ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА г. АЛМАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

1

• Авторы
• Файлы

Мынбаева Б.Н. Есиркепова А.C. Статья в формате PDF 316 KB

За период 2005-2009 гг. показано, что загрязнение воздуха г. Алматы Cd Cu не превышало ПДК, Pb - превышало ПДК. Отмечена бóльшая загрязненность воздуха г. Алматы тяжелыми металлами в нижней части города, чем в верхней. Результаты математических исследований можно использовать при проведении мониторинга загрязнения воздуха г. Алматы тяжелыми металлами в работе отделов экологической информации и химико-аналитических исследований ДГП «Центр гидрометеорологического мониторинга» для оценки загрязнения природных объектов.

Общеизвестно, что ТМ в воздухе городов приводят к многочисленным проблемам медико-экологического и санитарно-гигиенического хаpaктера; последствия их присутствия достаточно опасны. Поскольку воздух г. Алматы, как и других городов [1, 2, 3 и др.], содержит определенное количество ТМ, целью наших исследований явилось: определение степени загрязнения атмосферного воздуха г. Алматы тяжелыми металлами, с составлением прогнозных моделей при помощи математических корреляционно-регрессионных и дисперсионных методов анализа.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований служил воздух, отбираемый в определенных пунктах сети мониторинга г. Алматы с проведением совместных анализов на базе ДГП «Центр гидрометеорологического мониторинга». Отбор проб воздуха и их анализ на содержание тяжелых металлов проводили на 2 постах наблюдения за загрязнением воздуха (ПНЗ): ПНЗ 1 - ул. Амангельды, выше пр. Абая (Бостандыкский район); ПНЗ 12 - пр. Райымбека, уг. ул. Наурызбай батыра (Жетысуский район).

Определение содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе. Через фильтр «АВХ» пропускали 18 м3 воздуха, затем фильтр сжигали методом «мокрого озоления» в 4 мл HNO3 (конц., ОХЧ), и выпаривали до влажных солей, приливали 0,3 мл Н2О2 (конц.) и отстаивали 0,5 час. Затем выпаривали досуха; к сухому остатку приливали 0,2 мл HNO3, доводили дистиллированной водой до объема 25 мл и измеряли содержание тяжелых металлов на спектрометре фирмы «Shumadzu» [4].

Полученные данные обpaбатывали в программе Microsoft Excel и математическими методами корреляционно-регрессионного и дисперсионного анализов для составления прогнозных моделей загрязнения воздушного бассейна г. Алматы тяжелыми металлами с помощью программ «TotalComander 6.53-Sam» и «Mathcad».

Сроки наблюдений: 2006-2009 гг.

Результаты и обсуждение

Ранее нами были получены результаты химического анализа: содержание Cd в атмосферном воздухе г. Алматы не превышало ПДК (0,0003 мг/м³ [5]) по всем годам отбора проб воздуха. В 2006 и 2007 г. нами было показано увеличение содержания Pb зимой по сравнению с весенне-летними концентрациями: на ПНЗ 1 - 1 ПДК (0,0003 мг/м³ [5]), на ПНЗ 12 - 1,8 ПДК. Следует отметить бóльшее загрязнение воздуха Pb в нижней части города, чем в верхней. Более значительное загрязнение Cu отмечено в нижней части города без превышения ПДК (0,002 мг/м³ [5]) на 2-х ПНЗ в течение всего анализируемого периода времени (2006-2009 гг.).

Для достижения поставленной цели после анализа данных, описанных выше, мы выбрали 2 ТМ (Pb и Cu), поскольку абсолютные концентрации Cd были минимальны (примерно в 34 раза меньше остальных).

На основании проведенных расчетов с помощью программ «TotalComander 6.53-Sam» и «Mathcad» отмечена линейная связь между содержанием Cu и Pb в воздухе г. Алматы в 2006 г. в воздухе верхней части города (ПНЗ 1).

Эта связь имела следующее эмпирическое уравнение:

Y = -5,231 + 2,834·X - 0,15·X². (1)

Величина коэффициента корреляции r = 601 свидетельствовала о желательности увеличения числа измерений. Высокая сопряженность между Cu и Pb была лучше выражена в данных по ПНЗ 12 с эмпирическим уравнением регрессии:

Y = 3,404 + 0,05·X. (2)

Полученный разброс данных наблюдений за содержанием Pb и Cu по ПНЗ 1 в корреляционном поле показал, что необходимо устранить случайные отклонения с помощью более тщательных анализов осенне-зимнего периода.

В 2007 г. по ПНЗ 1 было получено эмпирическое уравнение линейной регрессии:

Y = 0,01 + 468,754·X (3)

по ПНЗ 12 - эмпирическое уравнение регрессии:

Y = 57,767EXP(0,02·X). (4)

Эти данные можно считать достаточно точными по коэффициентам корреляции, близким к 1,
в течение всего года отбора и анализа проб воздуха г. Алматы.

Слабые функциональные связи Pb от Cu в воздухе отмечены в 2008 г., подтвержденные эмпирическим уравнением регрессии:

Y = 29,039 + 13,257·X + 3,829·X2 (5)

и другими статистическими коэффициентами корреляции.

По ПНЗ 12 в автоматическом режиме машиной выбрана 1 функция:

Y = 46,09 + 7,900001E - 02·X. (6)

В 2008 г. установлена наиболее низкая степень сопряженности концентраций Pb и Cu в воздухе г. Алматы. В 2009 г. полученное уравнение регрессии:

Y = 0,01·X/4345465 + X (7)

по данным ПНЗ 1 оказалось не корректным из-за 6 измерений содержания Сu, равных весьма малым величинам 0,0001 мкг/м3, поэтому мы проанализировали корреляционно-регрессионный анализ только по ПНЗ 12.

Полученные статистические данные по ПНЗ № 12 показали обратную линейную регрессию:

Y = 79,454 - 0,24·X. (8)

Поскольку полученные данные корреляционно-регрессионного анализа загрязнения воздуха г. Алматы не позволили нам сделать определенные выводы по загрязнению воздуха Cu и Pb, мы решали провести дисперсионный анализ, который показал, что большинство корреляционно-регрессионных зависимостей связано не с изменением содержания Pb и Cu в воздухе, а с другими факторами, как мы предполагаем, метеорологическими.

При полученных значениях коэффициентов Стьюдента и Фишера, доверительная зона измерений явилась небольшой, использование экспериментальных точек, что в целом, не позволило создать прогнозную модель загрязнения воздуха г. Алматы.

Таким образом, нами показана малая математическая достоверность данных по загрязнению воздуха г. Алматы Pb и Cu в течение 2006-2009 гг. Полученные отклонения от теоретической линии регрессии U по C позволили нам сделать рекомендации по улучшению системы мониторинга атмосферного воздуха на первом уровне: более тщательный отбор проб воздуха и анализ определения содержания ТМ в них, увеличение количества пунктов наблюдений и частоты отбора проб. По данным химического мониторинга (ПДК), а также с помощью математических методов нам не удалось оценить степень влияния ТМ на экологическое состояние воздуха и составить прогноз их экологической опасности.

Список литературы

1. Михайлюта С.В., Тасейко О.В. Уровень загрязнения приземной атмосферы Красноярска (холодный период) // ЭКиП: Экология и промышленность России. - 2003. - № 10. - С.4-8.
2. Селегeй Т.С. Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха городов Сибири // География и природные ресурсы. - 1994. - № 1. - С. 44-48.
3. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. - СПб.: РГГМУ, 1999. - 179 с.
4. Методика выполнения измерения массовой концентрации металлов в атмосферном воздухе атомно-адсорбционным методом с электротермической атомизацией. М 02-09-99. - СПб., 1999. - 13 с.
5. Санитарно-эпидемиологические требования к атмосферному воздуху. - M.: 18.08.2004. - № 629.
6. Статистический сборник / под ред. Д. Раисова. - Алматы, 2009. - 58 с.
7. Куров Б.М. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотрaнcпортом? // Алматы: Аналитический ежегодник. - 2008. - № 5. - С. 43-49.

---