Методика долгосрочного прогноза риска для здоровья человека при техногенном загрязнении воздуха производственной среды и прилегающих территорий (на примере г. москвы)

На правах рукописи

Матешева Анна Владимировна

Методика долгосрочного прогноза риска для здоровья человека при техногенном загрязнении воздуха производственной среды и прилегающих территорий (на примере г. Москвы)

Специальность 05.26.01. ­– Охрана труда (транспорт)

Специальность 03.00.16 – Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена в Московском государственном университете

путей сообщения (МИИТ)

Научный руководитель:­ доктор технических наук, профессор

Макоско Александр Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хохлов Александр Алексеевич

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Завалишин Николай Николаевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт геоэкологии им Е.М. Сергеева РАН

Защита диссертации состоится 25 декабря 2009 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.03 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Автореферат разослан 23 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Б.Н. Рахманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Переход России на инновационный путь развития требует повышения качества жизни трудоспособного населения, являющегося потенциалом устойчивого экономического развития РФ. В последние десятилетия стала весьма актуальной проблема влияния техногенного загрязнения воздуха производственной среды и жилых территорий на человека. Это влияние проявляется в ухудшении здоровья, снижении трудоспособности, ухудшении демографических показателей и т.д.

Сравнительный анализ данных о здоровье населения и об экологической ситуации на различных территориях показывает, что там, где отмечается наибольший уровень загрязнения воздуха, достоверно чаще регистрируются различные хронические и онкологические заболевания. Так как наступление конкретного заболевания нельзя однозначно связать с неблагоприятной экологической обстановкой, в оценке возможного влияния на здоровье используется понятие риска для здоровья, которое включает канцерогенный риск и опасность возникновения неонкологических заболеваний. В настоящее время оценка риска для здоровья все прочнее входит в повседневную медико-экологическую практику и становится весьма актуальной в проблемах охраны труда. Работы по оценке влияния загрязнения окружающей среды на здоровье населения проведены уже более чем в 30 городах и 6 областях России. При этом оценка риска здоровью человека в условиях производственной среды пока еще не нашла столь широкого распространения, хотя ситуация с условиями труда на большинстве предприятий сложилась неблагополучная, а нередко критическая. Результаты оценки риска заболеваний используются для разработки и осуществления мер по снижению данного риска, т.е. для управления риском.

Основными источниками загрязнения атмосферы во многих городах России являются промышленные зоны и автомобильный транспорт, от которых в воздух поступает множество вредных веществ, в том числе и канцерогенных. Последствия данного техногенного воздействия для здоровья человека могут реализовываться спустя годы и десятилетия. В то же время в городах темпы развития мер по охране атмосферного воздуха отстают от темпов развития автотранспорта и промышленности.

Наряду с загрязнением атмосферы, наблюдения за климатом ХХ века свидетельствуют о его глобальном потеплении. Результаты прогнозов изменений климата в ХХI столетии демонстрируют дальнейшее его потепление. Климатические изменения могут привести к изменению условий рассеивания антропогенных загрязнений в атмосфере в зависимости от степени изменения климата.

Учитывая все возрастающую техногенную нагрузку на атмосферу и возможное влияние климатических изменений на характер рассеивания примесей, взаимное действие этих двух факторов важно принимать во внимание при заблаговременной оценке возможных последствий загрязнения окружающей среды для здоровья человека. Это особенно актуально при решении задач долгосрочного планирования, в частности, при строительстве крупных транспортных и промышленных объектов, планировании промзон, жилых территорий, а также развития здравоохранения.

Существующий в настоящее время подход к определению загрязнения атмосферы при оценке риска здоровью базируется на применении стационарных моделей, основанных на гауссовом распределении концентрации от источника. Данный тип моделей хорошо зарекомендовал себя в работах по оценке риска здоровью; позволяет диагностировать существующую ситуацию, связанную с риском; делать прогнозные оценки при изменении интенсивности выбросов от источников. Однако использование этих моделей сопряжено с перебором большого количества расчетных вариантов и принципиально не позволяет учитывать изменения климата при долгосрочных прогнозах риска.

Для преодоления этих трудностей в диссертационной работе предлагается методика на основе применения методов теории чувствительности, базирующихся на интегрировании конечно-разностных аналогов уравнений модели загрязнения атмосферы, записанных в вариациях относительно ее невозмущенного состояния. Данная методика является дополнением к существующей методике расчета риска здоровью и позволяет выполнять не только диагностику риска и его оценку при изменении количества выбросов, но и прогноз с учетом возможных изменений климата. При этом значительно уменьшается объем расчетов.

Оценка загрязнения воздуха в этом случае подразумевает применение моделей распространения токсичных веществ в атмосфере на основе трехмерного уравнения переноса и диффузии примесей. Для учета климатических изменений используются результаты моделирования климата в ХХI столетии, полученные в экспериментах с моделью общей циркуляции атмосферы и океана Института вычислительной математики (ИВМ) РАН.

Под оценкой последствий загрязнения окружающей среды для населения, обычно имеется в виду оценка данного воздействия на здоровье. Однако, кроме собственно негативного влияния на здоровье, например, загрязненного воздуха, население при этом испытывает и отрицательный экономический эффект, выраженный в потерях доходов вследствие повышенной заболеваемости (затраты на лечение, восстановление, поддержание здоровья в удовлетворительном состоянии, а также упущенный заработок). В настоящее время эта проблема слабо изучена. Результаты немногочисленных исследований по данной тематике показывают, что финансовые потери населения от экологически обусловленных заболеваний являются достаточно ощутимыми. Учитывая, что воздействие негативных факторов окружающей среды на население отрегулировать невозможно, возникает необходимость компенсации или снижения их отрицательных экономических последствий для жителей экологически неблагополучных территорий.

В настоящей работе предложены рекомендации по снижению экономических потерь населения, возникающих в результате экологически обусловленных заболеваний. Данную задачу предлагается решать путем хеджирования риска для здоровья с использованием производных финансовых инструментов – деривативов.

Целями работы являются: а) разработка методики долгосрочного прогноза риска для здоровья человека при техногенном загрязнении воздуха производственной среды и прилегающих территорий, основанной на методах теории чувствительности и данных по изменению климата; б) разработка научно-обоснованных рекомендаций по снижению экономических потерь населения, возникающих в результате экологически обусловленных заболеваний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Осуществить постановку задачи и разработать методический подход к долгосрочному прогнозу канцерогенного риска и опасности неонкологических заболеваний на основе методов теории чувствительности;

2. Разработать численную мезоклиматическую модель прогноза загрязнения атмосферы для проведения экспериментов по долгосрочному прогнозу риска для здоровья человека на примере г. Москвы при техногенном загрязнении воздуха;

3. Проанализировать результаты научных исследований в области возможных изменений климата, выполнить анализ развития промышленных зон и автотранспорта в г. Москве, анализ экспозиции воздействия вредных выбросов на человека;

4. С помощью построенной численной модели провести и проанализировать эксперименты по долгосрочному прогнозу риска для здоровья человека в г. Москве при различных сценариях изменения климата, развития промышленности и автотранспорта; построить карты распределения риска;

5. Разработать научно-обоснованные рекомендации по применению хеджирования для снижения финансовых потерь населения вследствие экологически обусловленных заболеваний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложена методика долгосрочного прогноза риска для здоровья при техногенном загрязнении воздуха на основе методов теории чувствительности, позволяющая учитывать вариации работы источников выбросов и изменения климата, а также значительно снизить объем требуемых расчетов;

- разработана экспериментальная численная модель, позволяющая выполнять прогноз загрязнения атмосферы с учетом различных сценариев развития промышленности и автотранспорта г. Москвы и изменения климата в ХХI столетии для заблаговременной оценки последствий загрязнения воздуха для здоровья человека (заблаговременность прогноза составляет до 70 лет);

- проведены и проанализированы укрупненные эксперименты по прогнозу риска для здоровья в г. Москве при различных сценариях развития города и предполагаемых изменений климата на больших масштабах времени;

- предложены научно-обоснованные рекомендации по снижению последствий экологически обусловленных заболеваний для населения, выраженных в финансовых потерях, на основе хеджирования.

Практическая ценность работы

Разработанная методика позволяет выполнить долгосрочный прогноз риска для здоровья вследствие техногенного загрязнения воздуха с учетом возможных изменений климата.

Применение методов теории чувствительности, позволяет преодолеть ряд трудностей математического и вычислительного характера, возникающих при решении подобных задач традиционными методами, и обеспечить простоту реализации долгосрочного прогноза риска для здоровья человека вследствие загрязнения атмосферы.

Полученные в ходе экспериментов результаты прогноза риска заболеваний человека на территории Москвы на период 2005-2075 г.г. позволяют сделать ряд выводов о влиянии изменения климата и интенсивности техногенных источников выбросов на здоровье москвичей, тенденциях изменения уровней риска на территории Москвы. Результаты данного прогноза могут рассматриваться как интегральные характеристики опасности для здоровья трудоспособного населения с учетом загрязнения воздуха на производственных территориях и в местах проживания работников и использоваться для принятия управленческих решений по снижению риска здоровью в долгосрочной перспективе.

Предложенные рекомендации по снижению последствий экологически обусловленных заболеваний позволяют наметить практическое решение важной социально-экономической и экологической задачи – сократить финансовые потери населения вследствие повышенной заболеваемости. При этом средства, полученные в виде компенсации, могут быть направлены на обеспечение сохранности здоровья жителей экологически неблагополучных территорий. Предложенный подход может быть положен в основу подготовки решений на государственном уровне.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика долгосрочного прогноза риска для здоровья человека вследствие техногенного загрязнения воздуха на основе методов теории чувствительности, применение которых позволяет упростить постановку и решение задачи.
2. Численная модель долгосрочного прогноза загрязнения атмосферы на основе методов теории чувствительности, позволяющая выполнять оценку последствий загрязнения воздуха для здоровья с заблаговременностью, равной средней продолжительности жизни человека (70 лет) и, соответственно, времени воздействия вредных веществ.
3. Результаты долгосрочного прогноза риска для здоровья на территории г. Москвы с учетом прогнозируемого развития московского региона и возможных изменений климата в течение XXI века.
4. Рекомендации по использованию производных финансовых инструментов для снижения экономических потерь населения вследствие повышенной заболеваемости, вызванной техногенным загрязнением воздуха.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации были представлены на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, 2005 г.) и на четырех конференциях:

1. Научно практическая конференция в рамках Недели науки в МИИТе «Наука – транспорту», г. Москва, МИИТ, 2004;

2. Конференция «Физиология и медицина», г. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2005;

3. Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», г. Москва, МИИТ, 2005;

4. Конференция в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине», г. Москва, РАН, 2007.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ; в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 работа без соавторов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 163 страницы текста, включая 26 таблиц и 52 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, метод исследования, а также научная новизна полученных результатов.

В главе 1 осуществлена постановка задачи долгосрочного прогноза риска для здоровья человека на основе методов теории чувствительности.

Анализ теории риска показал, что риски для здоровья населения, вызываемые влиянием социальных, природных, техногенных факторов относятся к разряду стратегических, так как здоровье населения является одной из основ обеспечения национальной безопасности страны. Эффективное управление такого рода рисками подразумевает, помимо всего прочего, их долгосрочную оценку с учетом возможных вариантов экономического развития страны, региона, города; прогнозов изменения природно-климатических факторов.

Методология оценки риска для здоровья вследствие загрязнения атмосферы основана на использовании данных медико-биологических исследований и данных о концентрациях химических веществ в воздухе.

Оценка канцерогенного риска базируется на использовании единичного фактора риска, который характеризует вероятность онкологического заболевания на протяжении жизни человека вследствие воздействия химического вещества со среднегодовой концентрацией в атмосфере, равной 1 мкг/м3

,

где r – индивидуальный риск онкологического заболевания; qi – среднегодовая концентрация i-го вещества в атмосферном воздухе, мкг/м3; Ri– единичный фактор риска для i-го вещества, м3/мкг.

Оценка опасности неонкологических заболеваний выполняется путем сравнения фактического уровня воздействия вещества с установленными нормативными величинами (ПДК, референтными концентрациями и др.):

,

где h – показатель (индекс) относительной опасности неонкологических заболеваний; Hi – показатель относительной опасности i-го вещества, мкг/м3.

Для расчета среднегодовой концентрации примеси в атмосфере используются стационарные модели, базирующиеся на вероятностных методах. Чаще всего это модели, основанные на оценке дисперсии по методу Гаусса. Они являются достаточно простыми с точки зрения построения и использования, так как в этих моделях физика происходящих в атмосфере процессов описана минимально. При реализации на ЭВМ данные модели используют явные формулы, не вызывающие никаких затруднений.

Однако эти преимущества гауссовых моделей перед моделями, основанными на сложном физико-математическом и вычислительном аппарате, являются недостатком при решении задач долгосрочного планирования, так как не позволяют учитывать климатические изменения, которые могут быть достаточно заметными в некоторых районах нашей страны. Кроме этого, модели, построенные на вероятностных методах, работают по принципу перебора большого количества расчетных вариантов, что влечет необходимость обобщения и анализа результатов расчетов для получения окончательного значения концентрации. Учитывая, что долгосрочный прогноз риска для здоровья подразумевает рассмотрение различных сценариев выбросов токсических веществ и изменений климата, количество расчетов по гауссовым моделям может составлять сотни и даже тысячи вариантов. При этом анализ полученных результатов становится крайне трудоемким процессом.

В связи с этими обстоятельствами при решении поставленной задачи для прогноза загрязнения воздуха целесообразно использовать детерминированные методы, которые базируются на решении уравнений теории атмосферной диффузии и позволяют получать качественно другие результаты.

Для выполнения заблаговременной оценки риска заболеваний человека (на период в 30 и 70 лет – среднее время воздействия на организм для неканцерогенов и канцерогенов соответственно) концентрации химических веществ в воздухе рассчитываются на основе уравнения переноса и диффузии примесей с учетом источника. Число вариантов расчетов зависит от сценариев источников выбросов и сценариев изменения климата. Недостатком здесь является относительно большие затраты времени моделирования.

Обоснованно предполагалось, что рассматриваемые примеси не оказывают влияния на поля метеовеличин. Поэтому параметры атмосферы (прогноз изменения климата) определялись заранее с помощью модели общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН.

Но даже в этом случае решение задачи долгосрочного прогноза загрязнения воздуха методом прямого моделирования представляет достаточно трудоемкий процесс, требующих значительных затрат вычислительных ресурсов. Учитывая это, а также необходимость рассмотрения нескольких сценариев развития города и изменения климата, представляется целесообразным от методов прямого моделирования перейти к использованию методов теории чувствительности. Эти методы базируются на интегрировании конечно-разностных аналогов уравнений модели загрязнения атмосферы, записанных в вариациях относительно невозмущенного состояния, не требующих моделирования основного состояния при различных значениях метеопараметров и параметров источника.

Чувствительность представляет собой реакцию системы (изменение ее состояния) на единичные изменения воздействующих (управляющих) параметров. Введем в рассмотрение понятие функции чувствительности. Следует отметить, что в выражениях по расчету канцерогенного риска и опасности неонкологических заболеваний уже явно учитываются функции чувствительности R и H. Ri – единичные факторы риска, которые физически являются функциями чувствительности организма на единичную концентрацию в воздухе канцерогенного вещества. Hi – референтные концентрации, представляющие собой функции чувствительности организма на минимальную концентрацию в воздухе неканцерогенного вещества, начиная с которой вещество может представлять опасность для здоровья. Среднегодовые концентрации примесей также можно представить в виде функций чувствительности по метеопараметрам и параметрам источника выбросов.

Введем термины: вектор состояния и вектор параметров. Под вектором состояния понимается вектор, составляющими которого являются риски ri и показатели относительной опасности неонкологических заболеваний hi, обусловленные соответственно канцерогенными и неканцерогенными примесями qi. Под вектором параметров понимается вектор, составляющие которого описывают управляющие воздействия на модель рисков и относительной опасности заболеваний. В рассматриваемой постановке задачи вектор параметров – это вектор параметров атмосферы Y и параметров источника f, т.е. = (Y, f)'.

Далее будем рассматривать следующие функции чувствительности:

где ; ; ; qi – концентрация i-го вещества.

Функции чувствительности Ri и Hi известны заранее. Остается найти Qi. Для расчета полей функций чувствительности концентраций Qi на единичные изменения источников выбросов и метеопараметров используются уравнения модели прогноза загрязнения атмосферы, записанные в вариациях относительно невозмущенного состояния. В процессе получения уравнений в вариациях выполняется линеаризация исходной нелинейной системы уравнений, описывающих задачу прогноза полей вредных примесей. С этой целью используются представления векторов состояния и параметров в виде суммы невозмущенных значений и малых возмущений (q, ): , ( – вещественный параметр).

Если записать структуру модели в виде операторного уравнения , то уравнения в вариациях представляются в виде ,

где В – диагональная матрица; А(q, ) – нелинейный матричный дифференциальный оператор.

Полученные таким образом уравнения в вариациях при фиксированных невозмущенных значениях составляющих вектора состояния линейны. Уравнения в вариациях позволяют оценивать непосредственно функции чувствительности вектора состояния (концентрации) к единичным изменениям параметров атмосферы и источника выбросов. Для вычисления функций чувствительности к вариациям заданной компоненты Y или f осуществляется последовательное решение (интегрирование по времени) уравнений в вариациях. При каждом таком решении одна из компонент вектора параметров полагается равной единице, остальные компоненты – нулю. Полученные в результате реализации вышеописанного алгоритма поля функций чувствительности Qi позволяют количественно оценивать изменения составляющих вектора состояния (qi), соответствующих заданному полю вариаций параметров (): qi = Qi ; = (Y, f)'.

Таким образом, выражения для расчета канцерогенного риска приобретают вид:

ri = Gi = Ri Qi,

для опасности неонкологических заболеваний:

hi = Gi = (Hi)–1 Qi.

Полученные выражения для расчета ri и hi составляют основу долгосрочного прогноза риска заболеваний человека вследствие техногенного загрязнения атмосферного воздуха.

В главе 2 дано обоснование и выбор сценариев численных экспериментов, которые проводились на 30- и 70-летний периоды.

Были рассмотрены результаты исследований в области изучения изменений климата. Методической основой прогноза изменений климата является численное моделирование климатической системы с помощью глобальных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. В настоящее время проводится международная программа CMIP по сравнению прогнозов изменений климата, полученных с помощью данных моделей во всем мире. В России подобная модель, участвующая в международной программе сравнения, разработана коллективом ИВМ РАН. Прогноз изменений климата выполнялся по трем основным сценариям (А2, А1В, В1), разработанным Межправительственной группой экспертов по изменению климата и основанным на обширном перечне демографических, экономических и технологических факторов, определяющих эмиссии парниковых газов и аэрозолей в атмосфере в XXI в. При сравнении прогнозов изменения глобально осредненной температуры к 2100 г. при сценарии А2 среднее по всем моделям потепление составляет около 3,4 градуса (модель ИВМ РАН – 3,5 градуса), при сценарии А1В – 2,7 градуса (модель ИВМ РАН – 2,6 градуса), при сценарии В1 – 1,8 градуса (модель ИВМ РАН – 2,0 градуса). Модель ИВМ РАН показывает удовлетворительные результаты по сравнению с другими моделями, как при прогнозировании климата, так и при воспроизведении климата ХХ столетия. Сценарии изменения климата A1B, A2 и B1 и результаты моделирования климата в ХХI столетии с помощью модели общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН использованы в диссертационной работе при проведении численных экспериментов по долгосрочному прогнозу риска для здоровья.

Оценены характеристики транспортного комплекса и промзон столицы как источников загрязнения атмосферы, рассмотрены возможные варианты дальнейшего развития этих объектов.

В Москве с отработавшими газами автотранспорта в воздух поступает 92 % общих выбросов загрязняющих веществ. Остальные транспортные источники, включая и стационарные, составляют единицы и десятые доли процентов в общем количестве выбросов. В последние 15 лет наблюдается резкое увеличение численности автомобильного парка, приводящее к обострению сопутствующих негативных факторов (заторы на дорогах и др.), влияющих на загрязнение воздуха столицы. Из положительных тенденций можно выделить сокращение ввоза подержанных иномарок; увеличение числа автомобилей, отвечающих требованиям Евро-2 и выше, и транспорта, использующего альтернативные, более экологически чистые виды топлива (сжатый природный газ). Судя по динамике численности автотранспорта за последние годы, можно сделать вывод, что рост автопарка Москвы будет, вероятнее всего, происходить опережающими темпами относительно реализации различных мероприятий, направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.

Таким образом, можно выделить 3 ориентировочных (гипотетических) сценария развития автотранспорта на период до 2075 г.: Т1 («Пессимистичный» – рост автопарка при отсутствии мероприятий по снижению негативного воздействия автомобилей на окружающую среду), Т2 («Нулевой» – численность автопарка не меняется, меры по снижению загрязнения воздуха автомобилями не принимаются), Т3 («Оптимистичный» – увеличение численности автопарка на фоне мероприятий, программ и концепций по уменьшению негативного воздействия автотранспорта на окружающую среду).

Выбросы загрязняющих веществ от промышленных объектов Москвы составляют 8 % от общей суммы выбросов. Начиная с 2000 г., выбросы в атмосферу от стационарных источников постепенно снижаются. В настоящее время промышленные зоны составляют 20 % от всей городской территории. Загрязнение воздуха в большинстве случаев связано с нерациональным размещением производственных мощностей; несовершенством технологических процессов на промышленных предприятиях; отсутствием пыле- и газоулавливающего оборудования или неэффективным его использованием; низкой экологической культурой. Работа по выводу производственных объектов с территории города ведется медленными темпами. Согласно Генплану развития Москвы до 2020 года, в столице предусмотрено сокращений территорий производственных зон с 20,9 тыс. га до 15,6 тыс. га за счет ликвидации старых, нерентабельных, экологически опасных предприятий, вывода некоторых объектов за территорию города, изменения функционального назначения части производственных территорий.

Таким образом, можно выделить два ориентировочных сценария развития промышленности на период с 2005 г. по 2075 г.: П1 («Нулевой» – не предполагается какой-либо динамики количества выбросов от производственных зон и изменения (а также появления) факторов, влияющих на уровень загрязнения атмосферного воздуха в Москве), П2 («Оптимистичный» – уменьшение количества выбросов от предприятий вследствие заметного сокращения площадей промзон, а также изменения технологий промышленных предприятий, появления новых материалов, установки нового очистного оборудования, изменения функционального назначения территорий и др.).

Выполнена характеристика экспозиции воздействия техногенных выбросов на человека, согласно которой в экспериментах принят вариант, предусматривающий максимальную (пожизненную) экспозицию человека: 70 лет – для прогноза канцерогенного риска, 30 лет – для неканцерогенной опасности.

На основе проведенного анализа разработаны сценарии изменения климата, развития промышленных зон и автотранспорта в г. Москве в ближайшие десятилетия. Сценарии, в свою очередь, сформированы в группы в различных комбинациях для проведения экспериментов по прогнозу риска здоровью.

Глава 3 посвящена разработке численной мезоклиматической модели прогноза загрязнения воздуха для проведения экспериментов по долгосрочному прогнозированию риска для здоровья человека. Модель построена на основе трехмерного уравнения переноса и диффузии примесей в атмосфере

,

где q – концентрация примеси; u, v, w – компоненты вектора скорости ветра вдоль осей x, y, z, соответственно; wg – скорость седиментации вещества; – параметр, обратный величине интервала времени, за который интенсивность выделения примеси по сравнению с начальным значением уменьшается в е раз; k, – вертикальный и горизонтальный коэффициенты турбулентности; 2 – оператор Лапласа; ; Fqi – интенсивность i-го источника примеси; - дельта-функция Дирака.

Для расчета полей функций чувствительности концентрации к единичным изменениям параметров атмосферы и источника примеси данное уравнение представляется в вариациях относительно невозмущенного состояния

где описывает процессы упорядоченных вертикальных движений, включая седиментацию.

В процессе работы с моделью были получены выводы о том, что функции чувствительности концентрации к вариациям метеорологических характеристик ничтожно малы по сравнению с вариациями интенсивности источника выбросов. Поэтому в экспериментах по прогнозу риска заболеваний рассматривались только функции чувствительности к изменениям в работе источников примесей. При этом параметры атмосферы принимались на уровне климатических, то есть вариации u = 0, v =0, w = 0, а представленное выше уравнение получило следующий вид

.

Получаемые таким образом результаты моделирования есть поля единичных концентраций, представляющие собой функции чувствительности Q системы на воздействие источников с единичным выбросом. Данная модель позволяет выполнить прогноз концентраций загрязняющих веществ с требуемой заблаговременностью (30 и 70 лет).

Численная модель построена для прогноза загрязнения атмосферы в Московском регионе и реализована на ограниченной территории, имеющей вид прямоугольного параллелепипеда размером 108 х 108 х 0,25 км. Соответствующая ей сеточная область представляет 36 х 36 х 3 узлов с шагом по горизонтальным координатам 3 км. По вертикали счетные уровни располагаются на высотах 1 м, 50 м и 250 м.

Для решения задачи долгосрочного прогноза используется климатическая метеорологическая информация для территории Московского региона, полученная по результатам экспериментов с Совместной моделью общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН.

Численные эксперименты, проведенные для г. Москвы, подтвердили работоспособность предлагаемого методического подхода к прогнозу риска здоровью. При проведении экспериментов был взят один площадной источник неправильной формы, представляющий целый город, который интегрально представлял информацию о выбросах передвижных и стационарных источников, расположенных по всей территории Москвы. Такое укрупнение является вполне разумным с точки зрения пространственно-временного масштаба решаемой задачи. Высота источника составляет 1 м, что обусловлено доминирующим влиянием автотранспорта в загрязнении городского воздуха.

Информация о выбросах загрязняющих веществ в г. Москве получена из «Государственного доклада о состоянии и об охране окружающей среды в Российской Федерации в 2005 году». Кроме этого, при проведении экспериментов использовались сведения о времени жизни загрязняющих примесей, размерах частиц и плотности. Имеющиеся в распоряжении исходные данные по составу и количеству выбросов позволили в рамках настоящей работы выполнить долгосрочный прогноз уровня относительной опасности неонкологических заболеваний по ряду соединений (диоксид азота, диоксид серы, оксид углерода, формальдегид, свинец), формирующих неканцерогенную опасность для здоровья, а также заблаговременную оценку риска онкологических заболеваний по двум веществам: формальдегид и свинец.

Представлено сравнение получаемых с помощью экспериментальной численной модели результатов с данными одной из апробированных моделей загрязнения воздуха CALINE-3 и натурных измерений на одной и той же территории. Выполненный сравнительный анализ концентраций, рассчитанных по данным моделям, и измеренных данных показал удовлетворительные результаты.

В главе 4 выполнен анализ экспериментов по долгосрочному прогнозу риска здоровью человека на территории г. Москвы для высот 1 м (у земной поверхности) и 50 м (верхние этажи жилых домов). Расчеты риска выполнялись, исходя из принципа суммарного действия рассматриваемых веществ на организм.

Проведена оценка риска для здоровья на территории Москвы в 2005 году. Анализ полученных результатов показал, что загрязнение атмосферного воздуха диоксидами азота и серы, оксидом углерода, свинцом и формальдегидом создает повышенную опасность неонкологических заболеваний в столице, превышающую приемлемый уровень в 4-5 раз на уровне нижних этажей зданий; средневзвешенный по территории Москвы индекс h равен 4,6 на высоте 1 м и 1,0 на высоте 50 м. Средневзвешенные по Москве уровни канцерогенного риска, создаваемого выбросами свинца и формальдегида, составляют 4,7 · 10-5 на высоте 1 м и 1,1 · 10-5 на высоте 50 м и характеризуются как приемлемые.

Построены карты распределения прогнозируемых уровней неканцерогенной опасности и уровней индивидуального риска онкологических заболеваний для территории Москвы в соответствии с тремя сценариями изменения климата в 21 столетии и тремя сценариями развития транспорта и производственных зон. В табл. 1, 2 приведены данные обобщенного анализа полученных карт в виде средневзвешенных по территории Москвы показателей опасности заболеваний и уровней канцерогенного риска. Для сравнения в этих же таблицах представлены значения h и r по всем сценариям развития транспорта и промышленности, рассчитанные с климатическими данными 2005 года, т.е. без учета изменения климата. На рис. 1, 2 приведена графическая интерпретация данных таблиц 1, 2 на высоте 1 м. Также были рассчитаны средневзвешенные риски для здоровья в отдельных районах Москвы.

Таблица 1

Опасность неонкологических заболеваний на территории Москвы при различных сценариях изменения климата и развития города

Сценарии развития транс-порта и промзон	Высот-ный уровень	Показатель опасности заболеваний, h
		Сценарий измене-ния климата А2	Сценарий измене-ния климата А1В	Сценарий измене-ния климата В1	Клима-тичес-кие данные 2005 г.
Т1 + П1	1 м	8,08	7,94	8,29	8,19
	50 м	1,85	1,81	1,88	1,84
Т2 + П1	1 м	4,51	4,43	4,63	4,58
	50 м	1,03	1,00	1,05	1,02
Т3 + П2	1 м	2,34	2,30	2,40	2,37
	50 м	0,54	0,52	0,55	0,53

Результаты долгосрочного прогноза показывают, что при всех заданных сценариях развития города и изменения климата ожидается повышенная неканцерогенная опасность для человека вблизи земной поверхности, а при пессимистичном варианте – также на верхних этажах высотных домов. Средние по территории Москвы и отдельным районам показатели неканцерогенной опасности, полученные по различным сценариям изменения климата, отличаются от данных 2005 года на 1-5 %.

Таблица 2

Индивидуальные риски онкологических заболеваний на территории Москвы при различных сценариях изменения климата и развития города

Сценарии развития транс-порта и промзон	Высот-ный уровень	Индивидуальный риск онкологических заболеваний, r
		Сценарий измене-ния климата А2	Сценарий измене-ния климата А1В	Сценарий измене-ния климата В1	Клима-тические данные 2005 г.
Т1	1 м	1,04 · 10-4	9,00 · 10-5	7,25 · 10-5	9,50 · 10-5
	50 м	2,64 · 10-5	2,08 · 10-5	1,33 · 10-5	2,19 · 10-5
Т2	1 м	5,18 · 10-5	4,48 · 10-5	3,61 · 10-5	4,73 · 10-5
	50 м	1,32 · 10-5	1,03 · 10-5	6,62 · 10-6	1,09 · 10-5
Т3	1 м	3,06 · 10-5	2,65 · 10-5	2,13 · 10-5	2,80 · 10-5
	50 м	7,77 · 10-6	6,11 · 10-6	3,91 · 10-6	6,46 · 10-6

Прогнозируемые риски онкологических заболеваний, будут находиться в рамках допустимых уровней и на верхней границе приемлемого риска. При пессимистичном сценарии развития Москвы и сценарии климата А2 вблизи земной поверхности могут наблюдаться уровни канцерогенного риска, превышающие приемлемые значения. Значения канцерогенного риска в отдельных районах города и средневзвешенные по Москве имеют отличия от данных 2005 года от 3 до 41 % в зависимости от сценария и высотного уровня.

Что касается распределения рисков по сценариям источника, то здесь значения r и h изменяются в соответствии с интенсивностью загрязнения воздуха в большую или меньшую сторону и показывают приблизительные рамки, в которых может меняться уровень риска для здоровья при различных вариантах развития города.

Прогнозируемые уровни канцерогенного риска получены всего по двум загрязняющим веществам – формальдегиду и свинцу, содержащимся в выбросах автомобилей. Однако эти результаты уже позволяют составить приблизительную картину канцерогенной опасности в г. Москве. Как показали расчеты, на территории Москвы вариации уровней канцерогенного риска относительно настоящего времени могут достигать 40 %, а разброс значений риска по сценариям климата – 50 %. Эти цифры говорят о необходимости учета изменения климата при долгосрочном прогнозе риска онкологических заболеваний. Прогнозируемые показатели опасности неонкологических заболеваний отличаются от значений 2005 года и между сценариями климата на 1-6 %. Меньшие, чем в случае канцерогенного риска, отличия прогнозных уровней неканцерогенной опасности от 2005 года, очевидно, связаны с тем, что их расчет осуществлялся с заблаговременностью 30 лет, а канцерогенного риска – 70 лет. Однако при долгосрочном прогнозе неонкологических заболеваний также целесообразно учитывать климатические изменения. Выполненный прогноз дает возможность увидеть тенденции изменения уровня заболеваний в далекой перспективе, что очень важно при заблаговременной оценке последствий загрязнения атмосферного воздуха.

В главе 5 представлены рекомендации по снижению финансовых потерь населения вследствие экологически обусловленных заболеваний. Анализ российской системы экологического страхования показал, что экологическое страхование в нашей стране, впрочем, как и за рубежом, предусматривает лишь возмещение убытков, вреда в случаях внезапного, непреднамеренного загрязнения окружающей среды. Компенсация убытков, которые несет население из-за нарушения здоровья вследствие постоянного или частого сверхдопустимого с точки зрения санитарно-гигиенических норм загрязнения воздуха, в настоящее время не рассматривается.

Для снижения финансовых потерь населения, возникающих в результате экологически обусловленных заболеваний, предлагается использовать хеджирование риска для здоровья с применением специальных (экологических) деривативов. Экологический дериватив – это контракт, согласно которому одна из сторон (житель загрязненной территории) «перекладывает» свой экологический риск (риск для здоровья) на другую сторону (за вознаграждение или премию, которую оплачивает не сам житель, а «загрязнитель»). Экологический контракт может быть оформлен в различных вариантах. Тип контракта определяет схему платежа.

Важной характеристикой экологического контракта является базовый актив, на который он выпускается. Базовым активом здесь служат канцерогенный риск и опасность неонкологических заболеваний: индексы R и Н (или HQ). Стоимость базового актива является основой для расчета при исполнении контракта. При заключении сделки рассматривается (прогнозируется) уровень риска на определенный промежуток времени, обязательно указываемый в контракте.

Для хеджирования риска заболеваний необходимо знать как количественную, так и качественную характеристику риска, чтобы на этой основе в дальнейшем определить, как отражается заболеваемость на экономическом положении жителей экологически неблагополучных территорий. Располагая данными о загрязнении воздуха и обусловленном им риске для здоровья, а также о наступающих при этом финансовых потерях населения, можно построить различные схемы хеджирования риска заболеваний. Наиболее соответствующие данной цели типы контрактов – это свопы и опционы.

Суть дериватива «своп» состоит в следующем: две стороны договариваются между собой о том, что если за оговоренное контрактом время, например, неканцерогенный риск превышает нормальный уровень (H = 1), то в этом случае речь идет о повышенной заболеваемости и дополнительных финансовых потерях населения. Однако контрагент (страховая компания, экологический фонд) компенсирует эти убытки населению. Деньги, которые в итоге пойдут на компенсационные выплаты, перечисляются контрагенту загрязнителем. Если же реальный неканцерогенный риск окажется ниже нормального уровня, то в этом случае можно говорить лишь о фоновой заболеваемости, соответствующей экологически благополучной территории. Таким образом, жители не несут дополнительные финансовые потери, обусловленные влиянием загрязненного воздуха. При этом контрагент выплачивает загрязнителю сумму, частично компенсирующую заплаченные за экологический контракт средства.

Экологический дериватив типа «опцион» – это опцион на продажу (опцион пут), дающий покупателю право продать базовый актив по определенной цене в течение определенного периода или по истечении согласованного интервала времени. Контракт этого типа компенсирует жителю загрязненной территории потенциальные финансовые потери, если уровень неканцерогенной опасности окажется выше указанного в контракте уровня (страйк) – например, наименьшего уровня, при котором наблюдается негативный для организма человека эффект загрязняющих веществ. Загрязнитель покупает этот контракт на экологической бирже и платит премию продавцу опциона. Если же загрязнение воздуха по данным мониторинга окажется ниже порогового уровня воздействия, то считается, что финансовое состояние жителей не пострадало (от воздействия экологических факторов). Поэтому выплаты населению не производятся. Таким образом, и загрязнитель сохранит свой стабильный доход, так как не потратит средства на компенсации населению.

При хеджировании риска здоровью основную проблему представляет определение цены экологического дериватива. В практике хеджирования существуют разные подходы к определению цены опциона, однако наиболее точную цену можно определить, имея качественный долгосрочный прогноз загрязнения воздуха и обусловленного им риска для здоровья.

Реализация хеджирования в системе экологического страхования требует внесения изменений в российское законодательство, а также создания биржи для осуществления сделок по экологическим контрактам, и/или экологических фондов, отдельных страховых компаний. Хеджирование риска для здоровья следует рассматривать как предложение по снижению отрицательного экономического эффекта для населения загрязнения окружающей среды, требующее дальнейшего уточнения.

Заключение работы содержит основные результаты и выводы диссертации, которые состоят в следующем.

1. Разработана методика долгосрочного прогноза риска для здоровья человека вследствие техногенного загрязнения воздуха на основе методов теории чувствительности, применение которых позволяет значительно упростить постановку и решение данной задачи по сравнению с методами прямого моделирования.

2. Построена численная модель долгосрочного прогноза загрязнения атмосферы на основе методов теории чувствительности, позволяющая выполнять оценку последствий загрязнения воздуха для здоровья с заблаговременностью, равной средней продолжительности жизни человека (70 лет) и, соответственно, времени воздействия вредных веществ. При этом в модели выполнен учет прогнозируемых изменений климата в ХХI столетии.

3. С помощью построенной модели выполнены численные эксперименты по долгосрочному прогнозу риска для здоровья человека в г. Москве при различных сценариях изменения климата и развития города. Данные экспериментов показали, что при рассмотрении основных загрязнителей атмосферного воздуха прогнозируемая опасность неонкологических заболеваний превышает приемлемый уровень вблизи земной поверхности в зависимости от сценария в 2-9 раз; а на уровне верхних этажей высотных зданий – приблизительно в 2 раза и лишь при пессимистичном варианте развития города. Прогноз канцерогенной опасности выполнялся для формальдегида и соединений свинца, выбрасываемых автотранспортом. Прогнозируемые уровни риска онкологических заболеваний по данным веществам находятся в рамках допустимых значений и на верхней границе приемлемого риска. При пессимистичном сценарии развития Москвы и наибольшем потеплении климата (сценарий А2) в отдельных районах города вблизи земной поверхности могут наблюдаться уровни канцерогенного риска, превышающие приемлемые значения.

Влияние изменения климата на конечную оценку риска здоровью оказывается достаточно заметным, особенно по онкологическим заболеваниям. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о необходимости учета прогнозируемых изменений климата при заблаговременной оценке последствий загрязнения атмосферы. Несмотря на ряд существующих неопределенностей, при тщательной подготовке исходных данных полученные результаты долгосрочного прогноза риска заболеваний позволяют обозначить границы, в которых может меняться уровень риска при возможных сценариях развития города и изменения климата, а в дальнейшем могут использоваться в качестве основы для принятия управленческих решений по снижению риска.

4. Предложены рекомендации по использованию производных финансовых инструментов для снижения экономических потерь населения вследствие повышенной заболеваемости, вызванной техногенным загрязнением атмосферы.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Макоско А.А., Матешева А.В. Методический подход к долгосрочному прогнозу канцерогенного риска, обусловленного загрязнением воздуха транспортными потоками // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – М.: ВИНИТИ, 2004, № 3, с. 74-77.
2. Матешева А.В. Прогноз риска здоровью человека от загрязнения атмосферы / Тр. конф. «Физиология и медицина». Тез. докл. – СПб.: Вестник молодых ученых, 2005, с. 74.
3. Матешева А.В. Прогноз канцерогенного риска // Сб. материалов Всерос. выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ – 2005. – М.: ГАО ВВЦ, 2005. – с. 41-42.
4. Матешева А.В. Прогноз риска здоровью населения г. Москвы от загрязнения атмосферного воздуха канцерогенными примесями / Тр. конф. «Безопасность движения поездов». Тез. докл. – М.: МИИТ, 2005, с. IV-20­–IV-21.
5. Макоско А.А., Матешева А.В. О долгосрочном прогнозе рисков заболеваний населения от химического загрязнения атмосферы // Российский химический журнал. – М.: Российское химическое общество им. Д.И. Менделеева, 2006, Т. L, № 5, с. 48-54.
6. Макоско А.А., Гинзбург А.С., Солдатенко С.А., Матешева А.В. Использование производных финансовых инструментов для уменьшения погодных рисков // Инновации, 2006, № 6 (91), с. 61-70.
7. Матешева А.В. Методика долгосрочного прогноза риска для здоровья вследствие антропогенного загрязнения воздуха // Технологии живых систем, 2007, Т. 4, № 4, с. 47-54.
8. Гранберг И.Г., Голицын Г.С., Истошин Н.Г., Гинзбург А.С., Ефименко Н.В., Рогоза А.Н., Алёхин А.И., Поволоцкая Н.П., Ревич Б.А., Семутникова Е.Г., Беликов И.Б., Максименков Л.О., Рубинштейн К.Г., Матешева А.В. Исследование влияния резких изменений погодных условий (в том числе загрязнения атмосферы) на этиологию и патогенез основных социально значимых заболеваний в мегаполисе (на примере юго-западной части Москвы) / Тр. конф. по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине». Тез. докл. – М.: РАН, 2007. – с.46-47.
9. Макоско А.А., Гинзбург А.С., Матешева А.В. Хеджирование в системе мер по адаптации населения к изменяющимся погодно-климатическим и экологическим условиям / Динамика и математическое моделирование геофизических и гидрометеорологических процессов. Том VII // Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. В 8 томах. – М.: ИФЗ РАН, 2008. – с. 244-263.
10. Макоско А.А., Матешева А.В. Методические основы долгосрочного прогноза риска здоровью населения мегаполиса при техногенном загрязнении атмосферы // Инновации, 2009, № 10, с. 46-50.
11. Макоско А.А., Матешева А.В. О хеджировании рисков для здоровья населения в условиях постоянного воздействия загрязненного воздуха // Геоэкология, 2010, № 3. – Принято к публикации.

МАТЕШЕВА Анна Владимировна

Методика долгосрочного прогноза риска для здоровья человека при техногенном загрязнении воздуха производственной среды и прилегающих территорий (на примере г. Москвы)

Специальность 05.26.01. ­– Охрана труда (транспорт)

Специальность 03.00.16 – Экология

Подписано в печать -

Формат - Усл. печ. л. - Тираж - экз.

Заказ -

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9. Типография МИИТа.