Совершенствование алгоритмов расчета риска здоровью населения в системе воздухоохранной деятельности

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Кирильчук И. О. Совершенствование алгоритмов расчета риска здоровью населения в системе воздухоохранной деятельности // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – № 12 (декабрь). – С. 56–60. – URL: http://e-koncept.ru/2014/14344.htm.
Аннотация. Статья посвящена разработке усовершенствованных алгоритмов расчета риска для здоровья населения от выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду, которые послужили основой разработанного авторами специализированного программного обеспечения, реализующего геоинформационную технологию. В статье представлена экспериментальная проверка результатов исследования на примере оценки и анализа риска для здоровья населения от выбросов загрязняющих веществ ООО «Курский завод “Аккумулятор”».
Раздел: Комплексное изучение человека; психология; социальные проблемы медицины и экологии человека
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Кирильчук Ираида Олеговна,кандидат технических наук, доцент кафедры охраны труда и окружающей среды ФГБОУ ВПО «ЮгоЗападный государственный университет», г. Курскiraida585@mail.ru

Совершенствование алгоритмов расчета риска для здоровья населения в системе воздухоохранной деятельности

Аннотация. Статья посвящена разработке усовершенствованных алгоритмов расчета риска дляздоровьянаселения от выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду, которые послужили основой разработанного авторами специализированного программного обеспечения, реализующего геоинформационную технологию. В статье представлена экспериментальная проверка результатов исследованияна примере оценки и анализа риска для здоровья населения от выбросов загрязняющих веществ ООО «Курский завод “Аккумулятор”».Ключевые слова: атмосфера, воздушная среда, управление, оценка риска для здоровья, геоинформационные системы, моделирование.Раздел: (02) комплексное изучение человека; психология; социальные проблемы медицины и экологии человека.

Задача внедрения в систему управления природоохранной деятельностью методологии оценки риска для здоровьянаселения от воздействия факторов воздушной среды, позволяющей лицу, принимающему решения (ЛПР), ранжировать проблемные области и устанавливать приоритеты экологической политики, является весьма актуальной. При этом возникает необходимость оценки приземных концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, не только на основе данных мониторинга, но и с использованием математических моделей. Как известно, моделирование процессов рассеивания требует использования специализированных программных продуктов, позволяющих рассчитывать поля максимальных приземных концентраций, создаваемых выбросами загрязняющих веществ (наиболее распространены «Призма», «Эколог», «Атмосфера», «ЛиДа»). Однако управленческие решения, основанные на результатах оценки риска для здоровьянаселения, не могут ограничиться информацией о максимальныхразовых уровнях загрязнения, акроме того, должны быть ориентированы на данные, соответствующие различным периодам осреднения с учетом их пространственнотерриториальной привязки. Такимобразом, для целей анализа риска для здоровьянаселения, обусловленного загрязнением воздушного бассейна, рационально разработать инновационное, конкурентоспособное специальное программное обеспечение, направленное напрограммную реализацию не только расчетных моделей, но и возможностей геоинформационных систем (ГИС) [1]. Геоинформационные технологии, реализующие механизмы сбора, анализа, обработки и управления пространственнокоординированными и другими видами данных, позволят агрегировать и визуализировать для ЛПР результаты оценки риска и варианты управляющих воздействий, что будет способствовать повышению оперативности управления риском для здоровьяв условиях высокой динамики изменения ситуации [2].Для решения поставленных задач авторамиразработаны алгоритмы оценки риска для здоровья населения от выбросов промышленных предприятий (см. рис.1) ипостроения пространственнотерриториального распределения концентраций загрязнений в воздушной среде (см. рис.2). Рис.1.Алгоритм оценки риска для здоровьянаселения от выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиямиВывод о безопасности деятельности предприятия на здоровье населения или снижения его воздействия до приемлемых уровней КонецИндекс опасности больше допустимогоПостроение зоны превышения допустимого уровня рискаРанжирование рисков с учетом дифференциации населенияРазработка альтернатив, направленных на снижение рискаЗагрязняющее вещество –канцерогенРасчет коэффициента канцерогенной опасностиКоэффициент канцерогенной опасности больше допустимогоПостроение зоны превышения допустимого уровня канцерогенного рискаРасчет коэффициента неканцерогенной опасностиКоэффициент канцерогенной опасности больше допустимогоПостроение зоны превышения допустимого уровня неканцерогенного рискаЗаполнение массива канцерогенных и неканцерогенных рисковРасчет индексов канцерогенной и неканцерогенной опасностиНачалоВвод параметров предприятия, источников выбросов, загрязняющих веществРасчет зоны влияния предприятия, количества населения, подверженного воздействиюСоставление списка приоритетных загрязняющих веществПеребор загрязняющих веществ с учетом канцерогенной и неканцерогенной опасностиАлгоритм расчета и построения пространственнотерриториального распределения концентрацийНетНетНетРис. 2.Алгоритм расчета и построения пространственнотерриториального распределения концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферыРасчет для заданных метеоусловийДаДаДаДаДаНетНетНачалоВвод метеопараметров и характеристик источников выбросов (j= 1..m)Определение состояния устойчивости атмосферыОпределение эффективной высоты выбросаЗадание границ расчетной области и шага расчетной сетки. Определение количества и координат реперных точек (i= 1..n)Расчет для опасной скорости ветраI≤n, где nколичество реперных точекj≤m, где mколичество источников выбросовВысота источника 10мH100мРасчет концентрации С1jпо модели ПаскуиллаГиффордаРасчет концентрации С2jпо модифицированной модели ПаскуиллаГиффордаРеперная точка в зоне жилой застройкиCj=max (C1j, C2j)Cj=min (C1j, C2j)Расчет концентрации Сjпо модели ИЭМЗаполнение массива концентраций от источника, переход к следующему источникуВычисление концентрации Ci, создаваемой в точке iвсеми источникамиЗаполнение массива концентраций, переход к следующей точкеI≤n, где nколичество реперных точекРасчет концентрации Сiпо модели ГГОЗаполнение массива концентраций, переход к следующей точкеПостроение изолиний рассеивания в ГИСКонецНетНетНетНетДаОтличительная особенность алгоритма оценки риска для здоровья населения от выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями заключается в учете при ранжировании риска качественнойхарактеристики популяции, что обеспечивает ЛПР возможность выбора приоритетных мероприятий по минимизации уровня риска [3]. Для расчета мгновенных значений максимальных приземных концентраций в алгоритме построения пространственнотерриториального распределения концентраций загрязняющих веществ в воздушной среде используется нормативно утвержденная модель ОНД86. Для расчета осредненных значений приземных концентраций при заданных метеорологических условиях используются модель Института экспериментальной метеорологии и модифицированная авторами модель Пасквилла–Гиффорда [4]. Сущность модифицированной модели состоит во введении зависимости скорости ветра от высоты измерения показателей выброса, трактовка которой как функции позволяет более точно оценить значения концентраций примеси.Экспериментальная проверка результатов исследования, в ходе которой проведена процедура оценки и анализа риска для здоровья населения от выбросов загрязняющих веществ, выполненана примере ООО «Курский завод “Аккумулятор”».С целью обоснования перечня химических веществ для последующей оценки риска проведено ранжирование выбрасываемых загрязняющих веществ. Анализ результатов ранжирования показал, что 53,4%вклада в суммарный индекс канцерогенной опасности приходится на долю выбросов никеля металлического, 25,5%–хрома шестивалентного, 19,1%–на выбросы кадмия оксида, 1,4%–на выбросы свинца. Вклад в суммарный индекс канцерогеннойопасности от других шестиканцерогенных веществ составил в сумме 0,6%.Исходя из вышеизложенного, сформирован перечень химических веществ, включенных в дальнейшее исследование (см. табл.1).При расчете риска для здоровья от загрязнения атмосферного воздуха используются приземные концентрации загрязняющих веществ с длительным временем осреднения, при этом предполагается, что их воздействие происходит ингаляционным путем.Зона влияния предприятия определенаисходя из формулы:40 высот самого высокого источника (30 метров) + 30%от полученной цифры–и составляет (40*30)+360=1600 метров. Количество населения, которое попадает в зону влияния предприятия, 25112 человек.Характеристика канцерогенного и неканцерогенного риска проводилась с использованием среднегодовых концентраций, полученных в результате моделирования распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Канцерогенный риск для здоровья в зоне влияния выбросов ООО «Курский завод “Аккумулятор”»находится на уровне предельно допустимого, наибольший канцерогенный риск определяется хромом шестивалентным (см. табл.2).На основе полученных значений индивидуального канцерогенного риска и численности населения был рассчитан популяционный канцерогенный риск, расчетные данные свидетельствуют, что вероятность возникновения злокачественных новообразований мала и равна в среднем 0,0005 человек в год.Результаты расчета и ранжирования уровней неканцерогенных рисков для здоровья (HQ)показали, что ведущими веществами по неканцерогенным эффектамявляются никель металлический, бенз(а)пирен, кадмия оксид, никеля сульфат и свинец, но так какзначения коэффициентов опасности по всем веществамво всех точках воздействия значительно ниже приемлемого, то такой уровень риска оценивается как низкий (см. табл.3).Таблица 1Перечень химических веществ, включенных в дальнейшее исследование

№п/пВеществоОбоснованиеРангКанцерогеныНеканцерогены1Никель металлическийК, П, С112Хром шестивалентныйК, П253Кадмия оксид (в пересчете на кадмий)К, П374Свинец и его неорг. соединенияК, П, Ф, С425Бенз(а)пиренК, П С5126СажаК6537БензолК, С7558ФормальдегидК, С8529Винилбензол (стирол)К96010ЭтилбензолК106211Никеля сульфатП, С

312Серы диоксидП, С

413Серная кислотаП

614Азота диоксидП, Ф, С

815Зола углейП

916Натрия гидроокисьП

1017Медь сернокислаяП

1118Пыль неорганическая<20% SiO2 (графит)П

1319Железа оксидП

1420Пыль древеснаяП

1521Азота оксидП, Ф, С

1622Пыль абразивнаяП

1723КсилолП

1824Углеводороды С12С19П

1925Взвешенные веществаП

2026Пыль текстолитаП

2127ТолуолП

2228Углерода оксидП, Ф, С

2329Спирт этиловыйП

2430АцетонП

2531Кислота уксуснаяП

2632БутилацетатП

27

Примечание:П –высокий приоритет (ранг по HRIиHRIс).К –канцерогены.Ф –есть фоновые концентрации.С –короткий список приоритетных веществ для Российской Федерации.

Таблица 2 Канцерогенные риски для здоровья от воздействия веществ, загрязняющих атмосферный воздух

Наименование веществаИндивидуальный канцерогенный рискЧисленность населения, чел.Популяционный канцерогенный рискПопуляционный годовой риск, чел./годБенз(а)пирен3,181E0843980,000142,00E06Этилбензол4,76E1143982,09E072,99E09Стирол6,65E1243982,93E084,16E10Бензол1,38E0943986,1E068,72E08Сажа1,05E0943984,63E066,62E08Хром (VI)7,95E0643980,0349935,00E04Свинец9,39E0843980,0004135,90E06Никель металлический3,48E0643980,0153012,19E04Кадмий оксид9,91E0743980,00435786,22E05Формальдегид1,26E1043985,53E077,90E09Всего:1,25E05

0,055227,89E04

Таблица 3 Ранжирование неканцерогенных рисков для здоровья, связанных с загрязнением атмосферного воздуха

Наименование веществаCASПДК, мг/м3Среднегодовая концентрация, мг/м3HQРангНикель металлический74400200,000051,45E052,90E011Бенз(а)пирен503280,0000012,90E082,86E022Кадмия оксид74404390,000025,50E072,75E023Никель сульфат77868140,000058,80E071,77E024Свинец и его неорг. соед.74399210,00057,84E061,57E025Натрия гидроокись13105830,0021,63E058,15E036Медь сернокислая77589870,000021,45E077,25E037Хром шестивалентный185402990,00016,63E076,63E038Железа оксид13323720,041,58E043,96E039Серы диоксид7446 09 050,051,92E043,84E0310Серная кислота76649390,0013,68E063,67E0311Ксилол13302070,12,12E042,12E0312Пыль неорганическая20% SiO2 (графит)144644610,059,07E051,81E0313Азота диоксид101024400,046,80E051,70E0314Пыль абразивная

0,0759,41E051,25E0315Толуол1088830,43,21E048,01E0416Зола углей

0,0754,17E055,56E0417Пыль древесная

0,0754,14E055,52E0418Взвешенные вещества

0,0752,80E053,73E0419Пыль текстолита

0,0751,52E052,03E0420Бутилацетат1238640,71,35E041,94E0421Кислота уксусная641970,253,55E051,42E0422Азота оксид101024390,067,94E061,32E0423Углеводороды С12С19

0,0716,37E069,01E0524Углерода оксид63008031,73E045,76E0525Ацетон6764131,22,18E046,99E0626Спирт этиловый641751003,00E043,00E0627

Суммарное воздействие от выбросов загрязняющих веществ,риск которого превышает допустимый, осуществляется на органы дыхания, кровь, центральную нервную, сердечнососудистую, иммунную системы, а также оказывается системное действие на организм (см. табл.4). Результаты экспериментальной проверки показали, что концентрации загрязняющих веществ, рассчитанные по модифицированной авторами модели Пасвилла–Гиффорда, в большинстве случаев превышают аналогичные концентрации, рассчитанные по исходной модели, на 7–10%. Чтобы рассчитать наиболее неблагоприятное воздействие загрязняющих веществ, представляется рациональным использовать модифицированную модель, позволяющую получить более точные значения концентраций.Как уже было указано, ведущими веществами по неканцерогенным эффектам являются никель металлический, бенз(а)пирен, кадмия оксид, никеля сульфат и свинец, следовательно, для снижения риска негативного воздействия предприятию необходимо сократить выбросы указанных веществ.

Таблица 4 Индексы опасности (HI) влияния на критические органы при суммарном воздействии загрязняющих веществ

Критические органы и системыHIна сущ.положение (исх. модель)HIна сущ.положение (модиф. модель)HIпосле модернизации прва (исх. модель)HIпосле модернизации прва (модиф.модель)Органы дыхания1,3051,430,981,075ЦНС1,0091,090,7120,775Кровь1,0681,160,80,88Иммунная система1,081,170,7420,809Развитие0,0860,0960,0620,068Почки0,130,160,1580,175Печень0,00970,0110,00630,007Гормоны0,0820,1450,150,166Смертность0,0080,0090,0030,0032Системное1,0861,1780,8340,906Репродуктивная0,0360,040,060,066ССС0,004190,004560,000570,000633Суммарный риск5,96,54,54,93Средний риск0,490,540,3750,41

Анализ площади загрязнения при построении пространственнотерриториального распределения концентраций и зон риска с использованием разработанногоспециального программного обеспечения показал, что воздействие выбросов никеля металлического и бенз(а)пирена распространяется на зону жилой застройки, а воздействие выбросов оксида кадмия, сульфата никеля и свинца смещается в зону садовых участков. Следовательно, в условиях ограниченного финансирования необходимо предусмотреть мероприятия, которые в первую очередьбудут направлены на снижение выбросов бенз(а)пирена и никеля металлического.В связи с этим произведеныоценка суммарного риска для здоровья населения и построения зоны негативного воздействия на существующее положение (рис.3), а также прогнозные расчеты с учетом модернизации производства, направленной на снижение выбросов указанных веществ (см. рис.4).

Рис. 3.Отображение результатов расчета риска на электронной карте на существующее положениеРис. 4.Отображение результатов прогнозного расчета риска на электронной карте

Анализ результатов визуализации показывает, что использование модифицированной модели для расчета концентраций загрязняющих веществ и построения зон риска позволяет уточнить распространение выбросов по площади и их негативное воздействие на соответствующее количество населения. Совместный учет риска для здоровья групп населения (уточнен в 1,1 раза) и площади зон риска (уточнена на 20%) способствует повышению обоснованности решений, принимаемых в области управления уровнем загрязнения воздушной среды региональными природоохранными организациями.

Ссылки на источники1.Попов В. М., Рыкунова И. О. [и др.] Использование геоинформационных технологий в системе управления воздухоохранной деятельностью среднего города // Известия Орловского государственного технического университета. Серия Строительство. Транспорт. –2009. –№2/22 (554). –С. 49–52.2.Чепиков Н.А., Рыкунова И.О. [и др.] Совершенствование системы социальногигиенического мониторинга региона с использованием IDEFмоделирования и ГИС // Известия ЮгоЗападного государственного университета / ЮгоЗап. Гос. унт.–Курск, 2012. –№1(40). –С. 219–2283.РыкуноваИ.О. Оптимизация информационной поддержки принятия управленческих решений в воздухоохранной деятельности г. Курска с использованием элементов ГИСтехнологии // Известия ЮгоЗападного государственного университета. –2011. –№1(34).–С. 123–130.4.Там же.

Iraida Kirilchuk,Candidate of EngineeringSciences, Associate Professorat the chairof Labor and Environmental Protection,Southwest State University, Kurskiraida585@mail.ruImprovement of calculation algorithms of risk of population health in system of air securityactivityAbstract.The paperis devoted to development of advanced algorithms of risk calculation of population health, which formed a basis of specialized software,developed by the authorandrealizing geoinformationaltechnology. Experimental check of results of research is presented in the paperon the example of an assessment and the analysis of risk of populationhealth from emissions of the polluting substances of Kursk Plant “Accumulator”.Keywords:atmosphere, air environment, management, risk assessment to health, geographic information systems, modeling.

References1.Popov,V. M., Rykunova,I. O. et al. (2009) “Ispol'zovanie geoinformacionnyh tehnologij v sisteme upravlenija vozduhoohrannoj dejatel'nost'ju srednego goroda”, Izvestija Orlovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija Stroitel'stvo. Transport,№ 2/22 (554),pp.49–52.2.Chepikov,N. A., Rykunova,I. O. et al. (2012) “Sovershenstvovanie sistemy social'nogigienicheskogo monitoringa regiona s ispol'zovaniem IDEFmodelirovanija i GIS”, Izvestija JugoZapadnogo gosudarstvennogo universiteta / JugoZap. Gos. unt, № 1(40), Kursk, pp. 219–2283.Rykunova, I. O. (2011) “Optimizacija informacionnoj podderzhki prinjatija upravlencheskih reshenij v vozduhoohrannoj dejatel'nosti g. Kurska s ispol'zovaniem jelementov GIStehnologii”, Izvestija JugoZapadnogo gosudarstvennogo universiteta, № 1(34), pp. 123–130.4.Ibid.

Рекомендовано к публикации:

Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»