CC BY
340
4. Закарин Э.А., Миркаримова Б.М. Математическое моделирование загрязнения атмосферы города на основе ГИС // Известия РАН ФАО. 2000. № 3. С. 12-22.
E.M. Sokolov, V.M. Panarin, A.A. Gorjunkova, J.N. Pushilina, A.A. Belousov, N.A. Telegina
METHOD OF INTEGRAL ASSESSMENT OF REGIONAL POLLUTION PRIZMNOGO LA YER OF THE A TMOSPHERE MINING REGIONS
Method of integral evaluation of territorial contamination of the surface layer of the atmosphere of the mining region, which allows the adaptation of existing models, are oriented to certain conditions specific gornopro the industrial region and take into account the climatic conditions of the region, especially the terrain, the territorial distribution of the mining facilities, and the size and composition of emissions of air pollutants substances.
Key words: environmental monitoring, pollution, mining and industrial region, the model Gauss
Получено 14.12.11
УДК 504.064
Э.М. Соколов, д-р техн.наук, проф., (4872)35-37-60,
panarin-tsu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.М. Панарин, д-р техн.наук, проф., (4872)35-37-60,
panarin-tsu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц., (4872)35-37-60,
anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.Н. Пушилина, асп., (4872) 35-37-60,
anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.А. Белоусов, асп., (4872) 35-37-60,
anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.А. Телегина, асп., (4872)35-37-60
anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ
Рассматривается методика оперативной оценки уровня загрязнения воздушной среды промышленными предприятиями, согласно которой проводятся как экспериментальные исследования, так и моделирование процессов, происходящих в атмосфере.
Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, горнопромышленный регион, модель Гаусса.
Наибольший вклад в загрязнение атмосферы Тульской области вносят предприятия энергетики - 48 % и металлургия - 32,7 %. Помимо про-
511
мышленных выбросов, ежегодно в воздушный бассейн области выбрасывается значительное количество загрязняющих веществ от автомобильного транспорта. Основными загрязняющими веществами являются пыль, диоксиды серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды. Именно они определяют загрязнение атмосферы региона.
В атмосферный воздух города Тулы выбрасывается 188 наименований вредных веществ, представляющих серьезную опасность для здоровья человека. Контроль качества атмосферного воздуха проводится на стационарных постах по 19 вредным примесям: пыль, азота диоксид, оксид углерода, оксид азота, фенол, серная кислота и др.
Наиболее мощными промышленными загрязнителями атмосферы города Тулы являются ОАО «Тулачермет» и «Косогорский металлургический завод».
Инвентаризацией источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу установлено 273 источника, в том числе 81 неорганизованных. Разрешенный валовой выброс составляет 98042,96 тонн в год. Всего выбрасывается в атмосферу 57 ингредиентов загрязняющих веществ, в том числе 15 групп веществ, обладающих суммарным эффектом вредного воздействия.
Другим крупным загрязнителем атмосферы является ОАО «Косогорский металлургический завод». Предприятие расположено на юго-западе г. Тулы в 8 км от центра города. С юга, юго-запада оно граничит с поселком Косая Гора. С востока территория предприятия ограничена рекой Воронка.
Основным производственным направлением деятельности ОАО «Косогорский металлургический завод» является изготовление чугунных изделий различного назначения. Основной выброс вредных веществ происходит при плавке в вагранках чугуна, от которых атмосферный воздух загрязняется пылью, сернистым ангидридом, диоксидом азота и оксидом углерода.
Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха г. Тулы и Тульской области вносит ОАО «Тулачермет» (рис. 1), что составляет 87 % выбросов всего промышленного комплекса.
При моделировании загрязнения атмосферного воздуха Тулы и Тульской области необходимо учитывать следующие виды загрязнителей:
- выбросы промышленных предприятий г.Тулы и Тульской области;
- источники выделения котельных г. Тулы;
- выбросы автотранспорта;
- пылегазовые выбросы породных отвалов Тульской области.
Негативное воздействие на состояние окружающей среды и здоровье населения оказывают предприятия угледобычи, в частности, террико-
ны, расположенные на территории района. Пыление поверхностей отвалов приводит к загрязнению обширных территорий.
Интенсивность пылеобразования на породных отвалах зависит от типа и размеров отвала (табл.1), его ориентации в пространстве, количества атмосферных осадков, относительной влажности воздуха, прозрачности атмосферы, облачности, значения альбедо поверхности отвала, минералогического состава породной массы и др.
Рис. 1. Вклад промышленных предприятий в загрязнение атмосферного воздуха города Тулы
Таблица 1
Степень пыления в зависимости от высоты отвала
Показатели Высота отвала, м
45 60 75 90 105
Средневзвешенная площадь пылеобразования, га 221 247 269 317 342
Ожидаемый объём пылеобразования, т/ч (тыс. т/год) 4,8 (42,0) 5,4 (46,9) 5,8 (51,1) 6,9 (60,2) 7,4 (65,0)
В источнике [1] указано, что пыль в сухую ветренную погоду сдувается и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Приводятся данные, что концентрация пыли на расстоянии в 500 метров с подветренной стороны терриконов при скоростях ветра от 2,6 до 5,4 м/с соответственно составляет 6,3 и 13,8 мг/м .
Зная параметры выбросов промышленных предприятий и метеопараметры окружающей среды с использованием математических и физиче-
ских моделей можно рассчитать концентрации загрязняющего вещества, но адекватность принятых моделей реальным ситуациям должны проверяться экспериментально.
Для оценки реальных ситуаций необходимо иметь представление о распределении концентрации загрязняющих веществ на высоте; о площа-
ди, подвергнутой загрязнению; о токсичности этого загрязнения; о продолжительности воздействия вредного вещества. Эти сведения способствуют определению фактического вреда от действия выброса, выбора оптимальной высоты выброса, степени очистки и т.д. конкретного источника, например промышленного предприятия, деятельность которого оказывает негативное влияние на окружающую среду. Как правило, реальная ситуация влияния на окружающую среду и атмосферу складывается из
деятельности нескольких промышленных предприятии, уметь оценивать наносимый ими вред в общем и отдельно каждым важно и необходимо для промышленно развитого города.
Перед началом экспериментальных исследований необходимо обосновать методику проведения эксперимента [2].
Поскольку необходимо сравнить результаты моделирования и экспериментальные данные по загрязнению атмосферы веществами, содержащимися в выбросах предприятия, в результате проведения эксперимента
заданными значениями, т.е. восстановить на местности изолинии, полученные при расчете с помощью математических моделей.
Все вышесказанное предполагает создание методики оперативной оценки уровня загрязнения воздушной среды промышленными предприятиями. Предполагается ее основание на действующем нормативном документе ОНД-86, где решаются задачи по определению концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
Приземная концентрация вредных веществ в любой точке местности при наличии п источников выброса (в рассматриваемом случае их тысячи) определяется как сумма концентрации от отдельных источников, при заданных направлении и скорости ветра:
где Сь С2. Сп - концентрации вредного вещества соответственно от первого, второго и п-ого источников, расположенных с наветренной стороны при рассматриваемом направлении ветра.
В этом случае мощности выбросов определяются по формуле
получить изолинии концентрации загрязняющих веществ с
С = Сх + С2 + С1
где п - номер соответствующего рассматриваемого источника выброса.
Таким образом, произведение замера концентраций выбрасываемых вредных веществ в области распространения выброса относительно источника дает возможность оценить мощность каждого выброса от конкретного источника.
Для решения этой задачи можно прибегнуть к различным математическим методам. Наиболее часто используемым методом является так называемый сеточный метод. Он предписывает наложить на интересующий участок местности сетку. Сетка имеет определенный шаг по длине и по ширине. В зависимости от конечной цели можно задать равномерную и неравномерную сетку. Далее следует произвести измерения в узлах сетки. Если полученный значения сильно отличаются от искомых (заданных) величин, то очевидно следует уменьшить шаг сетки, повысив таким образом количество измерений. Очевидно, что существенным недостатком данного метода при решении поставленной задачи является большое количество измерений. Поэтому можно воспользоваться методом аппроксимации (приближения) функции.
Известно, что значение приземной концентрации загрязняющего вещества убывает по мере удаления от источника выброса и соответственно возрастает по мере приближения к нему. Поэтому, чтобы «попасть» в точку на местности с заданным значением концентрации, необходимо зафиксировать значение концентрации в точке, координаты которой определены расчетным путем. Далее, находясь с наветренной стороны, следует двигаться вдоль направления ветра от источника выброса, если зафиксировано значение концентрации больше заданного или двигаться к источнику выброса, если зафиксировано значение концентрации меньше заданного.
От автотранспорта выделяется ряд тех же веществ, которые содержатся в выбросах предприятий (диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода). Следовательно, при проведении эксперимента необходимо учитывать вклад, который вносят выбросы от автотранспорта, в общую картину загрязнений, а также общий уровень фоновых загрязнений атмосферы, для этого можно провести моделирование процесса рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, принимая фон равным нулю. Определив по результатам моделирования значения приземных концентраций загрязняющих веществ, можно узнать, как эти значения относятся друг к другу. Зная результаты экспериментальных замеров уровней концентраций и сопоставляя их с расчетными значениями, можно сделать вывод о том, какая доля загрязнения приходится на посторонний источник выброса. При использовании такого метода необходимо составлять соотношения так, чтобы в них участвовало только одно вещество, которое, как ожидается, присутствует в выбросах исследуемого источника и близлежащих к исследуемому (соз-
дающих фоновые загрязнения) источниках. Остальные же вещества, участвующие в соотношении, должны быть характерны только для исследуемого источника [3].
Экспериментальные исследования загрязнения атмосферы на предмет рассеивания таких вредных веществ, как диоксида серы, диоксида азота и оксида углерода, проводились в теплый и холодный периоды года с помощью датчиков «Сирена-А-01-8», «Сирена-А-01-3»и «Палладий-3». Точки замеров определялись направлением ветра в день проведения эксперимента.
Исходные данные, при которых проводились замеры, соответствуют одной из моделируемых ситуаций распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Значения концентраций основных загрязняющих веществ представлены в табл. 2.
Замеры проводились на территории музея-заповедника «Ясная Поляна», в Грумантах, Козловой засеке, на мосту через Воронку, в районе Косой Горы, а также по основным улицам города Тулы.
Была установлена величина эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов Тульской области. Для чего были исследованы отвалы и терриконы, находящиеся в непосредственной близости от города.
Таблица 2
Экспериментальные значения концентраций СО, М02 и 802
Расчетная точка Результаты эксперимента
СО мг/м3 3 802 мг/м N02 мг/м3
РТ 1 3,78 0,68 0,04
РТ 2 2,12 0,465 0,77
РТ 3 2,58 0,39 0,1
РТ 4 3,86 0,21 0,05
РТ 5 12,22 0,35 0,05
При проведении замеров, превышения ПДК оксида углерода наблюдаются в районе Косогорского металлургического завода, в остальных точках приближаются к единице. В районе музея - усадьбы Ясная Поляна и Козловой засеке наблюдается превышения ПДК диоксида азота. По диоксиду серы превышение наблюдается лишь в районе Грумант, в других же точках не достигают ПДК. В нескольких точках отмечались превышения значений по пыли. Концентрации ЗВ в рассматриваемых контрольных точках составили.
Необходимо отметить, что в процессе работы также учитывались данные, получаемые стационарным экологическим постом, расположен-
ным в 6-м корпусе Тульского государственного университета на кафедре «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды».
При моделировании загрязнения атмосферы Тульской области выбросами промышленных предприятий на компьютерной программе «Призма-регион», которая предназначена для автоматизированной поддержки выработки и принятия управленческих, технологических и проектных решений по формированию комплекса воздухоохранных мероприятий на территории предприятия/города/региона, реализуются положения «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86)» Госкомгидромета. Программа позволяет по данным об источниках выброса веществ и условиях местности рассчитывать разовые (осредненные за 20 - 30 - минутный интервал) концентрации веществ в приземном слое при неблагоприятных метеорологических условиях.
В качестве исходных данных были использованы координаты источников выбросов, координаты территории города, загрязнение атмосферы которой рассматриваем, характеристики выбросов (перечень загрязняющих веществ и количество выбрасываемого вещества в единицу времени), метеорологические параметры Тульского региона.
Рассматривалось рассеивание следующих вредных веществ: углерод оксида, диоксида серы и диоксида азота, пыли, фенола, оксиды железа, бария, алюминия, марганца и др.
Были рассчитаны приземные концентрации как отдельных веществ, так и групп веществ с суммирующимся вредным действием. В расчетах были учтены нагретые и холодные выбросы точечных, линейных и площадных источников. Учитывались площадные источники трех типов:
с выбросом со сплошной поверхности, для которых нельзя указать полного набора характеристик газовоздушной струи: скорости и объема выходящих газов, диаметра устья источника (пылящие поверхности терриконов и др.);
с выбросом со сплошной поверхности, для которых выброс по каждому веществу имеет несколько (до пяти) значений в зависимости от наблюдаемой скорости ветра;
описывающие выбросы из многих мелких точечных источников ; описывающие выбросы от автомагистралей.
Кроме того, учитывались влияние рельефа на рассеивание веществ (с помощью введения поправок на рельеф), а также фоновая концентрация веществ, дифференцированная по скоростям и направлениям ветра и по расположению постов наблюдений за фоном. При этом программа позволила оценить фоновое загрязнение воздуха без учета вклада отдельных источ-
ников, что упрощает расчет загрязнения воздуха для реконструируемых предприятий.
В зависимости от количества промплощадок был осуществлен выбор:
нескольких загрязняющих веществ и/или групп суммации загрязняющих веществ;
для каждого выброса источника свой уникальный коэффициент учета скорости оседания (Б) по каждому выбрасываемому загрязняющему веществу. При этом нет необходимости создавать группу суммации из одного и того же вещества с различными Б для разных выбросов, т.к. коэффициент Б вычисляется автоматически на основе сведений по источникам выделения и очистке. Б зависит от агрегатного состояния загрязняющего вещества и степени очистки;
нескольких участков местности и/или отдельных точек, для которых необходимо произвести расчет концентраций.
Проведены экспресс-расчет (до проведения основного расчета) максимальных концентраций, опасного расстояния и опасной скорости ветра по каждому источнику выбросов по каждому загрязняющему веществу, расчет полей приземных концентраций с перебором от одной до десяти заданных скоростей ветра или с перебором в заданном интервале с определенным шагом; расчет полей приземных концентраций с перебором от 1 до 360° (для полного круга с шагом один градус) направлений ветра или с автоматическим определением направления ветра, при котором в расчетной точке достигается максимальная концентрация; расчет полей приземных концентраций с учетом фоновых концентраций; расчет полей приземных концентраций по группам суммации, когда часть веществ, составляющих группу, находится в выбросах источников, а часть веществ из группы сум-мации в выбросах отсутствуют, но присутствуют в фоне.
Выведены результаты расчета на экран монитора и принтер в форме графического и табличного представлений в удобном масштабе. Сохранены результаты расчетов в файлах в графическом и текстовом видах.
Осуществляли несколько вариантов моделирования при наихудших метеорологических условиях для теплого периода года с преобладающим северо-западным направлением ветра и для холодного периода года с преобладающим юго-восточным направлением ветра.
Проведенные расчеты были выполнены с шагом 100 м. Если выбрать для расчета шаг, например, 50 м, то время расчета возрастет примерно в 4 раза. Если шаг расчета увеличить до 500 м, то можно получить поле концентраций, ограниченное всего лишь одной-двумя линиями долей ПДК.
Для расчета полей концентрации загрязняющих веществ города как единой площадке со сложным характером размещения точечных источников и пылящих площадок выбор шага имеет первостепенное значение, т.к. приходится решать задачу о приоритетах расчета: точность или время расчета.
Для иллюстрации проявления влияния различных факторов, в частности, поля рассеивания загрязнения от соседних предприятий, приведем изменение полей концентрации для родственных предприятий, расположенных в непосредственной близости друг от друга. ОАО «Тульский оружейный завод» и ОАО «Туламашзавод» располагаются в центральной части города. В составе выбросов загрязняющих веществ отмечаются пыль, взвешенные вещества, соединения свинца, оксиды углерода, азота и т.д.
Многие загрязняющие вещества обладают эффектом однонаправленности, т. е. вызывают одинаковую реакцию организма. Это так называемые группы суммации. Руководящим документом установлен перечеь групп суммации. Выделим общие группы суммации для этих двух предприятий: 6010 - диоксид азота - диоксид серы - оксид углерода -фенол; 6034 - соединения свинец - диоксид серы; 6046 - оксид углерода -пыль неорганическая (70...20 % 8Ю2), триоксид железа; диоксид азота и др [4-5].
Если бы эти предприятия являлись единственными источниками загрязнения, то для города было бы досточно вывести жилые здания за пределы санитарно - защитной зоны. При проявлении полей концентрации второго предприятия одновременно с первым поля концентраций складываются и картина совокупного поля меняется. Концентрации загрязняющих веществ увеличиваются и в отдельных случаях могут превысить допустимые значения.
По результатам проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:
- установлено, что с увеличением скорости ветра площадь рассеивания выброса загрязняющего вещества «сужается», но оседает дальше от источника, то есть в пределах санитарно-защитной зоны ПДК веществ не превышается, а за ее пределами превышение возможно;
- в зависимости от времени года и от преобладающего направления ветров в зоне загрязнения оказываются различные площади;
- результаты проведенного моделирования свидетельствуют о том, что в загрязнение атмосферного воздуха значительную часть вносят пыле-газовые выбросы горнопромышленного комплекса и его отвалов.
На основе вышеприведенных рассуждений можно сделать вывод о том, что концентрация вредных веществ на территории города Тулы существенно зависит от метеорологических показателей.
Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П619 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по теме «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Лёвкин Н.Д., Комиссаров М.С. Геоэкологические проблемы угледобывающих регионов: монография. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. 560 с.
2. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчет распространения примеси / Н.Л. Бызова [и др.]. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 231 с.
3. Закарин Э.А. Загрязнение воздушного бассейна городов. М.: ИНИОН. 1992. 26 с.
4. Моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере промышленного региона / Р.А. Ковалев [и др.] // Известия ТулГУ. Сер. Науки о земле. 2009. С. 22-27.
5. Пушилина Ю.Н. Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона // Известия ТулГУ. Сер. Науки о земле. 2009. С. 27-31.
6. Пушилина Ю.Н. Моделирование загрязнения воздуха Ясной Поляны с оценкой вклада отдельных предприятий по основным загрязнителям и экспериментальная оценка результатов // II Магистерская научно-техническая конференция: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 310-311.
E.M. Sokolov, V.M. Panarin, A.A. Gorjunkova, J.N. Pushilina, A.A. Belousov, N.A. Telegina
METHOD OF RAPID ASSESSMENT LEVEL AIR POLLUTION INDUSTRIAL ENTERPRISES
The technique for rapid assessment of the level of air pollution by industrial enterprises, according to which conducted both experimental studies and modeling of processes occurring in the atmosphere is considefed.
Key words: environmental monitoring, pollution, mining and industrial region, the model Gauss.
Получено 14.12.11
