CC BY
143
УДК 551.511.42.001.572(571.14)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПАДЕНИЙ ПЫЛИ В ОКРЕСТНОСТЯХ ТЭЦ Г. НОВОСИБИРСКА
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Наталья Петровна Ахматова
ФГБОУ ВО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, кандидат технических наук, доцент, тел. (383)221-46-31, e-mail: [email protected]
Татьяна Владимировна Ярославцева
ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Виктор Владиславович Турбинский
ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, доктор медицинских наук, директор, тел. (383)343-34-01, e-mail: [email protected]
Разработана модель реконструкции поля выпадений аэрозольной примеси от совокупности источников. Проведена её апробация на данных натурных исследований пылевого загрязнения снежного покрова в окрестностях ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 г. Новосибирска. Представлены оценки суммарных выпадений пыли от рассматриваемых источников на территории города в зимнем сезоне 2013/14 г.
Ключевые слова: примесь, атмосфера, снежный покров, загрязнение, пыль, численное моделирование, реконструкция.
THE RESEARCH OF DUST DEPOSITION AROUND
THE AREA OF NOVOSIBIRSK THERMAL POWER STATION
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 pr. Akad. Lavrentjeva, leading researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Natalya P. Akhmatova
Siberian state water transport university, 630099, Russian, Novosibirsk, 33 Shetinkina, doctor of technical sciences, professor, tel. (383)221-46-31, e-mail: [email protected]
Tatyana V. Yaroslavtseva
Novosibirsk scientific research institute of hygiene, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko, researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Victor V. Turbinsky
Novosibirsk scientific research institute of hygiene, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko, doctor of medical sciences (MD), head of institute, tel. (383)343-34-01, e-mail: [email protected]
A model of aerosol fallout fields from a plurality of sources has been developed. Аpprobation of the model on data from field studies of snow dust pollution in the vicinity of thermal power sta-tion-2 and thermal power station-3 of Novosibirsk was carried out. The estimate of the total fallouts of dust from sources considered in the city in the winter season 2013/14 were presented.
Key words: impurity, atmosphere, snow, dirt, dust, numerical modeling, reconstruction.
При сжигании углеводородного топлива энергетическими установками происходит значительное загрязнение атмосферы городов. Этому способствует также неблагоприятные метеорологические условия (слабые ветры, температурные инверсии, туманы и т.д.), приводящие к появлению смога, что представляет большую опасность для здоровья населения [1].
Отрицательное влияние тепловых электроцентралей (ТЭЦ) на окружающую среду в значительной степени связано с расходованием больших количеств кислорода на горение топлива и поступлением в атмосферу окислов азота, серы, углерода, полиароматических углеводородов. Поэтому возникает необходимость изучения состава загрязняющих веществ и закономерности их распространения в воздушном бассейне городов.
Объекты, материалы и методы исследования. Топливно-энергетический комплекс г. Новосибирска включает в себя несколько крупных ТЭЦ, а также около 200 мелких и средних котельных. Новосибирские ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 входят в объединенную энергосистему Сибири. Они расположены в Ленинском районе г. Новосибирска в пределах весьма значительной городской застройки.
На ТЭЦ - 2 выброс отходящих газовоздушных смесей происходит через две близко расположенные дымовые трубы высотой 100 и 120 м соответственно диаметрами 5,1 и 8 м. Северо-западнее от ТЭЦ - 2 на расстоянии 1.6 км находится промплощадка ТЭЦ - 3. Выброс отходящих газовоздушных смесей происходит, в основном, через трубу высотой 120 м и диаметром 8,2 м. Расчетные выходы золы и шлака по ТЭЦ - 2 в среднем составляют 120 тыс.т/год, по ТЭЦ - 3 - 130 тыс.т/год.
Для оценки влияния ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 г. Новосибирска на состояния атмосферного воздуха и территорий города использовались наблюдения загрязнения снежного покрова. Снеговые пробы отбирались с учетом условий переноса и рассеяния загрязняющих веществ. Маршрутный отбор проб снега в окрестностях ТЭЦ проводился 12 марта 2014 г. Схема отбора проб представлена на рис. 1. Точки наблюдений располагались на открытых участках местности с учетом расположения застройки, наличия ближайших локальных источников (автотрассы, частный сектор, мелкие котельные), а также лесной и парковой зоны. Выполнение перечисленных условий в пределах города является непростой задачей и, как правило, успешность ее решения устанавливается на более поздних стадиях исследования при интерпретации данных наблюдений.
Рис. 1. Схема отбора проб снега. Среднезимняя роза ветров на высоте 100 м.
▲ - положение труб ТЭЦ
Керны снега отбирались при помощи пластмассовой трубы на участках, где сохранился неповреждённый снеговой покров. Лабораторная обработка снеговых проб заключалась в топлении, фильтровании снеготалой воды и последующем определении массы сухого осадка. Результаты лабораторных исследований и расчеты концентрации пыли в районе ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 представлены в табл. 1.
Таблица 1
Твердый осадок в пробах, взятых в окрестностях ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3
(12 марта 2014 г.)
Номер точки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
мг/л 50 146 87 80 102 58 63 20 93 68 79 67
г/м2 4,1 13,1 7,5 6,3 7,6 4,4 5,8 2,1 9,1 5,6 4,9 5,8
Исследование химического состава снеговой воды и выделенного осадка проводили в аккредитованных лабораториях Новосибирского НИИ гигиены, Института неорганической химии СО РАН. Статистическая обработка и математическое моделирование выполнялись в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
Модель оценивания поля длительных выпадений пыли от совокупности источников. В монодисперсном приближении в случае одиночной трубы
поле плотности выпадений примеси на снежный покров описывается
с помощью следующей регрессионной зависимости [2]
где
2 г
. _ И!
-е г . (2)
Оценки неизвестных параметров 0Х, могут быть найдены с использованием данных наблюдений, например, по методу наименьших квадратов. Параметр тт определяется через геометрические характеристики источника [1].
Пусть в плоскости расположены два источника с координатами
>У\ ^ и ^ У2 ^ Тогда с учётом соотношений (1), (2) суммарное поле выпадений примеси от обоих источников можно представить в виде
ф = е1Ф14,<р,е2 > у/, ^
где
_ тах ^ I 0 2 0 2
Ф,4,(р,в2Угв2е г ^ф + 180 , г = лЦх-х1) + (у-ух) ,(р = аг^
12 г _
_ -^'тах ^ I-
Ьу/^гУр^е р + , р = ^(х-х°2)2 + (у-у°2)2,щ = аг^
Если использовать данные наблюдений в четырёх точках местности, то для
определения неизвестных параметров (6Х ,62,82,82) необходимо решить следующую систему 4-х нелинейных уравнений
(3)
у-
х-
у
X — х2
Ф(х],Урв,5) = С], У = 1,4 , (4)
где С] - концентрация примеси, измеренная в точке (,у,).
При численном решении системы уравнений (4) следует, в первую очередь, исключить параметры ^и^, входящие в неё линейно. В результате задача сводится к системе двух нелинейных уравнений для нахождения в2 и решение которой можно найти вполне стандартными методами.
Численный анализ результатов исследований. На рис. 2 представлены результаты реконструкции полей выпадений пыли по моделям (2), (3) и данным наблюдений, представленным табл. 1. Сравнительный анализ полученных результатов численного моделирования с данными наблюдений показывает их вполне удовлетворительное согласие. Заметные отклонения измеренных и вычисленных значений концентраций пыли в точках № 2, 5, 12 могут быть обусловлены влиянием локальных источников (автотрассы, частный сектор, пылящие поверхности и др.). В соответствии с розой ветров максимумы выпадений пыли расположены в северо-западных направлениях от ТЭЦ на расстояниях около 1 км, что указывает, учитывая высоту труб, на заметную неоднородность в зимнее время дисперсного состава выпадающей пыли.
Рис. 2. Восстановленное с использованием зависимости (3) суммарное поле выпадений (г/л) пыли от ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 в зимнем сезоне 2013/14 г. (а). Измеренные и восстановленные на основе модели (2) значения концентрации пыли (мг/л) в северо-восточном секторе от ТЭЦ - 2 (б) и суммарно от обеих ТЭЦ в точках отбора проб снега (в). о, • - опорные и контрольные точки измерений
Заключение. Анализ результатов натурных исследований проб снега показал, что пылевое загрязнение левобережной части г. Новосибирска выбросами ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 относительно не велико. В целом, на маршрутах пробо-отбора по мере удаления от ТЭЦ прослеживается характерная динамика уменьшения концентраций пыли. Интенсивность выноса пыли по направлениям вполне согласуется с зимней розой ветров. Численный анализ данных мониторинга снегового покрова в окрестностях ТЭЦ - 2 и ТЭЦ - 3 г. Новосибирска выявил существование достаточно простых закономерностей формирования полей длительного загрязнения местности.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН 4.9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
2. Рапута В.Ф. Модели реконструкции полей длительных выпадений аэрозольных примесей // Оптика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 20, № 6. - С. 506-511.
© В. Ф. Рапута, Н. П. Ахматова, Т. В. Ярославцева, В. В. Турбинский, 2015
