CC BY
150
ё М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова
Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха.
УДК 504.3.054.001.5
ОЦЕНКА ПЛОЩАДНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В МЕГАПОЛИСЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
М.А.ПАШКЕВИЧ, Т.А.ПЕТРОВА
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
В статье предложены подходы к оценке состояния атмосферного воздуха в мегаполисах на примере района Санкт-Петербурга. Приведены результаты натурных наблюдений за качеством атмосферного воздуха, проведенных с помощью передвижной экологической лаборатории Горного университета. Проведен анализ распределения во времени концентраций основных загрязнителей атмосферного воздуха в мегаполисе, представленных оксидами азота, аммиака, углерода, диоксидом серы, сероводородом, метаном, суммарными углеводородами. Описан способ интерпретации данных мониторинга атмосферного воздуха с использованием площадного распределения концентраций загрязняющих веществ. Предложены пути решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха на конкретных территориях мегаполиса с использованием геоинформационных систем, позволяющих моделировать площадные загрязнения.
Ключевые слова атмосферный воздух, экологический мониторинг, геоинформационные системы, загрязнители атмосферного воздуха, моделирование площадного загрязнения
Как цитировать эту статью: Пашкевич М.А. Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха в мегаполисе с использованием геоинформационных систем / М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова // Записки Горного института. 2017. Т. 228. С. 738-742. DOI: 10.25515/РМ1.2017.6.738
Введение. Одной из острейших экологических проблем современности является состояние качества атмосферного воздуха в крупных мегаполисах и промышленных агломерациях [2, 8, 10]. Для ряда городских территорий загрязнение воздушной среды достигает критических размеров [7, 9, 12]. Около половины населения Российской Федерации проживает в городах с превышением допустимых норм загрязненности воздуха в селитебных территориях [1, 4, 5].
В настоящее время общепринятым подходом к оценке экологической ситуации в городе является усреднение результатов наблюдений по всей территории, что не позволяет отдельно выделить участки с повышенной антропогенной нагрузкой, требующие первоочередных мер и капиталовложений по улучшению качества окружающей среды.
Санкт-Петербург занимает третье место после Норильска и Москвы по загрязнению атмосферного воздуха в России - выбросы в атмосферный воздух составляют 488 тыс. т в год. Основным источником загрязнения атмосферы является высокая транспортная нагрузка. На долю автомобильного транспорта приходится 85,9 % выбросов мегаполиса [3]. По статистике 96 % жителей Санкт-Петербурга проживает в условиях высокой степени загрязнения атмосферы.
Постановка проблемы. Экологическая безопасность населения Санкт-Петербурга должна обеспечиваться путем повышения эффективности регулирования и снижения негативных последствий техногенного воздействия на атмосферный воздух. В этой связи точная и оперативная оценка качества атмосферного воздуха, проведенная с учетом всех климатических, атмохимиче-ских и ландшафтных особенностей территории Санкт-Петербурга, позволит разработать комплекс экономически выгодных и экологически эффективных мероприятий. Для анализа и точного расчета уровня загрязнения атмосферы необходимо привлечение математического аппарата и ГИС технологий.
Эффективный контроль за состоянием атмосферного воздуха не может быть осуществлен без достоверной информации о концентрации того или иного загрязнителя в любой точке пространства в любой момент времени [1, 6, 11, 13]. В то же время организация физического мониторинга в реальном времени либо невозможна, либо очень дорога. В связи с этим целью проводимых исследований является регулирование негативного воздействия на атмосферный воздух в Санкт-Петербурге на основе разработки механизма экологического мониторинга и построения модели пространственно распределенных данных натурных наблюдений с использованием методов математического моделирования.
Основными задачами проводимых мониторинговых исследований состояния атмосферного воздуха в мегаполисе являются:
• определение источников, факторов и уровня загрязнения;
М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова
Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха.
• наблюдения за уже выявленными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
• наблюдения за опасными антропогенными процессами как вероятными источниками загрязнения;
• оценка фактического состояния атмосферного воздуха;
• прогнозирование загрязнения воздушного бассейна и пути улучшения ситуации;
• выбор основных загрязнителей атмосферы с учетом ретроспективных наблюдений и данных о фоновых показателях.
Результаты достоверных, корректно проводимых продолжительных наблюдений, статистическая обработка полученных результатов и определение основных параметров загрязнения воздушного бассейна позволяют не только определить реальное состояние атмосферного воздуха, но и оценить эффективность природоохранных мероприятий, скорректировать перечень приоритетных загрязнителей и определить вклад различных источников в общее загрязнение атмосферы и регулирование выбросов загрязняющих веществ.
В качестве модельного объекта исследования выступала территория Васильевского острова. Отбор проб проводился в шести точках, их расположение представлено на рис.1.
Методология. Для проведения детального мониторинга атмосферного воздуха на территории Васильевского острова использовались маршрутные посты наблюдения, назначение которых -регулярный отбор проб атмосферного воздуха, поскольку с экономической точки зрения для обследования территории мегаполиса этот вариант является наиболее приемлемым по сравнению с установкой стационарного поста.
Репрезентативность наблюдений (подлинность получаемой информации) за состоянием воздушного бассейна определяется правильностью расположения маршрутного поста, который устанавливается в местах, определенных благодаря проведению рекогносцировочных обследований, т.е. предварительного исследования состояния воздушной среды и изучения метеорологических условий.
Для этого проводилось обследование территории с помощью передвижных средств по сетке с шагом 1000 м. В узлах сетки производился отбор среднесуточных проб (4 разовые пробы в течение суток через равные промежутки времени). Пробы исследовались на содержание в атмосферном воздухе оксидов азота (N0^, аммиака ^Н3), углерода (СО), диоксида серы ^02), сероводорода (Н^), метана (СН4), углеводородов (СпНт).
Рис. 1. Расположение точек контроля
ё М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова
Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха.
Для проведения исследований качества атмосферного воздуха привлекалась передвижная экологическая лаборатория Горного университета. Передвижная лаборатория предназначена для отбора проб, проведения измерений и обработки данных экипажем как в автономном режиме, так и для доставки образцов проб и данных на место дальнейшей стационарной обработки. Передвижная экологическая лаборатория на базе автомобиля Mercedes-Benz Vario оборудована: газоаналитической стойкой, современными газоанализаторами, метеорологическим комплексом, комплектом воздухозаборных устройств, блоком сбора и обработки информации, автономным электропитанием, системой жизнеобеспечения.
Газоаналитическая стойка предназначена для установки газоанализаторов, пробоотборного устройства, метеокомплекса, системы сбора и обработки информации и обеспечивает устойчивое гашение колебаний при движении экологического поста.
Газоанализаторы работают в автоматическом режиме и позволяют определять концентрации следующих загрязняющих веществ в атмосферном воздухе: оксида азота, диоксида серы, оксида углерода, метана и суммарных углеводородов, частиц взвешенных веществ с диаметром 10 мкм и менее, аммиака, сероводорода. Работа газоаналитического оборудования контролируется системой сбора данных и управления (ССДУ) которая обеспечивает решение следующих задач:
• автоматическое управление аналитическим (измерительным) оборудованием;
• получение результатов измерений с газоанализаторов;
• автоматическое выполнение процедур диагностики измерительного оборудования и процедур самодиагностики системы;
• ведение баз данных результатов измерений;
• ведение журналов (баз данных) результатов диагностики и самодиагностики.
Метеорологический комплекс позволяет измерять скорость и направление ветра, температуру, давление и влажность воздуха.
Комплект воздухозаборных устройств служит для отбора, обогрева до необходимой температуры и подачи исследуемой пробы к газоанализаторам и пробоотборному устройству.
Количество точек контроля определялось в зависимости от уровня загрязнения атмосферного воздуха, однородности выбросов, площади исследуемой территории, рельефа местности.
Для получения достоверных данных о концентрациях вредных веществ порядок объезда маршрутных постов должен быть одинаковым, но каждый месяц изменялся таким образом, чтобы обеспечить пробоотбор воздуха в каждой точке в разное время суток.
Осредненные за двадцатиминутный период результаты проводимых измерений выводятся на экран персонального компьютера в табличном виде. Пример полученных данных мониторинга загрязнения воздуха в точке 1 представлен в таблице.
Пример представления результатов замеров в передвижной лаборатории
Интервал СО NO NO2 NH3 SO2 H2S
ч:мин мг/м3 Доли мг/м3 Доли мг/м3 Доли мг/м3 Доли мг/м3 Доли мг/м3 Доли
ПДК ПДК ПДК ПДК ПДК ПДК
12:00 1.193 0.4 0.015 0.2 0.051 1.3 0.020 0.5 0.009 0.2 0.003 0.4
12:20 1.103 0.4 0.024 0.4 0.064 1.6 0.017 0.4 0.012 0.2 0.002 0.3
12:40 0.838 0.3 0.015 0.2 0.040 1.0 0.015 0.4 0.011 0.2 0.002 0.3
13:00 0.588 0.2 0.006 0.1 0.034 0.8 0.015 0.4 0.008 0.2 0.004 0.5
13:20 0.595 0.2 0.009 0.1 0.038 1.0 0.013 0.3 0.006 0.1 0.003 0.3
Следует отметить, что при проведении всех замеров превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) наблюдалось только для N0^
Пример линейного распределения концентраций N02 представлен на рис.2.
Результаты проведенных исследований оказались следующими:
• превышений ПДК по СО на протяжении всех замеров в целом не наблюдалось, имеется тенденция к снижению концентрации;
• при анализе содержания S02 в атмосферном воздухе наблюдались локальные максимумы концентраций без превышения установленных норм;
• концентрация КН3 в атмосферном воздухе понижалась с течением времени, превышения ПДК не зафиксировано, локальных минимумов или максимумов концентрации не наблюдалось;
М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова
Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха.
• показания по H2S были стабильны и находились в пределах значений среднесуточной ПДК;
• значения концентраций NO2 неоднократно превышали ПДК среднесуточные за весь период наблюдений, причем диапазон превышений достиг 1-3,7 раз.
Обсуждение. Контроль содержания загрязняющих веществ только в точках отбора на маршрутных постах не позволяет выявить экологическую ситуацию в целом, в связи с этим при оценке состояния атмосферного воздуха в мегаполисах наибольший интерес представляет площадное распределение концентраций поллютантов.
В настоящее время наиболее удобными и мощными ресурсами для отображения информации об уровнях площадного загрязнения атмосферного воздуха непосредственно на электронной карте мегаполиса обладают геоинформационные системы (ГИС). Моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с применением возможностей геоинформационных технологий является методическим инструментом, позволяющим оценить антропогенную нагрузку, как визуально, так и количественно.
Для решения поставленной задачи была выбрана геоинформационная система MapInfo Professional - один из мировых лидеров в области представления и обработки пространственных данных. Помимо стандартных функций систем управления базами данных, MapInfo Professional позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных положений объектов, представляющих, например, рельеф и ситуацию местности.
0,06
О *
к я
и 0,04
я и X X о
0,02
• 1
2 3
~г
20
40
Время, мин
Т~
60
~г
80
Рис.2. Линейное распределение концентрации N02 1 - эмпирические данные; 2 - полином 3-го порядка; 3 - среднесуточная ПДК
0
ё М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова
Оценка площадного загрязнения атмосферного воздуха.
Для картографического анализа пространственных данных в ГИС MapInfo используется тематическое картографирование, позволяющее строить диапазоны значений, столбчатые и круговые диаграммы, градуированные символы, плотность точек, отдельные значения, непрерывную поверхность.
Для интерпретации мониторинговой информации в ГИС MapInfo наиболее применимы два метода интерполяции - TIN и IDW. При использовании метода интерполяции IDW происходит взвешивание точек таким образом, что влияние известного значения точки затухает с увеличением расстояния до неизвестной точки, значение которой надо определить. Распространенный алгоритм TIN создает поверхность, состоящую из треугольников, формируемых ближайшими точками. Для этого вокруг точек сбора данных проводятся окружности, и их пересечения соединяются в сеть компактных треугольников, примыкающих друг к другу без пересечений и разрывов.
При построении итоговых тематических карт более приемлемым оказался метод интерполяции IDW.
Пример итоговой карты приведен на рис.3, где показано изменение содержания NO2 в атмосферном воздухе в долях ПДК.
Заключение. Анализ полученных результатов позволяет предложить пути решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха на конкретных территориях мегаполиса, где наблюдаются превышения экологических нормативов. К таким мерам можно отнести:
• проведение работ по оптимизации организации движения автотранспорта в мегаполисах, совершенствование строительства дорог;
• оснащение мегаполисов общественным транспортом, соответствующим нормам экологического стандарта Евро-3, т.е. с применением топлива с улучшенными экологическими характеристиками,
• совершенствование системы государственного контроля за охраной атмосферного воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антропов К.М. Оценка загрязнения атмосферного воздуха г. Екатеринбурга диоксидом азота методом Land Use Regression / К.М.Антропов, А.Н.Вараксин // Экологические системы и приборы. 2011. № 8. С. 47-54.
2. Голубничий А.А. Анализ корреляционных связей основных загрязнителей атмосферного воздуха города Абакан за 2003-2013 гг. / А.А.Голубничий, В.Р.Сайфуллин, А.В.Шимкив // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 1. С. 38.
3. Ильин Ф.Е. Экология атмосферного воздуха Санкт-Петербурга // Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии. 2016. № 4 (32). С. 133-137.
4. Качество атмосферного воздуха в центре г. Казани / Ю.П.Переведенцев, Ю.Г.Хабутдинов, Н.В.Исмагилов, А.А.Николаев // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2014. № 6-1. С. 122-130.
5. Киселев А.В. Применение результатов расчета загрязнения атмосферного воздуха для социально-гигиенического мониторинга / А.В.Киселев, Я.В.Григорьева // Гигиена и санитария. 2017. Т. 96. № 4. С. 306-309.
6. Экологический анализ содержания загрязняющих веществ в воздушном бассейне промышленного города (на примере оксидов азота в г. Стерлитамак Республики Башкортостан) / Л.Р.Асфандиярова, А.А.Панченко, Г.В.Юнусова, Е.А.Ямлиханова // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2013. № 12. С. 182-188.
7. Analysis of pollution characteristics of NO, NO2 and O3 at urban area of Langfang, Hebei / C.-B.Song, R.-P.Li, J.-J.He, L.Wu, H.-J.Mao // Zhongguo Huanjing Kexue. China Environmental Science. 2016. Vol. 36(10). P. 2903-2912.
8. Aznarte J.L. Probabilistic forecasting for extreme NO2 pollution episodes // Environmental Pollution. 2017. Vol. 229. P. 321-328.
9. Gotoh T. Relation between heat islands and NO2 pollution in some Japanese cities // Atmospheric Environment. Part B, Urban Atmosphere. 1993. Vol. 27(1). P. 121-128.
10. Mead R.W. Rise of the automobiles: The costs of increased NO2 pollution in China's changing urban environment / R.W.Mead, V.Brajer // Journal of Contemporary China. 2006. Vol. 15(47). P. 349-367.
11. Ranking current and prospective NO2 pollution mitigation strategies: An environmental and economic modelling investigation in Oxford Street, London / A.P.R.Jeanjean, J.Gallagher, P.S.Monks, R.J.Leigh // Environmental Pollution. 2017. Vol. 225. P. 587-597.
12. Scaling relationship for NO2 pollution and urban population size: A satellite perspective / L.N.Lamsal, R.V.Martin, D.D.Parrish, N.A.Krotkov // Environmental Science and Technology. 2013. Vol. 47(14). P. 7855-7861.
13. Spatial associations between socioeconomic groups and NO2 air pollution exposure within three large Canadian cities / L.Pinault, D.Crouse, M.Jerrett, M.Brauer, M.Tjepkema // Environmental Research. 2016. Vol. 147. P. 373-382.
Авторы: М.А.Пашкевич, д-р техн. наук, профессор, mpash@spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), Т.А.Петрова, канд. техн. наук, доцент, petrova9@yandex.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия).
Статья принята к публикации 26.06.2017.
