CC BY
90
УДК 551.511.42.001.572 В.Ф. Рапута
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ОКРЕСТНОСТЯХ НОВОСИБИРСКИХ ТЭЦ
Топливно-энергетический комплекс г. Новосибирска включает в себя несколько крупных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), а также около 300 мелких и средних котельных. Основными компонентами выбросов являются угольная зола, тяжелые металлы, окислы серы и азота, полиароматические углеводороды (ПАУ) и др. В качестве основного топлива на ТЭЦ используются каменные угли Кузнецкого и бурые угли Канско-Ачинского месторождений. Несмотря на относительно эффективное сжигание топлива и очистку отходящих пылегазовых смесей, по объемам выбросов ТЭЦ оказывают доминирующее воздействие на территорию города.
1. Характеристика объектов исследования и маршрутов пробоотбора. ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 располагаются неподалеку друг от друга в северо-западной части города. В зоне их постоянного влияния находится значительная его часть. На ТЭЦ-2 выброс отходящих газовоздушных смесей происходит в основном через 2 близко расположенные дымовые трубы высотой 100 и 120 м. В качестве топлива используются преимущественно Кузнецкие каменные угли. К северу от ТЭЦ-2 на расстоянии около полутора километра находится промплощадка ТЭЦ-3. Выброс отходящих газовоздушных смесей происходит в основном через трубу высотой 120 м. ТЭЦ-5 расположена на восточной окраине города. Отходящие дымовые газы от котельных агрегатов удаляются через трубу высотой 260 м и диаметром 10,8 м.
Маршрутный отбор проб снега проводился по направлениям
преобладающих ветров в конце зимних сезонов 2001-2004 гг. Точки
пробоотбора размещались на открытых участках местности с учетом
расположения застройки, ближайших локальных источников (автотрассы, частный сектор, мелкие котельные), лесной и парковой зоны. Наиболее благоприятные условия наблюдений оказались в зоне влияния ТЭЦ-5, что позволило обследовать значительную территорию в радиусе до 16 км от нее. Этому способствовали следующие факторы: большая высота выброса, расположение станции на окраине города, достаточно удобно
ориентированная для отбора проб система дорог.
2. Постановки обратных задач. Исходным для построения моделей восстановления загрязнения снега по данным наблюдений концентраций является соотношение
о
выражающее связь между ЦТ - средней концентрацией за длительный период - Т и - Ц разовыми концентрациями, относящимися к интервалу времени Т << Т , рт Т - плотность вероятности для разовых концентраций.
Значения Ц находятся на основании решений стационарного уравнения турбулентной диффузии
“ I - -1|I+Ы х )8( у - Н )■
(2)
Здесь ось х ориентирована по среднему за период Т направлению ветра, и - скорость ветра, — - скорость гравитационного оседания частиц
примеси, ку 5 к, - коэффициенты обмена по осям у и , , Q - мощность
источника, расположенного в точке х = у = 0, 2 = Н, 8 - символ дельтафункции.
а) Локальное загрязнение. При расчете средних концентраций в приземном слое атмосферы определяющее значение имеют часто встречающиеся метеорологические условия. К ним относятся так называемые нормальные метеоусловия, для которых применимы следующие степенные аппроксимации скорости ветра и коэффициента вертикального турбулентного обмена
и (2) = и — > Кг = КХ~ , (3)
где и и к1 - значения и и к, при 2 = ,1.
Переходя в (2) к полярным координатам, с учетом (1), (3) получаем следующее представление для средней приземной концентрации
Ц(г,Ф) = \\Ц(г,ф,к,и)р (к,и)dKldUl, (4)
о
где г,ф - полярные координаты, р (к1,и1) - совместная плотность вероятности и и к1 за период осреднения, О - область реального изменения и и к1,
д(гф К , Щ )= Р(<Р + 180^ )' ЧЛГ’ К и' ) (5)
г
Здесь
р (ф)
- приземная роза ветров, Цл - разовая концентрация от
линейного источника.
Использование степенных аппроксимаций (3) скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена дает возможность представить
Цл(г 5 к15 и1) в аналитической форме
1+n)2 r
Q Ki(l+.., .
qл _ (л \v R—e ■ (6)
(1 + n) K (p0r\! 2n
Выражение (5) полезно преобразовать к более удобному виду, используя обобщенную интегральную теорему о среднем значении функции, позволяющую представить среднюю концентрацию в следующем виде
q (r,ф) = q(r,p,Ki,щ) jjP (K,щ)dKdu , (7)
Q
где K1, Щ - средние значения параметров в области Q .
Полагая, что концентрация примеси в снеге Ф(r■>$) пропорциональна
ее концентрации в атмосфере, с учетом (5)-(7) приходим к следующей регрессионной зависимости
Ф (г, <р, в) = S(r, в) ■ Р {(р +180°) 5 (8)
¿.г
/ —Л -
Syr.e j = Ох -г02 -е г 5 (9)
й= С6В( 2гт у = _ у, _ 2 2
1 2(1 + и)л/ярр Г(1 + 1) 2 2 (1 + п) ,
с - параметр, характеризующий оседание примеси на снеговую
поверхность, Г(1 + ^) - гамма-функция Эйлера.
Оценки неизвестных параметров 01,02 могут быть найдены с использованием данных наблюдений, например по методу наименьших
квадратов. Параметр гт определяется через геометрические характеристики источника.
б) Региональное загрязнение. Процесс распространения примеси на значительном удалении (7-10 км) от источника выброса можно описать с помощью следующей зависимости
Q( х, у) = Р (х, у) • Р(р +1800), (11)
,-✓4 0 , N У _Л
р(х У) = / 7 7 , Р(^ у) = агс%----------------------7, (12)
л/( х _Х) + (у _л) х _Х
где Q(х, у) - концентрация примеси, в точке (х, у), X, л - координаты
точечного источника, Р(р) - роза ветров в пограничном слое атмосферы за
рассматриваемый промежуток времени; 0 = М/ (2лиИ), М - суммарное
поступление примеси, и и И - средняя скорость ветра и высота слоя перемешивания.
Регрессионная зависимость (11) показывает, что для определения функции Q(х, у) достаточно оценить неизвестный параметр 0, используя, например, данные наблюдений в одной точке.
Численное моделирование. Полученные экспериментальные данные по химическому составу снега позволяют провести их интерпретацию в рамках предложенных моделей локального и регионального переноса аэрозольных примесей. Использование зависимостей (8), (11), а также характеристик источников позволяют осуществить обоснованный выбор опорных точек для восстановления полей аэрозольного загрязнения снежного покрова в окрестностях рассматриваемых ТЭЦ.
Имеющиеся данные экспериментальных исследований позволили провести более обстоятельный численный анализ картины как локального, так и регионального загрязнения местности выбросами ТЭЦ-5. Схема пробоотбора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема маршрутного пробоотбора снега в окрестности ТЭЦ-5.
о - места отбора проб
На рис. 2,а приведены результаты восстановления нормированной на зимнюю повторяемость ветра концентрации БП в снеге. Анализ рис. 2,а показывает вполне удовлетворительное согласие расчета наблюдениям до расстояний порядка 6-8 км от источника выброса. Максимум аэрозольных
выпадений БП заметно смещен к источнику по сравнению со значением гт = 3-5 км - максимумом приземной концентрации для слабо оседающей примеси. Наличие этого смещения означает, что на сравнительно близких расстояниях от ТЭЦ-5 выпадение БП происходит в виде крупных
аэрозольных фракций и для установления закономерностей этих выпадений необходимо проведение дополнительных экспериментальных исследований в ближней зоне действия источника. Значительные отличия вычисленных и измеренных значений концентраций на больших расстояниях от ТЭЦ объясняются следующими двумя основными причинами: неадекватностью используемой модели (9), расхождениями в повторяемости направлений ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы.
Рис. 2. Нормированное на повторяемость направлений ветра рассчитанное и измеренное удельное содержание в снеге бенз(а)пирена в районе ТЭЦ-5:
а) - восстановление на основе зависимости (9), б) - с использованием (12).
Для анализа данных наблюдений в дальней зоне (тт. 4, 5, 6) целесообразно воспользоваться моделью (11)-(12). Результаты оценивания представлены на рис. 2,б. Для этого использовалась регрессионная зависимость (12) и измеренные концентрации БП, деленные на их вес в долях единицы относительно полной зимней повторяемости направлений ветра в пограничном слое атмосферы.
Заключение
Численный анализ данных мониторинга снегового покрова в окрестностях ТЭЦ г. Новосибирска показывает существование достаточно простых закономерностей формирования полей длительного загрязнения местности. Процедура агрегирования неизвестных параметров существенно повышает эффективность решения обратных задач переноса примесей. По небольшому числу точек измерения и с учетом весьма ограниченной входной информации показана возможность построения количественных моделей длительного аэрозольного загрязнения местности. Сопоставление рассчитанных значений концентраций с измерениями в контрольных точках показало их удовлетворительное согласие. Анализ результатов численного моделирования позволяет сделать вывод о том, что перенос ПАУ происходит в составе, как легких, так и относительно тяжелых аэрозольных фракций и зона значительного влияния станций проявляется на весьма обширной территории.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 13.6, проект РФФИ 05-05-98006.
© В.Ф. Рапута, 2005
