Оценка риска для здоровья населения при загрязнении воздуха в условиях проведения ликвидационно-рекультивационных работ на угольной шахте

Введение. Кузбасс является крупнейшим угледобывающим регионом России, уникальным по качеству угля и его запасам. Угледобыча играет важную роль в экономике региона и тесно связана с металлургической и энергетической отраслями промышленности, также широко представленными в Кемеровской области [1]. Однако добыча угля сопряжена с рядом проблем, приводящих к экологическому риску и представляющих серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения [2][3]. Негативное влияние угледобывающих предприятий на экологию региона проявляется в изъятии из землепользования и нарушении земель, загрязнении их отходами добычи и переработки угля. При закрытии нерентабельных шахт происходит изменение их антропогенного воздействия на природную среду с проявлением таких негативных явлений, как интенсификация сдвижения массива горных пород и земной поверхности, образование провалов и просадок [4][5]. Согласно данным Южно-Сибирского межрегионального управления Росприроднадзора, площадь нарушенных земель в границах Кемеровской области при разработке месторождений полезных ископаемых по состоянию на начало 2021 года составила 108 074 тыс. га¹.

На территории Кузнецкого угольного бассейна существует острая необходимость в рекультивации нарушенных земель и ликвидации негативного воздействия предприятий угледобывающего и углеперерабатывающего комплекса на экологическую ситуацию в регионе [6][7]. В Кузбассе находятся 82 потенциально опасных объекта – наследия накопленного ущерба окружающей среде после проведенной реструктуризации угольной промышленности [8]. Многие из них сосредоточены на территории Прокопьевско-Киселевского каменноугольного промышленного района [9].

Оценке влияния предприятий угледобычи на экологическую ситуацию в Кузбассе, загрязнения воздушной среды, проблем деградации природных ресурсов региона, влияния атмосферных выбросов угольных шахт на здоровье жителей области посвящено значительное количество научных работ [10–14]. При этом проблеме оценки риска для здоровья населения от воздействия загрязняющих примесей, поступающих в атмосферу при проведении рекультивационных работ на ликвидированных угольных предприятиях, до сих пор не уделялось особого внимания, что определяет актуальность настоящего исследования.

Цель исследования – определить риск для здоровья населения от влияния загрязнения воздушной среды в условиях проведения ликвидационно-рекультивационных работ на угольной шахте.

Материалы и методы. Площадка ликвидации горных выработок шахты имени Ворошилова располагается в городе Прокопьевске Кемеровской области. Город Прокопьевск имеет сложную планировку, исторически сложившуюся по принципу «шахта-поселок», которая проявляется в хаотичном размещении предприятий, чередовании жилых и промышленных застроек с зонами нарушенных земель. Также сложность представляет наличие в пределах городской черты выходов угольных пластов, разработка которых открытым и подземным способами привела к тому, что значительная часть территории города нарушена, заполнена отвалами пород и терриконами, как правило, прошедшими этап самовозгорания, зонами провалов. Карьерные выемки и отвалы вскрышных пород значительны и загрязняют пылью близлежащие земли [4]. Общая площадь нарушенных земель в административных границах Прокопьевска составляет 2482 тыс. га (12,5 % от общей площади земель).

Шахта имени Ворошилова являлась одним из крупнейших предприятий Кузбасса, добывающих высококачественные коксующиеся угли, была закрыта в 2013 году. Шахта находится в центре жилого массива города Прокопьевска и граничит с действующей шахтой имени Дзержинского, законсервированными шахтами «Коксовая», «Красногорская» и ликвидированной шахтой имени Калинина. Численность населения города составляет 190 тыс. человек. Для исследования использовался том предельно допустимых выбросов (том ПДВ) площадки закрытой угольной шахты от 2019 г. Предельно допустимые выбросы предприятия – это нормативы вредных выбросов веществ, которые регламентируют максимально допустимый объем и состав вредных веществ, выбрасываемых данным предприятием в атмосферный воздух. Том ПДВ содержит необходимые для расчетов данные: перечень загрязняющих веществ, объемы выбросов, высоты и диаметры источников выбросов, скорости выхода газовоздушной смеси из устьев источников, температуры отходящих газовоздушных смесей. Источниками загрязнения атмосферного воздуха при проведении рекультивации являются работа бульдозера CATD9R и экскаватора Hitachi ZX1900; разгрузка вскрыши, плодородного слоя почвы и глины; транспортировка материалов автосамосвалами «БелАЗ-75131» и «БелАЗ-7555».

Расчетные максимальные и средние концентрации загрязняющих примесей, поступающих в атмосферный воздух при проведении рекультивационных работ, определены в 40 точках воздействия концентраций (ТВК), выбранных на основе карты города в селитебных зонах, расположенных в основном ближе к источникам выбросов, и с учетом розы ветров. Преобладающими направлениями ветров являются южное и юго-западное. ТВК располагались на расстоянии 210–13 000 м от источников загрязнения с началом жилой застройки. Расчеты концентраций загрязняющих веществ в ТВК выполнены с использованием программы «ЭКОцентр – Стандарт» с учетом приказа Минприроды России от 06.06.2017 № 273 «Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе»².

Канцерогенный риск и риск развития неканцерогенных эффектов определены согласно Руководству 2.1.10.1920–04³. Верхней границей допустимого канцерогенного индивидуального риска считается 1 × 10–4. Риск неканцерогенных эффектов оценивался на основе расчетов коэффициентов и индексов опасности для острых и хронических токсических эффектов. Приемлемое значение индекса опасности равняется 1. Риск хронической интоксикации (вероятность получения заболевания хронического характера, обусловленная длительным воздействием химических веществ, содержащихся в атмосферном воздухе) определен согласно методике А.П. Щербо и соавт.⁴ Приемлемое значение суммарного риска хронической интоксикации составляет 0,02. При расчетах период экспозиции принимался за 30 лет для неканцерогенных эффектов, 70 лет – для канцерогенных (при условии сохранения уровней средних концентраций загрязняющих веществ в течение этого времени).

Также в работе были рассчитаны значения уровней рисков с учетом влияния фоновых концентраций загрязняющих примесей. Фоновая концентрация вещества (фон) – характеристика загрязнения атмосферы, которая создается всеми источниками выбросов на территории, исключая источник, для которого рассчитан фон. За фоновую концентрацию принимается статистически достоверная максимальная разовая концентрация примесей, значение которой превышается в 5 % случаев⁵.

Фоновые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе представлены в томе ПДВ. Мониторинг качества атмосферного воздуха на территории города Прокопьевска осуществляется на двух стационарных постах Кемеровским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды – филиалом федерального государственного бюджетного учреждения «Западно-Сибирское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», предоставившим значения средних фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Результаты. Суммарные выбросы от источников площадки ликвидации шахты составляют 571,2 т/год (18,6 г/с). Наибольшие объемы выбросов выявлены у неорганической пыли, содержащей диоксид кремния в количестве 20–70 % – 235,0 т/г (14,1 г/с), и диоксида азота – 184,3 т/г (2,1 г/с). Референтные концентрации веществ (RfC) составили: у диоксида азота – 0,04 мг/м3, оксида азота – 0,06 мг/м3, углерода (сажи) – 0,05 мг/м3, диоксида серы – 0,05 мг/м3, оксида углерода – 3 мг/м3, пыли неорганической (SiO2 ˂ 20 %) – 0,05 мг/м3, пыли неорганической (SiO2 20–70 %) – 0,1 мг/м3. Индексы неканцерогенной опасности составили: у неорганической пыли с долей содержания диоксида кремния 20–70 % – 450 824, у диоксида азота – 353 497, у оксида азота – 57 443, у диоксида серы – 21 287, у углерода (сажи) – 14 135, у оксида углерода – 1441, у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния менее 20 % – 39. Суммарный индекс неканцерогенной опасности составил 898 666, основной удельный вес имеют неорганическая пыль с содержанием диоксида кремния 20–70 % (50,17 %) и диоксид азота (39,34 %). Расчет канцерогенного риска проводился от воздействия одного вещества – углерода (сажи). Фактор канцерогенного потенциала при ингаляционном воздействии (Sfi) углерода составил 0,0155 (мг/(кг × сут))–1, индекс канцерогенной опасности составил 99.

Рассчитанные максимальные концентрации загрязняющих веществ, попадающих в воздушную среду города от площадки ликвидации шахты, находятся в диапазоне от 0,0004 мг/м3 (ТВК № 39) у неорганической пыли, содержащей диоксид кремния в количестве ниже 20 %, до 0,270 мг/м3 (ТВК № 2) у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния 20–70 %. Максимальные концентрации, выраженные в долях ПДК (ПДКм.р.)⁶, у выбранных неканцерогенных веществ варьируются от 0,00001 у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния менее 20 % в ТВК № 38–40 до 0,910 у неорганической пыли с долей содержания диоксида кремния 20–70 % в ТВК № 2. Максимальные концентрации сажи находятся в интервале от 0,0001 мг/м3 (ТВК № 39) до 0,015 мг/м3 (ТВК № 2). Во всех расчетных точках не выявлено превышения ПДКм.р. загрязняющих веществ.

Максимальные концентрации, рассчитанные с учетом воздействия фоновых концентраций атмосферных примесей, определены в интервале от 4 × 10–6 мг/м3 у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния менее 20 % в ТВК № 39 до 4,42 мг/м3 у оксида углерода в ТВК № 2. Расчетные максимальные концентрации сажи с учетом фона находятся в диапазоне от 0,048 мг/м3 в ТВК № 39 до 0,083 мг/м3 в ТВК № 2. Кратности превышения ПДКм.р. неканцерогенных веществ с учетом фона варьируются от 1 × 10–5 у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния менее 20 % в ТВК № 38–40 до 0,97 у диоксида азота в ТВК № 2. По всем веществам во всех ТВК не наблюдается превышений ПДКм.р. с учетом фона.

Средние концентрации загрязняющих веществ находятся в диапазоне от 1 × 10–9 мг/м3 (ТВК № 37–40) у неорганической пыли, содержащей диоксид кремния в количестве менее 20 %, до 0,025 мг/м3 у диоксида азота в ТВК № 2. Средние концентрации сажи находятся в диапазоне от 0,00001 мг/м3 (ТВК № 38–40) до 0,002 мг/м3 (ТВК № 2). Кратности превышения ПДКс.с. неканцерогенных веществ варьируются от 5 × 10–9 у неорганической пыли с содержанием диоксида кремния менее 20 % в ТВК № 39–40 до 0,610 у диоксида азота в ТВК № 2.

По всем веществам во всех ТВК не наблюдается превышений ПДКс.с.

Средние концентрации загрязняющих веществ, рассчитанные с учетом фона, находились в пределах от 1 × 10–9 мг/м3 у неорганической пыли, содержащей диоксид кремния в количестве ниже 20 % в ТВК № 37–40, до 2,02 мг/м3 у оксида углерода в ТВК № 2. Средние концентрации сажи с учетом фона варьируются от 0,020 мг/м3 в ТВК № 39 до 0,031 мг/м3 в ТВК № 2. По всем веществам во всех ТВК не наблюдается превышений ПДКс.с. учетом фоновых концентраций.

В табл. 1 представлены результаты расчетов индексов опасности для острых и хронических воздействий загрязняющих веществ, а также индексы опасности, определенные с учетом фонового воздействия загрязняющих веществ.

Наибольшие индексы опасности для острых воздействий загрязняющих веществ составили 4,22 в ТВК № 1; 7,83 – в ТВК № 2; 1,47 – в ТВК № 3, превышая приемлемый уровень, равный 1. Таким образом, для населения, проживающего в этих районах, вероятно развитие неблагоприятных эффектов при ежедневном поступлении веществ на таком же уровне в течение жизни. В остальных точках индексы опасности находились на уровне ниже приемлемого. Индексы опасности, рассчитанные для хронических воздействий загрязняющих веществ, не превышали приемлемый уровень во всех ТВК. Индексы опасности с учетом фона находились в пределах от 2,603 в ТВК № 2 до 1,448 в ТВК № 39, превышая приемлемый уровень во всех точках воздействия.

Основными критическими органами и системами, на которые оказывается наибольшее воздействие загрязняющих веществ как без учета фона, так и с учетом фонового воздействия, являются органы дыхания и кровь.

Значения суммарных рисков хронической интоксикации, а также значения канцерогенных рисков, выраженные в долях от единицы, представлены в табл. 2.

Риски хронической интоксикации определены в интервале от 1 × 10^–6 в ТВК № 36–40 от воздействия неорганической пыли с содержанием диоксида кремния ниже 20 % до 0,024 в ТВК № 2 от воздействия диоксида азота. Значения суммарных рисков хронической интоксикации находятся в диапазоне от 0,0003 в ТВК № 37–39 до 0,035 в ТВК № 2. Суммарные риски хронической интоксикации превышают приемлемое значение (0,02) в ТВК № 1 в 1,2 раза и в ТВК № 2 – в 1,75 раза. В остальных расчетных точках суммарные риски не превышают приемлемый уровень. Основную долю в формировании уровней суммарных рисков хронической интоксикации имеет диоксид азота (удельный вес составляет от 25,9 до 81,7 % по разным ТВК).

Риски хронической интоксикации, рассчитанные с учетом влияния фоновых концентраций атмосферных примесей, находятся в интервале от 1 × 10–9 от воздействия неорганической пыли с содержанием диоксида кремния ниже 20 % до 0,038 – от оксида углерода. Значения суммарных рисков хронической интоксикации, рассчитанные с учетом фона, находятся в диапазоне от 0,063 в ТВК № 39 до 0,108 в ТВК № 2, превышая приемлемый уровень (0,02) во всех точках воздействия в 3,15–5,40 раза. Основной удельный вес в формировании суммарного риска хронической интоксикации с учетом фона имеет оксид углерода, составляя 29,7–6,1 % в разных ТВК.

Рассчитанный канцерогенный риск находился в диапазоне от 9 × 10^–7 в ТВК № 2 до 4 × 10^–9 в ТВК № 38–40, не превышая уровень приемлемого риска во всех точках. Канцерогенный риск, обусловленный воздействием углерода (сажи), с учетом фона составил 1 × 10^–4 во всех точках, что соответствует верхней границей допустимого канцерогенного индивидуального риска.

Обсуждение. Кузбасс, обладающий уникальными природными богатствами и значительным промышленным потенциалом, имеет большое значение для развития экономики страны. Однако высокая степень концентрации производственных объектов на территории области способствует тому, что проживающее здесь население постоянно подвергается влиянию высокого уровня загрязнения атмосферы [15][16].

Стратегия социально-экономического развития Кузбасса до 2035 года, принятая в регионе в 2018 году, ориентирует на обеспечение полноценного и достойного качества жизни кузбассовцев. Одним из основных принципов Стратегии является экологичность и снижение загрязнения окружающей среды на территории Кемеровской области – Кузбасса. Поставлена главная цель: улучшение качества атмосферного воздуха в крупных промышленных центрах и в наиболее загрязненных городах региона [17]. Для этого в крупных промышленных городах области разработаны комплексные программы по охране атмосферного воздуха. Восстановление огромных площадей нарушенных земель требует создания Фонда рекультивации земель Кузбасса, деятельность которого позволит уменьшить накопленный вред окружающей среде и обеспечит недропользование, совместимое с комфортным проживанием людей на территории региона. Целями создания фонда являются улучшение экологической ситуации в регионе, восстановление первоначальной ценности земли, пополнение земельных ресурсов для дальнейшего использования, в том числе в сельском хозяйстве⁷.

Важным моментом при реализации ликвидационно-рекультивационных мероприятий на угольных промышленных объектах является определение степени неблагоприятного влияния атмосферных выбросов на здоровье проживающего в таких районах населения, для чего возможно применение методологии оценки риска, дающей возможность получить количественную оценку возможного вреда здоровью [18–21]. Методология оценки риска является самым надежным и перспективным способом определения этого влияния. Практическое использование методологии оценки риска имеет значение для определения региональных особенностей формирования загрязнения воздушной среды, выявления приоритетных токсичных веществ, которые вносят наибольший вклад в нарушение состояния здоровья населения, а также для ранжирования районов города по уровням загрязнения и рискам нарушения здоровья населения, определения наиболее неблагоприятных для проживания территорий [22–25].

В настоящем исследовании выявлены основные атмосферные примеси, попадающие в воздушную среду города Прокопьевска при проведении рекультивационных работ на закрытой угольной шахте (неорганическая пыль с содержанием диоксида кремния 20–70 %, диоксид азота, оксид азота, диоксид серы, углерод (сажа), оксид углерода, неорганическая пыль с содержанием диоксида кремния менее 20 %), а также неблагоприятные для проживания населения микрорайоны города, расположенные ближе к площадкам ликвидации горных выработок. Показано, что превышений расчетных максимальных и средних концентраций всех загрязняющих веществ, попадающих в атмосферный воздух города в ходе проведения работ, не выявлено во всех расчетных точках.

Наибольшие индексы опасности для острых воздействий составили 4,22 в ТВК № 1; 7,82 – в ТВК № 2; 1,47 – в ТВК № 3, превышая приемлемый уровень, равный 1. Канцерогенный риск не превышает уровень приемлемого риска во всех расчетных точках. Следует отметить недоучет канцерогенного риска, рассчитанного только от воздействия углерода (сажи), без учета влияния возможных канцерогенных компонентов выбросов дизельных двигателей бульдозеров и самосвалов, участвующих на постоянной основе в процессе рекультивации. Данные о таких веществах отсутствуют в томе ПДВ. Основными критическими органами и системами, на которые оказывается наибольшее воздействие, являются органы дыхания и кровь. Суммарные риски хронической интоксикации превышают приемлемый уровень в ТВК № 1, 2 в 1,2 и 1,75 раза соответственно.

Индексы опасности с учетом фона превышают приемлемый уровень во всех точках воздействия в 1,448–2,603 раза. Канцерогенный риск с учетом фона находится на уровне приемлемого индивидуального риска. Основными критическими органами и системами, на которые оказывается наибольшее воздействие загрязняющих веществ с учетом фонового воздействия, также являются органы дыхания и кровь. Суммарные риски хронической интоксикации, определенные с учетом влияния фоновых концентраций атмосферных загрязнителей, превышают приемлемый уровень во всех расчетных точках в 3,15–5,40 раза.

Заключение. Таким образом, если рассматривать только вклад деятельности по рекультивации ликвидированных горных выработок, реализуемые программы по восстановлению нарушенных земель не оказывают значительного воздействия на воздушную среду и, как следствие, на здоровье проживающего в таких районах населения. Суммарные риски хронической интоксикации и индексы опасности превышают приемлемый уровень в селитебных зонах, расположенных в непосредственной близости к площадке рекультивации. Высокие уровни индексов опасности и суммарных рисков хронической интоксикации во всех расчетных точках, рассчитанные с учетом фонового воздействия загрязняющих веществ, определяются общей неблагоприятной экологической ситуацией в городе с интенсивным развитием угольной промышленности.