Загрязнение атмосферы Иркутской области в результате природных пожаров и оценка риска здоровью населения

Полный текст

Введение Природные (особенно лесные) пожары наряду с техносферным выбросами - наиболее значимые источники загрязнения атмосферы на региональном и локальном уровнях. Одним из их важных негативных воздействий является ухудшение самочувствия, рост острой и хронической заболеваемости населения - прежде всего органов дыхания. Иркутская область - один из самых богатых лесом регионов России. По данным государственного лесного реестра на 1 января 2018 г., лесопокрытые земли занимали 82,6 % территории области. Здесь сосредоточена восьмая часть запасов российской древесины. А доля особо ценных хвойных пород (наиболее горимых) значительна даже в масштабах планеты [1]. Иркутская область - крупный промышленный регион, в котором представлены все основные отрасли, дающие высокую техногенную нагрузку на атмосферу. Лесная и деревообрабатывающая промышленность относится к ведущим, что определяет большой объем лесозаготовок и первичной обработки в разных районах области. На территориях Иркутского, Тайшетского, Усольского и Ангарского районов распространены торфяники, частично разрабатываемые. Поскольку среди причин лесных пожаров лидирует неосторожное обращение людей с огнем (60 % в среднем за 2014-2019 гг.), важно отметить, что доступность лесных массивов достаточно высока как для заготовителей, так и для населения в целом. Для области характерны также природные пожары из-за грозовых разрядов (в среднем 29 %), что является основной причиной масштабных выгораний леса в труднодоступных и необеспеченных наземной охраной территориях. С каждым годом все большую тревогу вызывает увеличение площадей горения горючих растительных материалов (ГРМ) в селитебной, ландшафтно-рекреационной, лесопарковой зонах населенных пунктов. Площадь последних составляет 12 % от общей территории региона, и ежегодно на 10-15 дней она погружается в дым [1; 2]. Условиями, оказывающими прямое или опосредованное влияние на количество и площади природных пожаров, могут быть: а) плотность населения; б) величина лесопокрытой площади; в) характер ведущей отрасли хозяйства района; г) характер и плотность транспортной инфраструктуры; д) окраинно-периферийное положение района; е) рекреационная нагрузка. По данным областного комитета по статистике, на протяжении ряда лет в период лесных пожаров в области наблюдались достоверные признаки ухудшения здоровья людей, находившихся в задымленной зоне. Это демонстрирует прирост значений следующих показателей: число обращений за медицинской помощью в связи с заболеваниями органов дыхания - на 6,5 %; число обострений хронических бронхитов - на 4,2 % и бронхиальной астмы - на 5,2 %. Ранее было показано [3], что риск столкнуться с природным пожаром на территории Иркутской области существует для 6 из каждых 10 000 человек населения. Сказанное свидетельствует об актуальности проблемы загрязнения атмосферы в результате природных пожаров, ее сезонного и отсроченного негативного влияния на здоровье населения Иркутской области. Одним из необходимых условий разработки мер по снижению этого влияния является оценка риска заболеваемости по данной причине по районам области, чему и посвящена настоящая статья. Материалы и методы Оценка величины залповых выбросов токсичных продуктов горения и площади задымления выполняется на основе информации о площади выгорания, массе сгоревших материалов [1; 2] и удельном значении эмиссии ими различных веществ и соединений. Масса сгоревшего материала и свойственная ему эмиссия поллютантов изучались для трех различных категорий земель: 1) земли лесного фонда - лесные и нелесные; 2) земли селитебные, пригородные, рекреационные и т. п.; 3) торф и торфопочвы на землях разных категорий. Далее растительный материал, сгоревший на землях двух первых категорий, сокращенно обозначается «ГРМ» - горючий растительный материал. Он включает древостой, кустарники, опад, травы, мхи и лишайники, валежник и т. п. Оценка риска заболеваемости дается на основе информации о плотности населения в зоне воздействия пожара (по материалам областного комитета по статистике). Все исходные расчетные данные осреднены за период 2014-2019 гг. Многолетние натурные исследования последствий природных пожаров [3; 4] позволили апробировать и подтвердить достоверность оценок массы различных сгоревших ГРМ и торфа по следующим формулам. Для деревьев и других ГРМ на землях лесного фонда: = · · , (1) = ( ) · · , (2) где sп - площадь, пройденная пожаром, га; sд - площадь, занимаемая деревьями, га; ад, агрм - масса древесины и ГРМ, сосредоточенная на единице лесной территории, т/га; кн - коэффициент недожога. Для ГРМ, сгоревших на землях непокрытых лесом в пределах земель лесного фонда, на нелесных землях (в том числе - лесостепных), а также в селитебной, рекреационной, лесопарковой, пригородной зонах городов, населенных пунктов: = · · , (3) где агрм - масса ГРМ, сосредоточенная на единице площади подобных территорий, т/га. Для сгоревшего торфа и торфопочв: = · · · · 104, (4) где - плотность торфа, т/м3; hпрог - глубина прогорания торфа, м; 104 - коэффициент перевода из м2 в га. Усредненная масса для древесины на лесных территориях составляет 20 т/га, для иных ГРМ - 2,5 т/га, а для ГРМ на землях, непокрытых лесом, нелесных (в том числе лесостепных), а также в ландшафтно-рекреационной и пригородной зонах городов и населенных пунктов усредненная масса составляет 0,8 т/га, глубина прогорания торфопочв - 0,25 м, торфяных залежей - 1,5 м (в местах торфоразработок). При лесных пожарах, как правило, выгорает 1/3 массы древостоя (крона, кора, стволы деревьев). Коэффициент недожога принимается для деревьев равным 0,7; для торфа - 0,5; для иных ГРМ на всех типах территорий - 0,9. Продукты химических преобразований групп органических веществ, входящих в состав древостоя и иных ГРМ, при горении, тлении и других термических воздействиях в целом известны. На протяжении последних десятилетий неоднократно проводились прямые замеры эмиссии разных веществ при природных пожарах (как на земле, так и в воздухе), а также лабораторные эксперименты. Были разработаны методики определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров, в том числе нормативные документы [5-10]. В настоящей работе использованы усредненные данные удельной эмиссии токсикантов, образующихся при пожарах на обозначенных выше типах территорий. Величина коэффициента дымообразования определена экспериментально [4]. Авторы осознают, что состав продуктов горения значительно шире [8], однако не по всем пока имеются количественные характеристики эмиссии. Тем не менее сделанная ниже оценка риска здоровью представляется объективной, поскольку в нее вошли вещества, составляющие основной объем загрязнения атмосферы при природных пожарах. Оценка площади загрязнения в результате природного пожара и расчет риска заболеваемости при нарушении условий жизнедеятельности окрестного населения выполнены (по методу, апробированному в работе [10]) с использованием следующих формул: , (5) , (6) где Sзагр - площадь загрязнения в га; Sп -выгоревшая площадь, га; R - риск заболеваемости в условиях нарушения условий жизнедеятельности; Плнас - плотность населения, чел./км2. Результаты и обсуждение Обобщение данных удельной эмиссии различных веществ при горении ГРМ разных категорий показало следующее. Из более чем сорока эмитентов в количествах, превышающих 1 кг на тонну сгоревшего материала, во всех категориях ГРМ выбрасывается около десяти. К ним относятся окислы углерода (СО и СО2) и кремния (дым), метан, метанол, метил хлорид, твердые аэрозоли (в том числе сажа), ацетон, уксусная кислота, алкены (по С5Н10). Остальные представлены почти исключительно различными ароматическими углеводородами (преимущественно полициклическими) а также алканами. В величинах эмиссии ведущей группы загрязнителей наблюдаются различия, подчас весьма ощутимые, между тремя изученными категориями земель. Так, в пригородной, селитебной, ландшафтно-рекреационной, лесопарковой зонах и зонах населенных пунктов, в отличие от земель лесного фонда, не отмечено значимых выбросов метана и метанола, твердые аэрозоли присутствуют в следовых количествах, в 5 раз больше оксида углерода и в 2 раза меньше метил хлорида (табл. 1). Удельная эмиссия лидирующей группы веществ, образующихся при сгорании торфа и торфопочв, по номенклатуре во многом совпадает с таковой двух других категорий земель, но имеет существенные различия по весу для некоторых соединений. Прежде все это касается окислов углерода, доля которых в общей сумме выбросов изменяется от 30 % в лесах, до 50 % в пригородной зоне и 80 % при горении торфа. При этом эмиссия диоксида углерода возрастает на порядок, а оксида - на два при переходе от первой категории земель к третьей. Содержание уксусной кислоты уменьшается вдвое, а дыма - возрастает на 60 %. Снижается на порядок эмиссия ацетона и метил хлорида, но в той же пропорции возрастают выбросы акролеина. При горении торфа в атмосферу поступают различные ароматические углеводороды в количествах первые килограммы на тонну сгоревшего материала, которые незначительно представлены среди поллютантов ГРМ иных типов территорий. Выполненные расчеты показали, что риск заболеваний (средний за период 2014-2019 гг.), связанных с негативными эффектами задымления атмосферы в результате природных пожаров по районам области изменяется в пределах двух порядков: от 1∙10-3 в Нукутском районе до 2,4∙10-1 в Ангарском районе (табл. 2). В группе с минимальным значением уровня риска (n∙10-3) его абсолютные значения различаются почти на порядок: по сравнению с Нукутским (1∙10-3) - в Усть-Илимском - 9,3∙10-3, в Братском - 9,2∙10-3. Аналогичная картина в промежуточной (n∙10-2), наиболее представительной группе: от 1,2∙10-2 в Куйтунском районе до 9,7∙10-2 в Катангском районе. Среди наиболее неблагополучных также Заларинский, Казачинско-Ленский и Нижне-Илимский районы. В группе максимального риска (n∙10-1) по сравнению с лидером, Ангарским районом, уровень риска в остальных районах группы снижается в 1,5-2 раза. Таблица 1 Эмиссия токсичных продуктов при сгорании различных природных материалов Вещество Вид сгоревших природных материалов, кг/т Деревья, ГРМ на землях лесного фонда ГРМ в селитебной ландшафтно-рекреационной лесопарковой, пригородной зонах населенных пунктов Торф и торфопочвы на землях разных категорий Диоксид углерода 90 90 810 Оксид углерода 1,8 9,45 171 Оксид кремния 33,8 33,8 54 Оксид азота <1 <1 1,13 Твердые аэрозоли 14 <1 10,8 Метан 72 - 72 Уксусная кислота 31,5 31,5 18 Ацетон 19,8 19,8 1,35 Алкены (по С5H5) 12,2 12,2 10,8 Метанол 9,45 - 1,35 Метил хлорид 2,21 1,17 <1 Акролеин <1 <1 4,95 Озон <1 <1 1,26 Цианистый водород - - 1,49 Нафталин - - 2,52 Акрилонитрил - - 2,97 Ацетонитрил - - 1,49 Этилен - - 13,5 Другие ароматические углеводороды - - 30,5 Table 1 Toxic products emission during combustion of various natural materials Substance Type of burnt natural materials, kg/t Trees, combustible plant material on the lands of forest fund Combustible plant material in residential, recreational, and suburban areas of localities Peat and peat soils on different types of land Carbon dioxide 90 90 810 Carbon oxide 1.8 9.45 171 Silicon oxide 33.8 33.8 54 Nitrogen oxide <1 <1 1.13 Solid aerosols 14 <1 10.8 Methane 72 - 72 Acetic acid 31.5 31.5 18 Acetone 19.8 19.8 1.35 Alkenes (on С5H5) 12.2 12.2 10.8 Methanol 9.45 - 1.35 Methyl chloride 2.21 1.17 <1 Akrolein <1 <1 4.95 Ozone <1 <1 1.26 Hydrogen cyanide - - 1.49 Naphthalene - - 2.52 Acrylonitrile - - 2.97 Acetonitrile - - 1.49 Ethylene - - 13.5 Other aromatic hydrocarbons - - 30.5 Таблица 2 Характеристика районов Иркутской области по условиям возникновения и уровню риска заболеваемости в результате природных пожаров Районы Площадь района, км2 Площадь природных пожаров, км2 Задымление территории района, % Плотность населения, чел./км2 Риск заболевания, чел. Аларский 2651 10,4 3,9 7,74 3,5∙10-2 Ангарский 1150 31,6 27,4 207,4 2,4∙10-1 Балаганский 6347 9,8 1,5 1,36 1,3∙10-2 Баяндаевский 3756 13,3 3,5 2,93 3,1∙10-2 Бодайбинский 91 987 56,2 0,6 0,21 5,4∙10-3 Боханский 3668 41,8 11,4 6,79 1∙10-1 Братский 33 024 184,9 5,5 1,58 9,2∙10-3 Жигаловский 22 822 101,3 11,9 0,37 2,5∙10-2 Заларинский 7617 65,6 8,6 3,67 7,7∙10-2 Зиминский 7019 14,3 2 1,88 2,9∙10-3 Иркутский 11 672 135,6 11,4 10,22 1,6∙10-2 Казачинско- Ленский 33 276 276 7,1 0,51 6,3∙10-2 Катангский 139 264 1965,1 14,3 0,02 9,7∙10-2 Качугский 31 395 397,2 12,6 0,54 1,1∙10-2 Киренский 43 905 108,7 2,6 0,41 2,2∙10-2 Куйтунский 11 147 68,5 6,1 2,56 1,2∙10-2 Мамско-Чуйский 43 362 21,4 0,5 0,09 4,2∙10-3 Нижнеилимский 36 823 226,3 11,9 1,33 5,5∙10-2 Окончание табл. 2 Районы Площадь района, км2 Площадь природных пожаров, км2 Задымление территории района, % Плотность населения, чел./км2 Риск заболевания, чел. Нижнеудинский 49 977 80 1,6 1,28 1,4∙10-2 Нукутский 2473 2,7 1,1 6,35 1,0∙10-3 Ольхонский 13651 65,4 4,8 0,71 4,3∙10-2 Осинский 1542 49,7 11,3 4,83 4,5∙10-2 Слюдянский 6301 5,9 0,9 6,26 8,4∙10-3 Тайшетский 27 725 119,5 4,3 2,68 3,8∙10-2 Тулунский 13 561 80,3 5,9 1,88 2,0∙10-2 Усольский 6261 76,3 12 8,08 4,3∙10-2 Усть-Илимский 36 596 242,8 6,6 0,42 9,3∙10-3 Усть-Кутский 34 599 536,7 15,5 1,44 1,3∙10-1 Усть-Удинский 8281 145,9 7,2 1,64 1,5∙10-1 Чунский 25 757 127,7 4,9 1,29 4,4∙10-2 Черемховский 9887 28,1 2,8 2,9 7,8∙10-3 Шелеховский 1969 6,9 3,4 33,22 3,1∙10-2 Эхирит- Булагатский 5153 13,9 2,7 5,73 2,4∙10-2 Table 2 The occurrence conditions and the disease risk level as a result of natural fires. Characteristics of the Irkutsk region districts Districts Area of the district, km2 Area of natural fires, km2 Smoke in the district, % Population density, person/km2 Risk of disease, person Alarskii 2651 10.4 3.9 7.74 3.5∙10-2 Angarskii 1150 31.6 27.4 207.4 2.4∙10-1 Balaganskii 6347 9.8 1.5 1.36 1.3∙10-2 Bayandaevskii 3756 13.3 3.5 2.93 3.1∙10-2 Bodaibinskii 91 987 56.2 0.6 0.21 5.4∙10-3 Bokhanskii 3668 41.8 11.4 6.79 1∙10-1 Bratskii 33 024 184.9 5.5 1.58 9.2∙10-3 Zhigalovskii 22 822 101.3 11.9 0.37 2.5∙10-2 Zalarinskii 7617 65.6 8.6 3.67 7.7∙10-2 Ziminskii 7019 14.3 2 1.88 2.9∙10-3 Irkutskii 11 672 135.6 11.4 10.22 1.6∙10-2 Kazachinsko-Lenskii 33 276 276 7.1 0.51 6.3∙10-2 Katangskii 139 264 1965.1 14.3 0.02 9.7∙10-2 Kachugskii 31 395 397.2 12.6 0.54 1.1∙10-2 Kirenskii 43 905 108.7 2.6 0.41 2.2∙10-2 Kuitunskii 11 147 68.5 6.1 2.56 1.2∙10-2 Mamsko-Chuiskii 43 362 21.4 0.5 0.09 4.2∙10-3 Nizhneilimskii 36 823 226.3 11.9 1.33 5.5∙10-2 Nizhneudinskii 49 977 80 1.6 1.28 1.4∙10-2 Nukutskii 2473 2.7 1.1 6.35 1.0∙10-3 Ol'khonskii 13 651 65.4 4.8 0.71 4.3∙10-2 Osinskii 1542 49.7 11.3 4.83 4.5∙10-2 Slyudyanskii 6301 5.9 0.9 6.26 8.4∙10-3 Taishetskii 27 725 119.5 4.3 2.68 3.8∙10-2 Tulunskii 13 561 80.3 5.9 1.88 2.0∙10-2 Table 2, ending Districts Area of the district, km2 Area of natural fires, km2 Smoke in the district, % Population density, person/km2 Risk of disease, person Usol'skii 6261 76.3 12 8.08 4.3∙10-2 Ust'-Ilimskii 36 596 242.8 6.6 0.42 9.3∙10-3 Ust'-Kutskii 34 599 536.7 15.5 1.44 1.3∙10-1 Ust'-Udinskii 8281 145.9 7.2 1.64 1.5∙10-1 Chunskii 25 757 127.7 4.9 1.29 4.4∙10-2 Cheremkhovskii 9887 28.1 2.8 2.9 7.8∙10-3 Shelekhovskii 1969 6.9 3.4 33.22 3.1∙10-2 Ehkhirit-Bulagatskii 5153 13.9 2.7 5.73 2.4∙10-2 На величину уровня риска по условиям расчета очевидным образом влияет площадь пожара (r = 0,77) и плотность населения (r = 0,66). Еще более тесная связь с той долей, которую площадь задымления составляет от общей площади района (r = 0,81). Этот фактор особенно сказывается в административных единицах малой площади, таких как, например, Ангарский и Боханский районы. Для массива данных, охватывающих все районы области, кроме Иркутского, Ангарского и Шелеховского (наиболее плотно заселенных), отмечается слабая (r = -0,35) обратная корреляционная связь между плотностью населения и площадью пожаров. Это может означать, что большие площади выгорания в определенной степени связаны с поздним обнаружением пожара и/или сложностями в его ликвидации в малонаселенных труднодоступных районах, например в Катангском, расположенном на крайнем севере области, к тому же и самым большом по площади. Сравнительно высокий уровень риска в районах невысокой средней плотности населения и аналогичных средних площадей выгорания может объясняться высокой концентрацией населения в одном-двух городах или поселках (например, в Качугском, Усть-Кутском, Усть-Удинском и некоторых других районах). Среди множества районов в средней по уровню риска группе есть преимущественно сельскохозяйственные средне населенные районы (Аларский, Баяндаевский, Осинский, Эхирит-Булагатский, Усольский, Куйтунский) и плотно населенные промышленные (Иркутский, Шелеховский). В группе с высоким уровнем риска четыре района (Ангарский, Боханский, Усть-Кутский, Усть-Удинский), существенно различающихся по ряду характеристик, создающих, по-видимому, в каждом случае свои уникальные для этого показателя сочетания. Заключение Загрязнение атмосферы продуктами, образующимися в результате природных пожаров, оказывает ощутимое влияние на здоровье в среднем около 10 % населения области. Особое значение для роста респираторной заболеваемости (в силу своего обилия) имеют окислы углерода. Их доля возрастает от 30 до 80 % при переходе от горения лесного древостоя к торфу и торфопочвам. В последнем случае отмечается заметный выброс ПАУ, что позволяет считать торфяные пожары наиболее опасными для здоровья. Районы Иркутской области весьма существенно различаются по ряду характеристик, прямо или косвенно влияющих на подверженность среды обитания людей воздействиям природных пожаров. Наиболее значимы среди них размеры и распределение в пространстве района площадей выгорания и плотности населения. Для наименьших по площади районов, имеющих, как правило, высокую или очень высокую (для этого субъекта РФ) плотность населения, определяющую роль будет играть доля задымленной территории по отношению ко всей площади района. Для районов со средней плотностью населения и площадью пожаров актуальна степень концентрации первого в одном-двух муниципальных образованиях. Это значимо также и для крупных районов с минимальной средней плотностью населения. На рост риска заболеваемости в последних через площадь выгорания влияет их богатство лесными ресурсами при ограниченных (в силу труднодоступности) возможностях выявления и подавления пожаров. Влияние таких факторов, как хозяйственная специализация района, плотность, характер транспортной инфраструктуры и рекреационная нагрузка, могут быть предметом дальнейшего изучения.

Об авторах

Татьяна Владимировна Ващалова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: VTV_53@mail.ru

кандидат географических наук, доцент, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории снежных лавин и селей географического факультета

Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1

Владимир Викторович Гармышев

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Email: diamant1959@mail.ru

кандидат технических наук, докторант кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

Российская Федерация, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Список литературы