Научная новизна исследования

Научная новизна работы заключается в том, что впервые за последние годы выявлена изменчивость уровня загрязнения атмосферного воздуха в одном из крупнейших городов Казахстана. Определена современная закономерность пространственно - временного распределения концентраций основных загрязняющих веществ в воздушном бассейне города Алматы. Обозначены основные процессы формирования максимальных концентраций антропогенных примесей в различные сезоны года за последние 5 лет, с учетом всех изменений в городе (строительство развязок и новостроек). При этом выявлена доля каждого загрязняющего вещества входящего в ИЗА (индекс загрязнения атмосферы) в загрязнении воздушного бассейна города.

Определены метеорологические условия благоприятные рассеиванию и накоплению антропогенных примесей на территории города и проведена типизация метеорологических ситуаций, определяющих уровень загрязнения атмосферы. В данной работе, дается оценка экологической обстановки города и произведено ранжирование территории по уровню загрязнения воздушного бассейна, на основе исследований автора, анализа картографической и фондовой информации. Построены карты загрязнения атмосферного воздуха города Алматы основными загрязняющими веществами, с помощью, которых возможно определение наиболее загрязненных участков города, в различные сезоны года.

Объектом исследования является экологическое состояние воздушной среды города Алматы, выбросы и изменчивость концентраций загрязняющих веществ.

Предметом исследования являются антропогенные и метеорологические условия загрязнения атмосферного воздуха, определяющие концентрации основных загрязняющих веществ воздушного бассейна.

Целью работы является анализ и оценка загрязнения атмосферного воздуха г. Алматы. Влияния метеорологических факторов, топографических особенностей местности на накопление и рассеивание вредных выбросов в атмосфере. Произвести районирование территории города по уровню антропогенной нагрузки на атмосферный воздух. В результате дать оценку экологического зонирования территории города с выделением основных типов уровня комфортности для проживания населения.

Задачи:

- сбор и систематизация информации о состоянии атмосферного воздуха г. Алматы

- изучить динамику изменения концентрации основных загрязняющих веществ и выявить современную закономерность пространственно - временного распределения примесей в связи с антропогенной нагрузкой на воздушную среду города;

- установление особых метеорологических условий, способствующих формированию высокого уровня загрязнения атмосферы;

- дать оценку состояния экологической обстановки связанную с хозяйственной деятельностью крупной урбанизированной территории города Алматы.

Методы исследований: сбор, систематизация данных о загрязнении воздушного бассейна города Алматы основными загрязняющими веществами. В качестве исходных данных использовались метеорологические материалы, дневники погоды за 2007-2011 г.г. данные по загрязнению атмосферного воздуха города Алматы за 1990-1999 г.г. и 2007-2011г.г. постов наблюдения № 1, 12, 16, 25, 26. Также в работу вошли данные наблюдений концентраций по 5 антропогенным примесям (пыли, оксида углерода, диоксида азота, сернистого ангидрида, формальдегида) и значения метеорологических величин (температуры воздуха, количества осадков, направления и скорости ветра). Основными методами исследования выбраны физико-статистический, сравнительно - аналитический, математическая обработка эмпирических данных, корреляционный и регрессионный анализы, использование геоинформационных технологий для построения карт загрязненности воздушного бассейна города основными ЗВ и карты экологического зонирования города.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Особенности пространственно - временного распределения концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне города Алматы.

2. Режим различных метеорологических элементов, определяющих уровень загрязнения основных веществ в воздушной среде города.

3. Исследования зависимости между значениями концентраций антропогенных примесей и различными метеопараметрами атмосферы.

4. Результаты районирования территории города по уровню антропогенной нагрузки.

В основу работы положена информация РГП «Казгидромет» Государственной сети наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха в г. Алматы, отчеты о научно-исследовательской работе РГП КазНИИЭК (Казахский научно-исследовательский институт экологии и климата), отчет о научно-исследовательской работе «Разработка научных основ мониторинга эффективности растительных систем и технологий в снижении концентрации СО2 в атмосфере крупной урбанизированной территории (на примере города и пригорода Алматы)» РГП КазНАУ, данные управления статистики по г.Алматы о состоянии воздушного бассейна на основе отчетных данных Агентства РК по статистике и департамента статистики г.Алматы, данные УДП ДВД г. Алматы.

Полученные данные могут быть использованы в области экологии и охраны окружающей среды, для дальнейшего ведения работ по разработки улучшения качества атмосферного воздуха в городе Алматы. Результаты выполненных исследований в данной работе представляют интерес для проектных организаций, разрабатывающих проекты транспортной инфраструктуры и генеральных планов развития города. Также полученные сведения могут быть полезны для сопоставления санитарно - эпидемиологическими органами, степени загрязнения окружающей среды в интересах обеспечения экологически безопасного проживания населения.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием большого объема исходных данных за рассматриваемые годы. А также подтверждается корректным выбором методик исследований, с применением современных математико-статистических методов обработки исходного материала.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Международной конференции, посвященной 80-летию КазНАУ (Алматы, 2010); на Всероссийской научно-практической конференции посвященной 70-летию со дня рождения д.с.-х.н., профессора А.И. Пупонина (Москва, 2010); на научном семинаре кафедры «Почвоведение, агрохимия и экологии» Казахского национального аграрного университета (Алматы, 2012).

По теме диссертации опубликовано 10 научных трудов, в том числе, 4 (четыре) в изданиях, рекомендованных Комитетом, и 3 (три) в материалах международных конференций, в том числе, 2 (двух) в материалах зарубежных конференций, 2 в журналах дальнего зарубежья, 1 (одной) в международном издании, входящую в базу данных Scopus.

Личный вклад автора заключается в постановке и разработке основной темы диссертации, в проведении натурных обследований по основным точкам города, в сборе и анализе статистических материалов, а также обработке полученных данных. Формулирования выводов и разработки практических рекомендаций по снижению уровня загрязнения атмосферы и тем самым оздоровлению экологической обстановки города Алматы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 45 таблиц. Список использованных литературных источников включает 112 наименований.

ГЛАВА 1 Обзор современного исследования уровня загрязнения воздушного бассейна. Характеристика используемого материала

1.1 Обзор современного исследования уровня загрязнения воздушного бассейна

Атмосферный воздух - это источник дыхания человека, животных и растительности, сырье для процессов горения и синтеза химических веществ. В результате хозяйственной деятельности человека в атмосфере появляется большое количество загрязняющих веществ, наиболее значительные изменения качества атмосферного воздуха наблюдаются в крупных городах [1]. Загрязнение воздуха в крупных городах является одной из основных проблем охраны окружающей среды, как всего мира, так и Казахстана.

Изменение выбросов четко показывает, что загрязнение воздуха в городах в целом увеличилось, в противоположность к общему снижению выбросов в странах. В сотне городов мира среднегодовые уровни загрязнения атмосферного воздуха превышают санитарно-гигиенические нормы. В основе этого явления лежит расширение парка автомобилей, в большинстве своем неконтролируемое и в среднем довольно старыми по сроку выпуска. Поэтому в большинстве городов мира именно транспорт ответственен за, то, что до 75% приходится на его долю от общих выбросов отдельных загрязняющих веществ [2].

Сейчас современные города обычно занимают территории в десятки, а иногда сотни квадратных километров, поэтому изменение содержания вредных веществ в их атмосфере происходит под воздействием мезо - и макромасштабных атмосферных процессов [3]. Так на территории каждого города, вне зависимости от его размеров, архитектурно - планировочных и техногенных особенностей формируется местный климат, который отличается от климата пригородной территории, в литературе он получил название климат города [4]. Одно из важных направлением работ по атмосферной диффузии, является исследование взаимосвязи между загрязнением атмосферы и изменениями климата, в том числе климата города [5,6]. Из полученных результатов многих авторов [4,7,8,9] более подробно стало возможным впервые теоретически оценить интенсивность городского "острова тепла", и дать объяснение более высоких температур над городской территорией, чем за ее пределами. Так были определены и подтверждены главные факторы являющиеся причиной образования «острова тепла» над городом. Был выделен самый главный фактор это, изменение режима солнечной радиации, прямые выбросы тепла и изменение теплового баланса из-за уменьшения испарения. Также это явление можно связать с малой проницаемости подстилающей поверхности, которая способствует быстрому стоку воды и значительной теплопроводности покрытий из-за стен зданий, крыш, заасфальтированных дорог. Немаловажным фактором являются выбросы пыли и газов промышленными предприятиями и транспортом. Не стоит забывать и об особом для каждого города рельефе, который создается застройкой, где имеется большая доля вертикальных поверхностей, что приводит к взаимному затенению домов и образованию котловинных условий на фоне равнинного рельефа. Конечно все выше перечисленные показатели «острова тепла» и его размер изменяются в пространстве и времени под влиянием метеорологических условий и местных особенностей города [10,11,12]. Так изменение температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральным районам города показаны на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Сечение «острова тепла» над городом

В соответствии с рисунком 1.1 видно, что на границе раздела «город - сельская местность» возникает существенный горизонтальный градиент температуры, соответствующий «утесам острова тепла», доходящий иногда до 4 оС/км. Большая часть города представляет собой «плато» теплого воздуха с увеличением температуры по направлению к центральной части города. Над центром больших городов располагается «пик острова тепла», где температура воздуха максимальна [4]. Такой температурный режим способствует образованию приподнятых слоев инверсии [13,14].

Наряду с исследованиями по атмосферной диффузии, за последние время изучались метеорологические и синоптические условия формирования высокого уровня загрязнения, с целью дальнейшей возможности прогноза загрязнения атмосферы. Метеорологические условия, как известно, играют важную роль в формировании уровня загрязнения. Под влиянием выбросов от промышленности и автотранспорта, условий переноса, рассеивания и вымывания примесей осадками создается определенный уровень загрязнения [15]. Известно что, формирование уровня загрязнения происходит также протекающими непрерывно в атмосфере фотохимическими реакциями окисления и восстановления, образованием новых веществ и началом новых процессов. Изучению условий образования высокого уровня загрязнения воздуха посвящен ряд работ Берлянда М.Е., Безуглой Э.Ю., Сонькина Л.Р. [7,14,16,17,18,19]. В работах Безуглой Э.Ю., в основном исследуется влияние метеорологических условий на изменение в приземном слое содержания основных антропогенных примесей, таких как пыль, оксид углерода, диоксид серы, диоксид азота [3, 16, 17].

В работах Сонькина Л.Р., изучается физико-статистическая связь между загрязнением атмосферы и метеоропараметрами с целью прогноза загрязнения атмосферы. Оценивалось влияние каждого метеопараметра на степень загрязнения и полученные результаты использовались в дальнейшем для составления прогноза загрязнения [19].

Так в работах Безуглой Э.Ю. Берлянда М.Е. подробно рассматривают влияние скоростей ветра на отношение средних концентраций различных примесей. Было выявлено, что она возрастает при слабом ветре и ветре со скоростью 4-6 м/с [3]. Хотя влияние скорости ветра на концентрацию примесей в воздухе проявляется двояким образом. С одной стороны, усиление ветра способствует рассеянию примесей в атмосфере: очевидно, усиление ветра, как у земли, так и на более высоких уровнях определяет вынос всей массы загрязненного воздуха за пределы территории и очищение воздушного бассейна. Наряду с этим, ослабление ветра приводит к увеличению подъема перегретых выбросов, который особенно значителен при штиле и, следовательно, к уменьшению концентраций в приземном слое воздуха [3,16]. Поэтому важно учитывать при исследованиях повторяемость малых скоростей ветра так и повторяемость высокой скорости, не менее опасной при загрязнениях, от высоких источников (ТЭЦ, крупных предприятий, имеющие высокие трубы). Наиболее неблагоприятным направлением ветра является случай, когда ветер дует вдоль источника выброса. При этом поля концентрации от отдельных источников складываются, и формируется поле с более высоким уровнем загрязнения. При слабом ветре в районе высоких источников выброса концентрации у земли уменьшаются за счет увеличения подъема факела. При сильном ветре начальный подъем примеси уменьшается, но происходит возрастание скорости переноса. Неустойчивость направления ветра способствует усилению рассеяния примеси по горизонтали, и концентрации у земли уменьшаются [20].

При низких источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха отмечается при слабых ветрах (0-1 м/с) за счет скопления примесей в приземном слое [21].

Так в работе [22], велись наблюдения за концентрацией пыли и сернистого газа при ветре, скорость которого достигала 4-6 м/с.

Так же выявлено, что скопление примесей зависит от продолжительности слабого ветра, в работе [23] подробно показано, что концентрации примесей в городском воздухе повышается при слабом ветре и большой устойчивости нижнего слоя атмосферы. Наиболее актуально это звучит для города Алматы, так как город подвержен слабой ветровой циркуляции. В работе Калеловой А.Б. [24] было выявлено, что повторяемость слабых (до 1м/с) ветров оценивается летом в городе Алматы в 71%, зимой – в 79%. Среднегодовое значение скорости ветра в городе не превышает 1,7 м/с. А, как известно скорость ветра и уровень загрязняющих веществ это два тесно сопоставимых параметра.

Это можно проследить из таблицы 1.1, где четко прослеживается связь между уровнем загрязнения основными загрязняющими веществами города и скоростью ветра [25].

Таблица 1.1 - Значения среднегодовых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе за 2003-2008 гг. по г.Алматы.

Так концентрация ВВ (взвешенных веществ) при штиле или слабом ветре до 2 м/с, достигает 0,53 мг/м3, а когда скорость ветра увеличилась до 3 м/с концентрации снижаются до 0,33 мг/м3. Особенно существенная разница с СО (оксидом углерода), где его концентрация при слабом ветре составляет 7,6 мг/м3, при более высокой скорости ветра она существенно снижается до 3,04 мг/м3. То же самое прослеживается и с таким веществом как NO2 (диоксид азота), при штиле концентрации составляют, 0,17 мг/м3 при повышении ветровой активности концентрации уменьшаются до 0,10 мг/м3. Существенно понижаются показатели и SO2 (диоксида серы) 0,05 мг/м3 против 0,018 мг/м3 при повышенной скорости ветра.

Таким образом, видно, что при ветре со скоростью 0-2 м/с концентрации различных примесей на 30-70% выше, чем при более высоких скоростях.

Так Белый А.В., эксперт по окружающей среде и устойчивому развитию, несколько лет занимался проблемой загрязнения воздуха в Алматы. Основной проблемой южной столицы он тоже видит в сочетании большого количества источников выбросов и метеорологических условии, которые и способствуют накоплению вредных примесей в воздухе города. Мегаполис находится в предгорной зоне, это осложняет рассеивание вредных примесей. Скорость ветра незначительная, часто наблюдается безветрие, что не дает выбросам подниматься вверх и рассеиваться. В его работе [26] представлена зависимость концентраций различных примесей от величины повторяемости слабых ветров по данным постов города Алматы за период с 1991-1995гг. Здесь прослеживается четкая зависимость между повторяемостью слабого ветра и концентрациями основных загрязняющих веществ. С увеличением числа случаев ветра со скоростью 0-1м/с, происходит увеличение значений средних суточных концентраций вредных примесей. Так в холодное время года концентрации оксида углерода превышают ПДК (предельно допустимые концентрации) в 1,4-2,5 раза. А весной и в начале лета, когда сила ветра достигает 2-3,5м/с, что связано с циклоническими процессами, концентрация СО составляют уже 0,3-0,8 ПДК.

Так как город Алматы находится в предгорной зоне, и местность понижается с уклоном 20 на северо-запад. Перепад высот между севером и югом составляет в пределах 400м, то и скорость ветра отличается между северной и южной границами мегаполиса. Так в работе [27], показаны скорости ветра на станциях Медео (юго-восточная часть города), Алматы ГМО (гидрометеорологическая станция в центральной части города), Алматы аэропорт (северная часть горда), которые отличаются друг от друга. Так, скорость ветра в январе месяце самая низкая на станции ГМО в среднем составляет 1,1м/с, а в северной и южной частях города 1,7- 1,8м/с. В другие месяцы года, также прослеживается увеличение скоростей ветра в предгорной зоне на станции Медео и в северной части на станции аэропорт. Но скорость их составляет немного более 2 м/с, что еще раз подтверждает, то, что в Алматы ветровое самоочищение атмосферы при таких преобладающих скоростях ветра, не оказывает значительное влияния на улучшения качества воздушного бассейна.

Не стоит забывать и о таком факторе, влияющим на распространение примесей в атмосфере, как ветровой режим. Из работы [28] был выявлен ветровой режим города, а в работе [26] исследовались корреляционные зависимости между повторяемостью ветра по восьми румбам и показателям индекса загрязнения атмосферы, рассчитанный по 4 основным веществам: пыли, SO2, СО, NO2 за период с 1990 по 1995гг. Были получены результаты расчетов статистически значимых на 5-% уровне парных коэффициентов корреляции (таблица 1.2). Из таблицы видно, что по всем румбам имеются значимые корреляционные связи со значениями индекса загрязнения атмосферы. Так для ветров западного и восточного направления прослеживается обратная корреляционная зависимость. Это говорит о том, что при ветрах этих направлений, а также их составляющих значения уровень концентрации загрязняющих веществ снижаются.

Таблица 1.2 - Значимые на 5 - % уровне парные коэффициенты корреляции между величиной ИЗА и повторяемостью ветров

По румбу ветра северного направления обнаружена положительная корреляционная зависимость, а связь загрязнений с повторяемостью ветров южного направления не имеет статистической значимости. Значит, очевидно, что ветра, дующие перпендикулярно горам (северные и южные), существенно не влияют на очищение атмосферы. Имеется нарушение связи между направлением ветра и загрязнением воздуха в условиях местной горно-долинной циркуляции.

Так, было установлено, что ветровой режим города не остается постоянным. С ростом города в северном и южном направлениях роль горно-долинной циркуляции в формировании качества городского воздуха изменяется. Ветер из долины приносит в предгорье загрязненный воздух. Влияние ветра с гор в ночное время ограничивается небольшой южной частью города. Плотная застройка мегаполиса также очевидно влияет на продуваемость [26,29]. Оптимальная аэрация горным стоком наблюдается только в верхней, южной части города, в узкой полосе в пределах 20 км от подножий гор. Однако следует отметить, что именно в этой полосе в настоящее время идет интенсивная застройка высотными зданиями, которые уже существенно затрудняют продвижение воздушных масс, занижая указанный показатель в 20 км [30].

На изменение концентрации примеси влияют также условия температурной стратификации нижнего слоя атмосферы. Как и скорость ветра, термическая устойчивость стратификации атмосферы в зависимости от характера выбросов различным образом влияет на формирование уровня загрязнения. В среднем повышенный уровень загрязнения воздуха отмечается в городах в условиях и приземных и приподнятых инверсий. При формировании приземных инверсий у земли скапливаются низкие выбросы, а в условиях приподнятых инверсий ограничивается распространение примесей в вертикальном направлении. Исследования показали, что одним из условий формирования высокого уровня загрязнения воздуха в городе является сочетание штиля и приземной инверсии, то есть такое сочетание параметров называется «ситуацией застоя»[3].

За последние время выполнено достаточное количество работ, где рассматривалась корреляция между загрязнением атмосферы в крупных городах и метеорологическими условиями. Сведения о климатических условия распространения примесей в атмосфере и их влияния на формирования уровня загрязнения воздушного бассейна можно найти в справочном пособии [3], а так же в других работах [14,16]. Было выяснено, что рассеивающая способность атмосферы зависит от вертикального распределения температуры и скорости ветра [31]. Если в приземном слое воздуха температура с высотой растет (инверсия температуры), то рассеивание примесей ослабевает. В случае мощных и длительных приземных инверсий при низких, в частности, неорганизованных выбросах концентрации примесей могут существенно возрастать [32]. Резкое возрастание концентраций загрязняющих веществ происходит в период возникновения таких неблагоприятных метеорологических условий, способствующих накоплению промышленных и автомобильных выбросов в нижних слоях атмосферы [33,34]. При неблагоприятных метеорологических условиях в отдельные периоды концентрации вредных веществ в местах скопления автотранспорта, на главных магистралях города могут возрастать многократно [35].

Частая повторяемость приземных и приподнятых инверсий в январе является климатически обусловленной. Наблюдающая инверсия является одной из главных причин для накопления вредных примесей в нижнем слое атмосферы. Благодаря этому происходит оседание частиц в приземном слое атмосферы, и задерживающий слой не позволяет воздушной массе распространяться верх. Полная неподвижность воздуха и задерживающий слой - две физические характеристики, взаимно поддерживающие и усиливающие друг друга, особенно зимой. Малая подвижность связана с отсутствием турбулентного перемешивания. При слабом развитии турбулентного перемешивания воздушная масса ночью подвергается сильному выхолаживанию. Вследствие чего приземные температуры понижаются и инверсия усиливается. В отличие от зимнего периода, процессы, протекающие в приземном слое атмосферы летом, значительно отличаются. Летом атмосфера намного подвижнее. Частая повторяемость малоградиентных полей летом, проходящие грозы, а при устойчивой погоде горно-долинные ветры создают эту подвижность [32].

Так более подробно о влиянии инверсий на концентрацию примесей в воздушном бассейне различных городов, в том числе и в Алматы показано в работе [18], где рассматривается концентрация в воздухе таких веществ как пыли, окислов азота, окиси углерода и сернистого газа. В работе [3] во второй части показаны климатические данные, характеризующие условия рассеивания веществ. Так был выявлен для города Алматы суточный и годовой ход повторяемости приземных и приподнятых инверсий по сезонам года. В результате наибольшая повторяемость приземных инверсий наблюдается в утренние и ночное время в любой сезон года, увеличиваясь к июлю месяцу. В дневное и вечерние время приземные инверсии несколько ослабевают, но если сравнивать январь, где инверсии составляют 45% с июлем в дневное время – 3%, то видим ощутимую разницу между двумя сезонами. Что касается приподнятых инверсий, то их гораздо больше прослеживается в дневное и вечерние время 34%, против 13% в утренние и ночные часы, что характерно для января месяца. В теплое время года влияние приподнятых инверсий также как и приземных инверсий несколько ослабевает и составляет в дневное время в среднем 6%, а в утренние и ночные часы 2%. Также были выявлены средняя мощность и интенсивность приземных инверсий в различное время суток, где интенсивность инверсий прослеживается в утренние и ночные часы.

К аномальным метеорологическим условиям, при которых значительно возрастает опасность загрязнения воздуха, относятся и туманы. В городе Алматы часто наблюдаются туманы, которые также затрудняют рассеивание примесей в пространстве. Это приводит к накоплению в приземном слое продуктов загрязнения атмосферного воздуха выхлопными газами автомобилей, выбросами котельных, ТЭЦ, промышленных объектов и т.д., что выражается в явлениях смога, ставших привычными для города Алматы независимо от времени года.

Влияние туманов на содержание примесей в воздухе носит сложный характер. Это показано в ряде работ таких авторов как Берлянд М.Е [14]. При туманах наблюдаются такие распределения метеорологических величин, которые способствуют увеличению концентрации примесей. Примеси поглощаются частично водяными каплями, а при их растворении образуются новые более вредные вещества.

В работе Белого А.В. изучена зависимость числа случаев с высоким уровнем концентрации различных примесей в воздухе от повторяемости туманов. Были выбраны случаи с высоким содержанием пыли, оксида углерода и диоксида азота, а также повторяемостью туманов в период с 1990-1995гг. Если по пыли связи рассматриваемых величин редки, то связь между повторяемостью туманов и увеличение ПДК оксида углерода и диоксида азота очень велика.

Немало важным остается и то, что уровень загрязненности воздуха в городе меняется и по сезонам года. В работе Калеловой А.Б более подробно изучены особенности годового хода и распределения концентраций загрязняющих веществ по территории города. Были выделены периоды с высоким и экстремально высоким уровнем загрязнения, за 1991-1995 годы. Получены основные сведения по основным характеристикам и параметрам для этих случаев. Изучена их повторяемость, определены их условия возникновения [24]. Так, например, анализируя статистические характеристики, полученные в результате расчетов за указанный период, можно отметить, что значения средних месячных концентраций пыли изменялись в пределах от 0,15 до 0,50 мг/м3. В то же время среднегодовые значения концентраций пыли за 1991-1993 годы очень близки по величине и равны примерно 0,30 мг/м3, а в 1994-1995 годах их концентрации уменьшаются до 0,15-0,20 мг/м3. Ход средних месячных значений концентраций пыли в годовом ходе имеет тенденцию к формированию двух максимумов осенью и весной. Эти максимумы наблюдаются в 1991, 1993, 1995 годы. В осенние месяцы средняя концентрация пыли колебалась в пределах 0,40-0,49 мг/м3, что почти в трое превышало среднесуточную предельно допустимую концентрацию. Однако, анализируя среднегодовые концентрации за весь исследуемый период, можно заметить, что в середине 90 годов концентрация пыли была в два – три раза ниже по сравнению с началом девяностых. По-видимому, как это отмечает автор, этому способствовали не только синоптические условия, сложившиеся в этот период времени, но и остановка производств во многих отраслях деятельности в связи с экономическими трудностями.

Распределение концентрации оксида углерода за период 1991-1995гг имеет четко выраженный годовой ход. В течение года концентрация увеличивается в зимнее время до 3-6 мг/м3, постепенно уменьшаясь к летнему времени до 1,5-3 мг/м3. Это связано с тем, что оксид углерода выбрасывается в течение всего года автомобилями почти равномерно, но в зимнее время добавляются выбросы энергетических предприятий, которые существенно корректируют зимние выбросы от автотранспорта.

В годовом же ходе оксидов азота характерной особенностью является равномерное распределение его концентрации на протяжении всего года. То есть, средние значения этого ингредиента от сезона к сезону сильно не отличаются. Исключением является январь 1991 года, где концентрация двуокиси азота увеличилась до 0,12 мг/м3, что превысило среднесуточную ПДК в три раза.

Распределение среднемесячных значений концентраций двуокиси серы по месяцам, имеет довольно сглаженный годовой ход и средняя концентрация равна 0,01-0,03 мг/м3 на протяжении всего года, несколько повышаясь в холодные сезоны года.

В итоге, можно сказать, что распределение концентраций вредных веществ показывает, что наибольшая концентрация для всех ингредиентов большей частью наблюдается зимой, когда наблюдаются наименее благоприятные метеорологические условия для рассеяния ЗВ, которые накладываются на повышенные в годовом ходе выбросы энергетических предприятий, работающих в это время года с высокой интенсивностью. Исключением является пыль, максимальная концентрация которой наблюдалась в осенне-весенний период.

Вместе с тем, распределение загрязнения атмосферного воздуха в городе характеризуется сильной пространственной неоднородностью, поскольку выбросы в атмосферу осуществляются из большого количества пересекающихся линейных источников (автомобильные дороги), а спад уровня загрязнения с расстоянием от этих источников очень сильный и в значительной степени зависит от метеорологических и топографических условий. Так, в Великобритании были проведены исследования связи между уровнями NO2, зарегистрированными у края тротуара, концентрациями на промежуточных участках и в районах, удаленных на более чем 50 м от дорог [2]. Оказалось, что концентрации загрязнителя у края тротуара обычно на 35–40 % выше по сравнению с его уровнями на промежуточных участках и на 60–70% выше, чем на наиболее удаленных участках.

Так службой Казгидромет [36] проводился отбор проб атмосферного воздуха в отдельные месяцы 2002-2003 гг. на трех стационарных постах города, расположенных в различных районах и на разном расстоянии от автомагистралей (таблица 1.3). Программа наблюдений на стационарных постах предусматривала регулярные замеры диоксида азота.

Таблица 1.3 - Сведения о постах наблюдения за диоксидом азота

Рассмотрим данные наблюдений [36] на стационарных постах за июнь 2003 г. Анализ метеорологических данных позволяет выделить период с ясным небом и слабыми ветрами (0-2 м/сек.) с 13 по 30 число. По данным поста №12 концентрации диоксида колеблется от 0,1 мг/м3 (13 июня), до 0,07 мг/м3 (27 июня). По данным поста №1 концентрация диоксида азота составила в среднем 0,04 мг/м3. В целом, данные измерений NO2 на посту №1 ниже аналогичных показателей поста №12 на 70 %.

Таким образом, можно подтвердить, что усредненные концентрации загрязняющих веществ в двух точках, расположенных на расстоянии около 100 метров друг от друга могут различаться на 70% и даже больше.

Сочетание метеорологических условий, предопределяющих рассеивание (накопление) примесей, которые поступают в виде выбросов от промышленных предприятий и автотранспорта, называют потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА) либо рассеивающей способностью атмосферы [14,16]. Показатели ПЗА могут включать любые сочетания метеорологических факторов, которые характеризуют условия вертикального и горизонтального переноса примесей в атмосфере [37,38,39]. Перенос и рассеивание примесей осуществляется по законам турбулентной диффузии, а ее интенсивность зависит от множества факторов, среди которых доминирующая роль принадлежит термическим и динамическим факторам, которые определяют устойчивость термически стратифицированного пограничного слоя [40]. Использование и обработка специальной климатологической информации, включающей данные от аэрологических и метеорологических станций, позволила оценить потенциал загрязнения атмосферы и создать карту распределения ПЗА [15, 16,17]. Такой подход позволил провести макро районирование территории СССР, согласно которому территория Казахстана попала во вторую, третью и четвертую умеренную, повышенную континентальную зоны ПЗА. Карта используется в нормативных документах для учета климатических факторов при строительстве промышленных объектов [41]. Так город Алматы находится в районе с высоким потенциалом загрязнения атмосферы. Это объясняется особыми природно-климатическими особенностями местности, где расположен город Алматы. А экологические особенности атмосферы крупных промышленных районов сильно отличаются, так как находятся в условиях сложного рельефа [42].

Город расположен во впадине, в предгорьях северного склона хребта Заилийский Алатау на конусе выноса, который постепенно понижается с юга на север. Средняя высота города 800 м над уровнем моря. На юг и юго-восток от Алматы начинается сильно пересеченное холмистое предгорье, которое, повышаясь, переходит в хребет Заилийский Алатау [28]. Метеорологические условия Алматы обусловливаются характерным для города расположением в предгорной зоне Заилийского Алатау, наличием здесь горно-долинной циркуляции. В силу того, что центральная часть города располагается на стыке двух наклонных плоскостей, не всегда территория города находится под воздействием единой циркуляции. Поток горного воздуха, нагревающийся вследствие адиабатического сжатия, протекает поверх холодных слоев, прилегающих к поверхности земли и охлажденных радиационным выхолаживанием. Таким образом, образуется мощная приземная инверсия температуры, сохраняющаяся в зимний период длительное время. Отсюда и характерные для Алматы слабые ветры, повторяемость штилей в году в среднем 25 % и более.