 и РМ 10 вблизи автомагистралей крупного промышленного центра.