CC BY
21
УДК 551.511.42.001 В.Ф. Рапута
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
АНАЛИЗ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫПАДЕНИЙ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ОКРЕСТНОСТЯХ НОВОСИБИРСКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА
V.F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Prospect Academika Lavrentjeva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia
ANALIS FOR EVALUATION OF BENZO(A)PYRENE AEROSOLE POLUTIONS IN NOVOSIBIRSK ELECTRODE PLANT SURROUNDINGS
A model for quantitative interpretation of route observations of fallout areas in surroundings of one-point source is proposed in frames of kinematic cheme of description of heavy polydisperse impurity spresading in atmosphere. Numerical analysis of experimental data of benzo(a)pyrene polution of snowpack obtained on the end of winter, 2008, in Novosibirsk electrode plant surroundings, haz been performed based on this model.
Введение. Закономерности распространения в атмосфере и выпадения на земную поверхность тяжёлых примесей представляют значительный интерес для решения многих практических задач и изучения турбулентных свойств атмосферы. Движение в атмосфере облака тяжёлых частиц определяется в основном двумя факторами: действием силы тяжести в сочетании с силами сопротивления со стороны воздуха и полем ветра. Под влиянием первого из этих факторов происходит опускание частиц, под влиянием второго - перенос облака в горизонтальном направлении. Следует также отметить, что по мере увеличения скорости осаждения частиц происходит убывание коэффициентов турбулентного обмена. При скоростях оседания порядка 1 м/с вполне пригодна для использования кинематическая схема выпадения частиц на поверхность земли [1]. При описании распространения более мелких фракций аэрозольных примесей следует учитывать эффекты турбулентного перемешивания в атмосфере [2].
При проведении численного моделирования и интерпретации данных экспериментальных исследований распространения тяжёлых примесей требуется также информация о функции распределения спектра размеров частиц, которая, как правило, отсутствует. В этом случае возникает необходимость учёта дополнительных априорных сведений о возможных описаниях функции распределения спектра размеров и постановках соответствующих обратных задач переноса примеси в приземном и пограничном слоях атмосферы.
1. Экспериментальные исследования загрязнения снегового покрова. Новосибирский электродный завод (НЭЗ) расположен в равнинной местности в 50 км южнее Новосибирска. Основное производство основано на технологии
пиролиза графита, изготовленного из антрацита Горловского разреза, кокса, каменноугольного пека, кубовых остатков нефтехимии. Полиароматические углеводороды (ПАУ) составляют основную часть выбросов завода в атмосферу. Выброс смолистых веществ, включающих бенз(а)пирен (БП) и другие ПАУ, формируется в основном в цехе обжига и в настоящее время осуществляется через одну 180 метровую трубу в связи с проводимой в настоящее время реконструкцией очистного оборудования.
Отбор проб снега в окрестностях НЭЗ проводился в конце февраля 2008 г. по двум радиальным относительно трубы маршрутам, направленным на север и северо-восток. Основной снос примесей в зимнее время происходит по этим направлениям [3]. Точки пробоотбора на маршрутах размещались с учётом предварительной информации об источниках выброса ПАУ, условий местности, системе дорог, размещения застройки и лесных насаждений, состояния снежного покрова, климатических характеристик повторяемости и скорости ветра в зимнее время и т.д. Наличие двух маршрутов позволяет повысить контроль точности оценивания полей загрязнения снежного покрова.
В табл. приведены результаты химико-аналитических исследований снеговых проб.
Таблица. Загрязнение снега бенз(а)пиреном в окрестностях высотной трубы
обжигового цеха НЭЗ
Северо-восточное направление Северное направление
Номер Расстояние, Концентрация, Номер Расстояние, Концентрация,
точки км мкг/л точки км мкг/л
1 0,8 10,43 7 0,78 29,01
2 1,05 5,06 8 1,08 14,8
3 1,35 3,12 9 1,4 7,05
4 1,8 0,68 10 3,16 0,64
5 2,24 0,49
6 3,21 0,2
Анализ данных представленных в табл., показывает, что концентрация БП в снеге, несмотря на значительную высоту трубы, с удалением от источника быстро уменьшается. Характер изменения концентрации БП с удалением от завода позволяет предположить, что в данном случае доля мелких частиц, содержащих БП, относительно не велика. Основные поступления БП в атмосферу связаны с крупными композитными частицами и обусловлены спецификой протекающих технологических процессов. К северу, в непосредственной близости от завода в соответствии с направлениями преобладающих в течение зимы ветров сформировалась область очень высоких концентраций.
2. Постановка обратной задачи переноса полидисперсной примеси. Результаты проведённых экспедиционных и химико-аналитических исследований позволяют предположить, что выпадение БП в исследуемой зоне происходит в составе аэрозольных фракций, обладающих весьма значительными скоростями оседания в атмосфере. В данном случае для
описания процесса выпадения БП на снеговой покров ограничимся кинематическим приближением, которое можно выразить следующим соотношением
Я X
Здесь Н - высота источника, ^ - скорость оседания определённой фракции частиц, х - расстояние от трубы, на котором происходит выпадение рассматриваемой фракции на подстилающую поверхность, V - средняя скорость ветра в слое оседания.
Распределение аэрозольной примеси в источнике по скоростям оседания w удобно задавать в виде следующей двухпараметрической функции [2]
п+1
О Л
А Т П - СМ> \ 1 ' 1
N IV =-IV е , п>— 1 , а = — п)
Г(п +1) ' ' м>„,'{2>
где параметр wn характеризует скорость преобладающей по количеству частиц фракции примеси, п - степень однородности распределения частиц примеси по скоростям w , Г(п) - гамма-функция.
С учётом (1), (2) количество полидисперсной примеси, выпадающей на расстоянии х для заданного направления и скорости ветра за время Т, можно оценить с помощью соотношения
т т и
р{Х)=а-т-щ—), (з)
X
где Q - производительность источника.
Тогда концентрация примеси в снеге опишется следующей регрессионной зависимостью
д(х,в) = в1х02ехр(-^), (4)
х
где
сОТап+1 ин "
0г= п- , в2 = -п , в3=аиН, (5)
Г(п +1)
с - коэффициент разбавления примеси в снеге.
Оценка неизвестного вектора параметров 9 проводится с использованием метода наименьших квадратов [4]. Минимизируется следующий функционал
м
У(6>) = ^о-;2 г ~д(х в) —>пип (6)
~ -1 - -1 - веО. у 7
./=1
Здесь 1*! измеренный уровень загрязнения в точке -X,, сг. - дисперсия
ошибки измерения, Г2 - область допустимых значений вектора 0 .
Замечание. Решение задачи минимизации функционала (6) с учётом соотношений (2), (5) по сути даёт реальную возможность оценить характеристики дисперсного состава примеси. При известной высоте источника для этого необходимо определить среднюю скорость ветра V в слое оседания, используя данные метеонаблюдений рассматриваемого зимнего сезона, либо зимние климатические характеристики скорости ветра данной местности. Оценки параметров регрессии (4), полученные для одного радиально выбранного относительно источника маршрута наблюдения, могут быть использованы и для других маршрутов, что позволяет существенно снизить для них количество опорных точек наблюдений. В этом случае нет необходимости
проводить оценку параметра 02. Для направлений переноса примеси, имеющих близкие климатические характеристики по скорости ветра, можно использовать оценку параметра 0Ъ, полученную для одного из направлений.
3. Численный анализ данных натурных наблюдений. Для оценки параметров регрессии (4) необходимо использовать наблюдения не менее, чем в трёх точках по маршруту отбора снеговых проб. Их выбор проводился с использованием методов и алгоритмов построения локально оптимальных планов наблюдения [4]. На рис. а приведены результаты восстановления поля концентрации БП по трём опорным точкам измерений в северо-восточном направлении от источника. Из анализа рис. а вытекает удовлетворительное согласие измеренных и вычисленных концентраций в контрольных точках с номерами 2, 4, 5. Максимум приземной концентрации достигается на расстоянии менее 0,5 км от трубы, что указывает на весьма высокие скорости оседания выбрасываемых частиц. Оценки показывают, что в рассматриваемом диапазоне расстояний скорости их оседания достигают нескольких метров в секунду.
На рис. 1, б приведены результаты численного восстановления поля концентрации БП в северном направлении от источника. Оценивание параметра
0\ проводилось с использованием одной опорной точки измерений. Значения
же параметров - 02 , 9Ъ соответствовали значениям, полученным для северовосточного направления. Уровень согласия численно востановленных и измеренных значений концентраций БП в контрольных точках с номерами 8-10 является вполне удовлетворительным. Анализ рис. 1, б даёт также дополнительное подтверждение адекватности описания процесса выпадения полидисперсной примеси в окрестности электродного завода на основе предложенной модели оценивания (4)-(6).
2
а б
КМ км
Рис. 1. Восстановленные по данным наблюдений поля концентраций БП (мкг/л)
в снеге вдоль маршрутов отбора проб:
а) - северо-восточное направление; б) - северное направление; —— -результат численного моделирования; о, • - опорные и контрольные точки
измерений
Заключение. В рамках кинематической схемы оседания крупных частиц примеси в атмосфере разработана малопараметрическая модель реконструкции поля выпадений в полидисперсном приближении, что позволяет проводить численный анализ данных наблюдений в значительном диапазоне расстояний от источника. Апробация модели показала вполне удовлетворительное согласие с данными экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова в зоне влияния высотного источника выброса крупнодисперных фракций примеси. Следует отметить, что при построении модели оценивания полей выпадений аэрозолей весьма существенную роль играют предварительные априорные сведения о параметрах источника и характеристиках дисперсного состава примеси. Значительные выпадения бенз(а)пирена в ближних окрестностях электродного завода происходят в составе крупных фракций частиц, что указывает на практическое отсутствие очистки выбрасываемых в атмосферу примесей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, интеграционного проекта СО РАН № 84.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Юдин М.И. К теории рассеяния тел конечных размеров в турбулентной атмосфере // Докл. АН СССР. - 1945. - Т. 49. - № 8. - С. 584-587.
2. Прессман А.Я. О распространении в атмосфере тяжёлой неоднородной примеси из мгновенного точечного источника // Инженерно-физич. журн. - 1959. - Т. 2. - № 3. - С. 78-87.
3. Климат Новосибирска. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 221 с.
4. Фёдоров В.В. Теория оптимального эксперимента. - М.: Наука, 1971. - 312 с.
© В.Ф. Рапута, 2009
