CC BY
26
УДК 551.511.42.001 В.Ф. Рапута
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ПРИМЕСЕЙ В ОКРЕСТНОСТЯХ НОВОСИБИРСКА
V.F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Ceophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia
SURVEY OF AEROSOL POLLUTION PRECIPITATION IN THE VICINITY OF NOVOSIBIRSK
Construction of estimation long-term regional pollution emission model was carried out. Small parameter representation of emission concentration fields from area source was received by asymptotic expansion method. Numeric analysis of field survey of snow cover in the vicinity of Novosibirsk was performed.
Введение. Проблема численного моделирования распространения примесей в атмосфере с территории города относится к числу наиболее сложных. Распространение загрязняющих веществ тесно связано с текущим динамическим, термическим и влажностным режимом атмосферы, характером подстилающей поверхности. Особо следует отметить трудности описания пространственного распределения и временной динамики выбросов примеси от большого числа городских источников.
При использовании методов прямого моделирования процессов распространения примесей в атмосфере детальный учёт всех этих факторов приводит к необходимости разработки весьма громоздких математических моделей, к тому же включающих в себя значительное число параметров, требующих дальнейшего уточнения, что не всегда согласуется с имеющимися техническими и экономическими возможностями. Такая ситуация приводит к необходимости более взвешенного совместного анализа экспериментальных данных и теоретических описаний распространения примесей в приземном и пограничном слоях атмосферы, учёта априорной информации о характеристиках источников и пространственно-временных масштабах исследуемых процессов. В частности, при моделировании длительного загрязнения местности стационарными источниками текущую метеорологическую информацию вполне можно заменить климатическими данными о направлении и скорости ветра [1]. Существует возможность сравнительно простого математического описания процессов переноса примеси на больших удалениях от источников выбросов [2]. Применение методов теории подобия и размерности, асимптотических методов в ряде случаев позволяет заметно снизить количество неизвестных параметров. Планирование наблюдений на основе теоретических представлений о
протекающих процессах переноса примеси приводит к повышению информативности экспериментальных данных.
1. Модели оценивания регионального загрязнения. Описание полей концентраций примесей в атмосфере на значительных удалениях от источника допускает значительные упрощения. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что, начиная с расстояний порядка
7-10 км от источника, расположенного в пограничном слое атмосферы, распределение концентрации примеси выравнивается по высоте [2]. Для таких расстояний влияние ряда параметров становиться не существенным. К ним следует отнести высоту источника, скорость оседания аэрозольных частиц, коэффициент вертикального турбулентного обмена и т. д. В этом случае поле осредненной за длительный промежуток времени концентрации от точечного источника описывается соотношением [1, 2]
- М • £(ф)
д ( Г ,ф) =--------, (1)
2ж • и • И • г
где г,ф - полярные координаты расчетной точки с началом в месте
расположения источника, £ (ф) - вероятность противоположного ф
направления ветра на высотах пограничного слоя атмосферы, М - мощность источника, и, И - средняя скорость ветра и толщина слоя перемешивания.
Полагая плотность аэрозольных выпадений пропорциональной концентрации примеси в воздухе, получим \ 0 £ (ф)
Ф(г ,ф) =--------. (2)
г
Здесь 0 = Я-М 1(2я • и • И), л - коэффициент взаимодействия примеси с подстилающей поверхностью.
Площадной источник. С учётом (2) плотность осадка аэрозольной примеси в случае площадного источника £ представляется в виде ^ ч Я „т (£,ч) £ (ф)^
°(х■у> = м Л---------------------------------5^ • (3)
Я
где - текущие координаты источника,
я , т (£,ч)
- эмиссия
примеси из этой точки,
ф(^,у,х,у) = агеГ£ 5 = ММ\ = ^(х-£)2 + (у-у)2 ,
У) , (4)
предполагается также, что точка (х, у) достаточно удалена от множества
Я.
На практике мощность эмиссии площадного источника т(^,л) , как правило, неизвестна, либо может быть задана лишь весьма приближенно. В таких условиях интерпретация данных наблюдений с помощью соотношения (3) становиться достаточно затруднительной. В этом случае целесообразно проводить оценивание (3) с использованием его асимптотических
представлений и измеренных значений концентраций на различных удалениях от множества £ .
В качестве первого приближение может быть использовано соотношение
Замечание. При равномерной розе ветров £'(ф) = 0 . В этом случае в зависимости (4) оцениванию подлежит лишь параметр 0А . Это свойство может быть использовано также и при оценивании полей аэрозольных выпадений примеси в секторах, где изменения функции £(ф) не очень значительны.
2. Экспериментальные исследования загрязнения снегового покрова в окрестностях г. Новосибирска. Исследование снежного и почвенного покрова является удобным и экономичным способом получения данных о поступлении загрязняющих веществ из атмосферы на подстилающую поверхность. Особый интерес эти исследования представляют при изучении процессов длительного загрязнения. Интенсивность и конфигурация поля концентрации определяется величиной выброса, длительностью периода накопления, размещением источников, повторяемостью направлений ветра и
В конце зимних сезонов 2005-2006 г.г. и 2006-2007 гг. в окрестностях Новосибирска проведены экспедиционные исследования аэрозольного загрязнения снегового покрова пылью, тяжёлыми металлами, полиароматическими углеводородами (ПАУ). Типичная схема отбора проб снега представлена на рис. 1. Маршруты отбора проб выбирались с учётом направлений преобладающих выносов городских примесей и системы дорог. В данном случае этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет томская трасса, расположенная северо-восточнее города. Зимняя повторяемость ветров юго -западного и западного направления на высотах пограничного слоя атмосферы составляет около 60 % [6].
Отбор проб проводился на всю глубину снежного покрова. Химический анализ проб снега на содержание в них тяжёлых металлов, ПАУ выполнялся в аналитических лабораториях институтов СО РАН.
г г г
вх = с Л т (£,п) в2 = - с \\^т (£,Л) , в3 = - с Цпт (£,п) й^йп
8 8 8
т. д. [3-5].
Рис. 1. Схема отбора проб снега в окрестностях г. Новосибирска: • обозначены положения точек пробоотбора
3. Численный анализ данных натурных наблюдений. Количественная интерпретация данных экспедиционных и лабораторно-аналитических исследований проводилась на основе регрессионного соотношения (4) применительно к северо-восточному сектору регионального выноса примесей от источников города. Начало координат располагалось в центре Новосибирска (Оперный театр). С учётом замечания, в этом случае достаточно оценить в зависимости (4) только один неизвестный параметр 0Х . Для его оценки в качестве опорной точки наблюдения выбиралась точка № 1, расположенная перед пос. Мочище и удалённая от центра города на 18 км. Результаты численной интерпретации данных экспериментальных исследований для рассматриваемых зимних сезонов представлены на рис. 2,
3.
Рис. 2. Измеренные и восстановленные концентрации: (а) - флуоре на; (б) -фенантрена; (в) - бенз(а)пире на в северовосточном направлении от Новосибирска за зимний период 2005-2006 гг.
б
а
км
км
в
км
б
30 40
км
Рис. 3. Измеренные и восстановленные уровни выпадений: (а) - цинка; (б) - железа; (в) -пыли в северо-восточном направлении от Новосибирска за зимний период 2006-2007 гг.
в
0
20
50
60
70
На рисунках: о - опорные точки, • - контрольные точки наблюдений; ------восстановленная по модели (4) концентрация.
Анализ рис. 2, 3 показывает удовлетворительное согласие расчета наблюдениям в контрольных точках. Несмотря на значительный разброс в некоторых точках сравниваемых значений концентраций тяжёлых металлов и ПАУ, в целом, преобладает суммарный вклад в загрязнение снегового покрова источников, расположенных на территории Новосибирска. Весьма высокими являются выпадения пыли, а также компонентов ПАУ, в частности, бенз(а)пирена, оказывающего существенное влияние на заболеваемость населения города. Следует также отметить реальную возможность использования выпадений пыли в качестве трассера, что при дальнейших исследованиях позволит существенно уменьшить количество относительно дорогих химических анализов, ограничившись определением концентраций рассматриваемых химических элементов и соединений лишь в ряде опорных точек.
Результаты экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова в конце зимних сезонов 2005-2007 гг. и численного анализа полученных данных наблюдений позволили установить количественные закономерности регионального выноса пыли, тяжёлых металлов и полиароматических углеводородов с территории г. Новосибирска. Восстановленные поля плотности выпадений загрязняющих примесей на снеговой покров в окрестностях города являются интегральной характеристикой длительного воздействия площадного источника на окружающую среду. Полученные закономерности указывают на возможность создания экономичной системы мониторинга и получения на её основе оценки состояния длительного загрязнения атмосферы города и определения эмиссии характерных примесей с его территории.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 16.6; РФФИ, грант
08-08-00632.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кудрявцева, Л.В. Оценка вклада дальнего переноса соединений серы и азота в их поступление в оз. Байкал / Л.В. Кудрявцева, С.Н. Устинова / Мониторинг и оценка состояния Байкала и Прибайкалья. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 86-92.
2. Бызова, Н.Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси / Н.Л. Бызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 279 с.
3. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
4. Прокачева, В.Г. Снежный покров в сфере влияния города / В.Г. Прокачева, В.Ф. Усачёв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 176 с.
5. Королева, Г.П. Исследование загрязнения снегового покрова как депонирующей среды (Южное Прибайкалье) / Г.П. Королева, А.Г. Горшков, Т.П. Виноградова и др. / Химия в интересах устойчивого развития. - 1998. - Т.6. - С. 327-337.
6. Климат Новосибирска. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 221 с.
© В.Ф. Рапута, 2008
